Häufig gestellte Fragen zur Ultraschalltechnik

Im Folgenden finden Sie Antworten auf die häufigsten Fragen zur Ultraschallbehandlung. Wenn Sie keine Antwort auf Ihre Frage finden, zögern Sie bitte nicht, uns zu fragen. Wir helfen Ihnen gerne weiter.

• Kann ich Lösungsmittel mit Ultraschall behandeln?
• Wie viel Ultraschallleistung benötige ich?
• Wirkt sich Ultraschall auf Menschen aus? Welche Vorsichtsmaßnahmen sollte ich bei der Ultraschallbehandlung treffen?
• Was ist der Unterschied zwischen magnetostriktiven und piezoelektrischen Wandlern?
• Warum erwärmt sich die Probe während der Beschallung?
• Gibt es allgemeine Empfehlungen zur Beschallung von Proben?
• Bietet Hielscher austauschbare Sonotrodenspitzen an?

Frage: Kann ich Lösungsmittel mit Ultraschall behandeln?

Theoretisch könnten sich brennbare Lösungsmittel durch die Beschallung entzünden, da durch Kavitation brennbare oder explosive flüchtige Stoffe entstehen können. Deshalb müssen Sie Ultraschallgeräte und Zubehör verwenden, die für diese Art von Ultraschallanwendung geeignet sind.
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Wenn Sie Lösungsmittel mit Ultraschall behandeln müssen, wenden Sie sich bitte an uns, damit wir geeignete Maßnahmen empfehlen können.

Frage: Wie viel Ultraschallleistung benötige ich?

Die erforderliche Ultraschallleistung hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise:

• dem Volumen, das beschallt wird
• dem gesamten zu verarbeitenden Volumen
• der Zeit für die Verarbeitung des gesamten Volumens
• dem zu beschallenden Material
• dem angestrebten Prozessergebnis nach der Ultraschallbehandlung

Im Allgemeinen erfordert ein größeres Volumen eine höhere Leistung (Wattzahl) oder eine längere Beschallungsdauer. Bei den meisten Sonotrodentypen verteilt sich die Leistung hauptsächlich über die Oberfläche der Spitze. Daher erzeugen Sonotroden mit kleinerem Durchmesser ein stärker fokussiertes Kavitationsfeld. Eine höhere Ultraschallintensität (ausgedrückt als Leistung pro Volumen) führt in der Regel zu einer höheren Verarbeitungseffizienz.

Frage: Wirkt sich Ultraschall auf Menschen aus? Welche Vorsichtsmaßnahmen sollte ich bei der Ultraschallbehandlung treffen?

Ultraschallfrequenzen liegen oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Die Ultraschallschwingungen lassen sich sehr gut in Feststoffe und Flüssigkeiten einkoppeln, wo sie ultraschallinduzierte Kavitation erzeugen können. Deshalb sollten Sie keine mit Ultraschall schwingenden Teile berühren oder in beschallte Flüssigkeiten greifen. Für die Übertragung von Ultraschallwellen durch die Luft sind keine negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper dokumentiert, da die übertragenen Schallpegel sehr niedrig sind.

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten erzeugt der Kollaps der Kavitationsblasen ein schrilles Geräusch. Der Geräuschpegel hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von Leistung, Druck und Amplitude. Zusätzlich können Geräusche bei subharmonischen (niedrigeren) Frequenzen entstehen. Dieses hörbare Geräusch und seine Auswirkungen sind mit denen anderer Maschinen wie Motoren, Pumpen oder Gebläsen vergleichbar. Deshalb empfehlen wir geeignete Gehörschutzstöpsel, wenn Sie sich längere Zeit in der Nähe einer laufenden Anlage aufhalten. Außerdem bieten wir geeignete Schallschutzboxen für unsere Ultraschallgeräte an.

Frage: Was ist der Unterschied zwischen magnetostriktiven und piezoelektrischen Wandlern?

Bei magnetostriktiven Wandlern wird elektrische Leistung genutzt, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das ein magnetostriktives Material zum Schwingen bringt. Bei piezoelektrischen Wandlern wird elektrische Leistung direkt in longitudinale Schwingungen umgewandelt. Deshalb haben piezoelektrische Wandler einen höheren Umwandlungswirkungsgrad. Dies wiederum reduziert den Kühlbedarf. Heute sind piezoelektrische Wandler in der Industrie vorherrschend.
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Frage: Warum erwärmt sich die Probe während der Beschallung?

Bei der Ultraschallbehandlung wird Leistung in eine Flüssigkeit eingetragen. Mechanische Schwingungen führen zu Turbulenzen und Reibung innerhalb der Flüssigkeit. Deshalb erzeugt die Ultraschallbehandlung während der Verarbeitung erhebliche Wärme. Eine wirksame Kühlung ist erforderlich, um die Erwärmung zu verringern. Bei kleineren Proben sollten Probengefäße oder Bechergläser zur Wärmeabfuhr in einem Eisbad gehalten werden.
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Neben den möglichen negativen Auswirkungen erhöhter Temperaturen auf Ihre Proben, beispielsweise Gewebe, nimmt bei höheren Temperaturen auch die Wirksamkeit der Kavitation ab.

Frage: Gibt es allgemeine Empfehlungen zur Beschallung von Proben?

Für die Ultraschallbehandlung sollten kleine Gefäße verwendet werden, da die Intensitätsverteilung darin homogener ist als in größeren Bechergläsern. Die Sonotrode sollte tief genug in die Flüssigkeit eingetaucht werden, um Schaumbildung zu vermeiden. Zähe Gewebe sollten vor der Beschallung mazeriert, gemahlen oder pulverisiert werden (beispielsweise in flüssigem Stickstoff). Während der Ultraschallbehandlung können freie Radikale entstehen, die mit dem Material reagieren könnten. Das Spülen der flüssigen Materiallösung mit flüssigem Stickstoff oder die Zugabe von Radikalfängern wie Dithiothreitol, Cystein oder anderen Verbindungen mit -SH-Gruppen zu den Medien kann Schäden durch oxidative freie Radikale verringern.
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Frage: Bietet Hielscher austauschbare Sonotrodenspitzen an?

Hielscher liefert keine austauschbaren Spitzen für Sonotroden. Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung, beispielsweise Lösungsmittel, dringen typischerweise in die Kontaktfläche zwischen der Sonotrode und der austauschbaren Spitze ein. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmender Schwingungsamplitude. Die Flüssigkeit kann Partikel in den Gewindebereich transportieren. Dies verursacht Verschleiß am Gewinde, wodurch die Spitze von der Sonotrode entkoppelt wird. Wenn die Spitze entkoppelt ist, schwingt sie bei der Betriebsfrequenz nicht in Resonanz und das Gerät fällt aus. Deshalb liefert Hielscher ausschließlich einteilige Sonotroden.

Häufig gestellte Fragen zu Ultraschallgeräten und ihren Komponenten

Was ist ein Ultraschallgenerator?

Der Ultraschallgenerator (Stromversorgung) erzeugt elektrische Schwingungen mit Ultraschallfrequenz (oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs, beispielsweise 19kHz). Diese Energie wird an die Sonotrode übertragen.

Was ist eine Sonotrode?

Die Sonotrode (auch als Sonde oder Horn bezeichnet) ist ein mechanisches Bauteil, das die Ultraschallschwingungen vom Wandler auf das zu beschallende Material überträgt. Sie muss sehr fest montiert werden, um Reibung und Verluste zu vermeiden. Je nach Sonotrodengeometrie werden die mechanischen Schwingungen verstärkt oder abgeschwächt. An der Sonotrodenoberfläche werden die mechanischen Schwingungen in die Flüssigkeit eingekoppelt. Dadurch bilden sich mikroskopisch kleine Blasen (Hohlräume), die sich während der Niederdruckphasen ausdehnen und während der Hochdruckphasen heftig implodieren. Dieses Phänomen wird als akustische Kavitation bezeichnet. Kavitation erzeugt hohe Scherkräfte an der Sonotrodenspitze und versetzt das behandelte Material in intensive Bewegung.

Was ist ein piezoelektrischer Wandler?

Der Ultraschallwandler (Konverter) ist ein elektromechanisches Bauteil, das elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt. Die elektrischen Schwingungen werden vom Generator erzeugt. Die mechanischen Schwingungen werden an die Sonotrode übertragen.

Was ist der Unterschied zwischen einem piezoelektrischen und einem magnetostriktiven Wandler?

Ein piezoelektrischer Wandler wandelt elektrische Energie mithilfe piezoelektrischer Kristalle in mechanische Schwingungen um. Diese Kristalle verformen sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes und ermöglichen eine hohe Effizienz und Präzision. Ein magnetostriktiver Wandler erzeugt Schwingungen durch den magnetostriktiven Effekt, bei dem magnetische Materialien ihre Form als Reaktion auf ein Magnetfeld verändern. Sein Wirkungsgrad ist im Vergleich zu piezoelektrischen Wandlern deutlich geringer. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher verwenden piezoelektrische Wandler für eine überlegene Effizienz und einen zuverlässigen Betrieb.

Was ist die Ultraschallamplitude / Schwingungsamplitude?

Die Schwingungsamplitude beschreibt die Größe der Schwingung an der Sonotrodenspitze. Sie wird im Allgemeinen als Spitze-Spitze-Wert gemessen. Dies ist der Abstand zwischen der Position der Sonotrodenspitze bei maximaler Ausdehnung und bei maximaler Kontraktion der Sonotrode. Typische Sonotrodenamplituden liegen zwischen 20 und 250µm.

Was ist akustische Kavitation?

Akustische Kavitation bezeichnet die Bildung, das Wachstum und den Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit aufgrund von Druckschwankungen durch hochintensive Schallwellen. Ein Ultraschallgerät mit Sonotrode ermöglicht eine wirksame Erzeugung von Kavitation, da es fokussierte Ultraschallenergie direkt in die Flüssigkeit einträgt. Dies verstärkt die Blasenbildung und den Blasenkollaps und erzeugt lokal extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen, hohe Drücke und starke Scherung, die für Anwendungen wie Sonochemie, Nanopartikelsynthese und Zellaufschluss nützlich sind.

Was ist der Unterschied zwischen direkter und indirekter Beschallung?

Bei der direkten Beschallung wird eine Sonotrode direkt in die Flüssigkeit eingebracht, wodurch Ultraschallenergie für Prozesse wie Zelllyse oder Nanopartikelsynthese effizient eingetragen wird. Bei der indirekten Beschallung wird Ultraschallenergie dagegen durch ein Gefäß oder ein Medium übertragen, wodurch ein direkter Kontakt mit der Probe vermieden wird. Diese Methode eignet sich ideal zur Vermeidung von Kontaminationen oder zur Verarbeitung kleiner Volumina, ist jedoch im Allgemeinen weniger energieeffizient.
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Sind die Sonotroden autoklavierbar?

Ja, Sonotroden und Durchflusszellen von Hielscher können autoklaviert werden. Bitte beachten Sie die nachstehenden Richtlinien zur korrekten Durchführung. Generator, Wandler, Kabel und Steckverbinder dürfen nicht autoklaviert werden!
Laden Sie hier die Richtlinien zum Autoklavieren von Sonotroden und Durchflusszellen herunter!