Hielscher – Ultraschall-Technologie

Häufig gestellte Fragen zu Ultraschall

Unten stehend finden Sie Antworten auf die am häufigsten gestellten Fragen bezüglich Ultraschall. Falls Sie jedoch hier auf Ihre spezifische Frage keine befriedigende Antwort finden, so zögern Sie bitte nicht, uns Ihre Frage weiterzuleiten. Wir helfen Ihnen gerne weiter.

Q: Kann ich Lösungsmittel beschallen?

Theoretisch können sich entzündliche und brennbare Lösungsmittel durch das Beschallen mit Ultraschall entzünden, da durch die Kavitation entzündliche und explosive leicht flüchtige Bestandteile entstehen könnten. Aus diesem Grund sollten Sie Ultraschallgeräte und Zubehör nutzen, welches für eine solche Ultraschallanwendung geeignet ist. Sollte es für Sie notwendig sein, Lösungsmittel zu beschallen, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir Ihnen geeignete Methoden und Richtlinien empfehlen können.

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Q: Wieviel Ultraschallleistung benötige ich?

Die benötigte Ultraschallleistung hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  • vom Volumen, das beschallt werden soll
  • vom Gesamtvolumen des Prozesses
  • der Zeit, in der das Gesamtvolumen behandelt werden soll
  • vom Material, das beschallt wird
  • von den angestrebten Prozessergebnissen, die durch die Ultraschallanwendung erreicht werden sollen

Im Allgemeinen erfordert ein größeres Volumen entweder eine höhere Leistung (Watt) oder eine längere Beschallungsdauer. Bei den meisten Sonotrodentypen wird die Energie hauptsächlich über die Stirnfläche oder Spitze der Sonotrode abgegeben. Zudem erzeugen kleinere Durchmesser ein engeres Kavitationsfeld. Eine höhere Ultraschallintensität (ausgedrückt in Energie pro Volumen) erzeugt normalerweise eine höhere Prozesseffizienz.

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Q: Wirkt sich Ultraschall schädlich auf den Menschen aus? Welche Vorkehrungen sollte ich treffen, wenn ich Ultraschall verwende?

Die Ultraschallfrequenzen liegen über dem für Menschen hörbaren Spektrum. Ultraschallschwingungen übertragen sich sehr gut auf Feststoffe und Flüssigkeiten, wo Ultraschall dann Kavitation erzeugt. Aus diesem Grund sollten Sie keine Teile, die durch Ultraschall in Schwingung versetzt werden, berühren oder die Hand in beschallte Flüssigkeit tauchen. Die über die Luft übertragenen Schwingungen und Ultraschallwellen haben allerdings keine nachgewiesenen negativen Auswirkungen auf den menschlichen Organismus, da die Übertragungsrate sehr gering ist.

Während des Beschallens entsteht durch die Implosion der Kavitationsblasen kreischender Lärm. Die Lautstärke dieser Geräusche hängt von verschiedenen Faktoren, wie der Energie, dem Druck und der Amplitude, ab. Zusätzlich können Lärmgeräusche, vergleichbar mit denen anderer Maschinen, wie z. B. Motoren, Pumpen oder Gebläse auftreten. Daher empfehlen wir Ihnen den Gebrauch eines angemessenen Gehörschutzes, wenn Sie längere Zeit nahe an einem laufenden Ultraschallgerät arbeiten. Alternativ bieten wir auch Schallschutzboxen für unsere Ultraschallgeräte an.

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Q: Was ist der Unterschied zwischen magnetostriktiven und piezoelektrischen Schallwandlern?

In magnetostriktiven Schallwandlern wird die elektrische Energie dazu genutzt, ein elektro-magnetisches Feld zu erzeugen, welches magnetostriktives Material in Schwingung versetzt. In piezoelektrischen Schallwandlern hingegen wird die elektrische Energie direkt in Longitudinalschwingungen (Längswellen) umgesetzt. Dadurch haben piezoelektrische Schallwandler eine höhere Umwandlungseffizienz, wodurch wiederum das Kühlen der beschallten Stoffe verringert wird. Heutzutage sind in der Industrie vorwiegend piezoelektrische Schallwandler verbreitet.

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Q: Weshalb erhitzen sich die Proben während des Beschallens?

Ultraschall überträgt Energie auf Flüssigkeiten. Die erzeugten mechanischen Schwingungen erzeugen Turbulenzen und Reibung in der Flüssigkeit. Daher entsteht während des Beschallens beträchtliche Wärme, weshalb effektives Kühlen notwendig ist, um das Erhitzen zu verringern. Kleinere Proben, Ampullen oder Bechergläser sollten in ein Eisbad gestellt werden, um die Wärme abzuführen.

Neben den potentiellen negativen Auswirkungen der Temperaturerhöhung der Proben, z. B. bei Gewebe, schwächt die höhere Temperatur die Kavitationseffektivität ab.

Q: Gibt es allgemeingültige Empfehlungen für das Beschallen von Stoffen und Proben?

Bei einer Beschallung mit Ultraschall sollten kleine Gefäße verwendet werden, da die Intensitätsverteilung in kleinen Gefäßen gleichmäßiger ist als in großen Behältern. Die Sonotrode sollte tief genug in die Flüssigkeit eintauchen, um ein Aufschäumen zu vermeiden.

Feste Stoffe sollten vor dem Beschallen eingewässert, eingeweicht oder pulverisiert (z.B. in flüssigem Nitrogen) werden. Während des Beschallens können freie Radikale entstehen, die mit dem Material reagieren können. Wird die flüssige Materiallösung mit flüssigem Nitrogen gespült oder werden der Lösung Radikalfänger, z.B. Dithiothreitol, Cysteine oder andere -SH-Verbindungen zugesetzt, so können dadurch Schäden, die durch die oxidativen freien Radikale entstehen, verringert werden.

Q: Bietet Hielscher austauschbare Sonotrodenspitzen an?

Hielscher liefert keine auswechselbaren Sonotrodenspitzen, denn Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung, wie z.B. Lösungsmittel dringen normalerweise in die Gewindeschnittstelle zwischen der Sonotrode und der austauschbaren Sonotrodenspitze ein. Dieses Problem verschärft sich mit steigender Oszillationsamplitude. Mit der Flüssigkeit können Partikel in das Gewinde gelangen. Diese können Abrieb am Gewinde verursachen, wodurch es zu einer Isolation der Spitze von der Sonotrode kommt. Ist die Spitze isoliert, so können die Schwingungen nicht mehr in der Betriebsfrequenz übertragen werden und das Gerät wird gestört. Aus diesem Grund liefert Hielscher Ultrasonics nur komplett auswechselbare Sonotroden.

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Glossar

Der Ultraschallgenerator

Der Ultraschallgenerator erzeugt elektrische Schwingungen auf Ultraschallfrequenz (über der hörbaren Frequenz, z. B. 19kHz). Diese Energie wird auf die Sonotrode übertragen.

Die Sonotrode

Bei der Sonotrode (auch als Horn bezeichnet) handelt es sich um das Geräteteil, das die durch Ultraschall erzeugten Schwingungen vom Schallwandler auf das zu beschallende Material überträgt. Die Sonotrode muss sehr fest montiert werden, um Reibungsverluste oder Zerstörung zu vermeiden. Von der Sonotrodenform und -geometrie hängt die mechanische Schwingung ab, die dementsprechend verstärkt oder verringert wird. Über die Sonotrodenoberfläche werden die Schwingungen auf die Flüssigkeit übertragen. Diese erzeugen mikroskopisch kleine Blasen (Kavitationsblasen), die sich während der Niederdruckphase ausdehnen und in der Hochdruckphase implodieren. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Kavitation erzeugt hohe Scherkräfte an der Sonotrode und bewirkt dadurch, dass der beschallte Stoff intensiv verrührt und gemischt wird.

Der piezo-elektrische Schallwandler

Der Schallwandler ist ein elektro-mechanischer Bestandteil des Ultraschallgerätes, der elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt. Die elektrischen Schwingungen werden durch den Generator erzeugt. Die mechanischen Schwingungen werden auf die Sonotrode übertragen.

Die Schwingungsamplitude

Die Schwingungsamplitude definiert das Ausmaß der Ultraschallvibrationen an der Sonotrodenspitze. Sie wird normalerweise von Höchstwert zu Höchstwert gemessen. Dabei handelt es sich um die Distanz zwischen maximaler Expansion und maximaler Kontraktion an der Sonotrode. Typische Sonotrodenamplituden liegen zwischen 20 und 250µm.