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Videos aus dem Bereich Kontaktmechanik und Reibung

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Videos aus dem Bereich Piezo- und Ultraschalltechnologie

Erklärung zu den Videos "Kavitation in Wasser mit Barbell Sonotrode“ und „Kavitation in Wasser mit zylindrischer Sonotrode

Kavitation ist die Entstehung von kleinen Luft- oder Gasblasen, die in Flüssigkeiten pulsieren und implodieren. Hierdurch entstehen lokal hohe Drücke und Temperaturen, die für zahlreiche chemische Prozesse aber z. B. auch in Reinigungsprozessen genutzt werden.
Wird Kavitation durch das Einleiten von Ultraschall in eine Flüssigkeit erzeugt, spricht man von akustischer Kavitation. Hierbei wird ein durch den Ultraschallschwinger erzeugter Schallwechseldruck dem statischen Druck in der Flüssigkeit überlagert. Ist der Wechseldruck groß genug, um die Flüssigkeit lokal zu zerreißen entsteht Kavitation.
In dem Video „Kavitation in Wasser mit Barbell Sonotrode“ wird mit einem Ultraschallschwinger, an den als Werkzeug zur Kavitationserzeugung eine hantelförmige Sonotrode angebracht ist, in Wasser ein sehr hoher Schallwechseldruck erzeugt. Dadurch entsteht ein starker Kavitationsstrahl, von der Stirnfläche der Sonotrode zum Boden des Behälters. In den Regionen um den Kavitationsstrahl herum bilden sich größere Blasen bzw. große Blasenbündel, die Sich durch die Flüssigkeit bewegen. Damit die Kavitationsblasen gut zu erkennen sind, ist der Wasserbehälter von unten beleuchtet.

In dem Video „Kavitation in Wasser mit zylindrischer Sonotrode“ wird mit einem Ultraschallschwinger, an den als Werkzeug zur Kavitationserzeugung eine zylindrische Sonotrode angebracht ist, in Wasser ein hoher Schallwechseldruck erzeugt. Hierdurch entstehen zwei Hauptkavitationszonen. Ein Kavitationsfeld bildet sich direkt an der Stirnfläche der Sonotrode. Das zweite Kavitationsfeld entsteht in der Nähe des Behälterbodens. Von der Bodennahen Kavitationszone bilden sich blitzartige Verästelungen in Richtung des Behälterbodens und des Kavitationsfelds an der Sonotrodenspitze.
Damit die Kavitationsblasen gut zu erkennen sind, ist der Wasserbehälter von unten beleuchtet.

Kavitation in Wasser mit BarbellSonotrode

Kavitation in Wasser mit zylindrischer Sonotrode

Erklärung zu den Videos „Stehwellenlevitation Tropfeninjektion“ und „Stehwellenlevitation Tropfenmanipulation“

Platziert man eine Schallquelle in einem bestimmten Abstand parallel zu einem Reflektor, kann eine stehende Welle entstehen. Das bedeutet, dass die Positionen der Maxima und Minima und auch der Nulldurchgänge im Schallfeld ortsfest sind. Dieses Phänomen lässt sich auch durch Ultraschall erzeugen. Hierbei dient die Stirnfläche eines Ultraschallwandlers als Schallabstahlende Fläche. Wird diese in einem bestimmten Abstand parallel zu einer reflektierenden Oberfläche platziert, entsteht eine stehende Welle. Bei einer Stehwelle in Luft kann der Versuch unternommen werden kleine Teile im Schallfeld schweben zu lassen. Versuche hierzu wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera dokumentiert.

In dem Video „Stehwellenlevitation Tropfeninjektion“ ist zu sehen, wie Wasser mit einer Kanüle in ein Stehwellenfeld injiziert wird. Hierbei werden die Wassertropfen durch den hohen Druck im Schallfeld teilweise zerstäubt. Die hierbei entstehenden feinen Wassertröpfchen machen das Schallfeld sichtbar. Auch ist zu erkennen, wie sich Wassertropfen im Schallfeld bewegen bevor sie das Schallfeld verlassen und zu Boden fallen. Diese Aufnahmen entstanden bei dem Versuch einen Wassertropfen in das Schallfeld zu injizieren um ihn mit Hilfe von akustischer Anregung zu manipulieren.

Gelingt es Wassertropfen im Schallfeld zu positionieren, ist es nicht nur möglich die Tropfen im schwebenden Zustand zu halten, die Tropfen können darüber hinaus zu Schwingungen angeregt werden. Dies ist im Video „Stehwellenlevitation Tropfenmanipulation“ zu sehen. Durch Überlagerung des hochfrequenten Ultraschallfeldes mit einer niederfrequenten Schwingung führen die Tropfen unterschiedliche Bewegungen aus. Die stärksten Verformungen können erzielt werden, wenn die Anregung bei einer der so genannten Eigenfrequenzen stattfindet. Bei solchen Frequenzen lassen sich die Tropfen besonders leicht zu charakteristischen Schwingungsformen anregen.

Stehwellenlevitation Tropfeninjektion

Stehwellenlevitation Tropfenmanipulation