Was ist Ultraschall ?
Der Ultraschall ist eine Schwingungserscheinung der so genannten Längswellen oder Longitudinalwellen. Er ist im Prinzip mit einem hörbaren Ton vergleichbar. Bis zu etwa 200kHz kann sich der Ultraschall auch wie ein Ton in der Luft ausbreiten. Bei noch höheren Frequenzen nimmt die Reichweite aber stark ab. Bei 1MHz ist eine Übertragung durch Luft schon fast unmöglich. Feste oder Flüssige Stoffe können jedoch auch noch diese Frequenzen weiterleiten. Der Ultraschall benötigt also immer ein Medium, in dem er sich fortpflanzen kann. Das macht ihn aber auch sehr effektiv. Denn die sehr schnell schwingenden Teilchen eines Medium enthalten bei höheren Frequenzen schon sehr große Mengen an mechanische Energie. Je höher die Frequenz ist, umso höher ist also die Energiedichte in einem vergleichbaren Volumen eines Stoffes. Deshalb ist es schon aus prinzipiellen Gründen nicht möglich so hohe Energiedichten im hörbaren Bereich zu erzeugen. Solche hohen Energiekonzentrationen haben verschiedenste Auswirkungen auf Stoffe.
Wird im Wasser, wie hier, eine Leitung von 10W/cm² bei 1MHz abgestrahlt, so treten im Wasser sehr hohe Druckunterschiede auf. An der Stelle der größten Verdichtung entsteht ein Überdruck von 5,5 bar. Dieser wechselt aber nach zweimillionstel Sekunden in einen Unterdruck von 5,5 bar. Wenn man bedenkt, dass die Wellenlänge bei 1MHz im Wasser ca. 1,55mm beträgt, ergibt das einen Druckunterschied von 7,1 bar/mm. Solche extremen Wechseldruckbelastungen lassen sich nur durch Ultraschall erzeugen. Das Wasser, dass solchen Belastungen ausgesetzt ist, zerreißt in der Verdünnungsphase und bildet kleine Dampfblasen (=Kavitation), die schnell wieder zusammenbrechen und dadurch weitere Druckwellen erzeugen.
 

Aufbau
Der gesamte Ultraschallgenerator stammt aus einem Luftbefeuchter. Man kann aber auch den Ultraschallgeber und die Steuerelektronik bei Ultraschallfirmen kaufen (siehe Bezugsquellenliste).
Die günstigere Methode ist aber sicher einen Luftbefeuchter auszuschlachten. Es wurde die Steuerelektronik mit dem Ultraschallgeber ohne weitere Modifikationen übernommen. Der Luftbefeuchter konnte in der Leistung geregelt werden, was für die Versuche ebenfalls sehr vorteilhaft ist. Weiters hatte er noch eine automatische Wasserstandskontrolle, die bei zu geringem Wasserstand den Ultraschall abschaltet. Das wurde ebenfalls übernommen, da der Piezo-Geber mit dem Wasser gekühlt wird. Im Betrieb ohne Wasser könnte er deshalb zerstört werden.
Die Elektronik wird über den 40VA Netztrafo mit 37V versorgt. Diese Spannung wird gleichgerichtet und versorgt dann die Schaltung. Der HF-Generator besteht im Wesentlichen aus einem Leistungstransistor 2SC4466, der einen Schwingkreis treibt, dieser besteht aus einer 30µH Drossel (auf Ferrit) und einem 1,8nF Kondensator. Der Piezo-Ultraschallgeber ist kapazitiv an diesen Schwingkreis angekoppelt und zieht dessen Frequenz auf seine Resonanzfrequenz nach, die mit 1,8MHz gemessen wurde. Am Ultraschallgeber konnte ich eine HF-Spannung von ca.150V Spitze-Spitze messen.
Der relativ große Wasserbehälter des Luftbefeuchters wurde durch ein Plexiglasrohr mit 5cm Durchmesser ersetzt, um das Wasser besser beobachten zu können. Der Lüfter, der nur den Wasserdampf in dem Raum bläst, wurde entfernt.

Bei kleinerer Leistung entsteht auf der Wasseroberfläche eine Erhöhung über dem Ultraschallgeber. Die nach oben laufenden Wellenfronten nehmen die Wassermoleküle mit, wodurch eine Strömung im Wasser entsteht. Die schnellen Druckwechsel erzeugen in der Verdünnungsphase kleine Dampfblasen, die nach oben aufsteigen.
Gase aus Flüssigkeiten austreiben:
Mit dieser Anordnung kann man auch noch eine andere Eigenschaft des Ultraschalls demonstrieren. Durch die schnellen Druckwechsel ist es möglich in Flüssigkeiten gelöste Gase auszutreiben. Wird Mineralwasser in das Rohr gefüllt, so ist ohne Ultraschall zunächst ein ganz normales Perlen zu hören. Wird auch nur eine kleine Ultraschalleistung zugeführt, so nimmt das Herauslösen des Kohlendioxids stark zu, was sich durch erhöhte Perlbildung bemerkbar macht, denn in den Unterdruckbereichen löst sich das Gas viel schneller auf dem Wasser als bei Normaldruck. Im Vakuum ist somit ein ähnlicher Effekt zu beobachten.
Öl in Wasser lösen:
Der Ultraschall wird gerne zur Herstellung von hochwertigen Emulsionen verwendet. Um das zu demonstrieren, habe ich einen Tropfen Öl in das Wasser gegeben. Dieser hat sich bereits nach kurzer Beschallungszeit sehr fein zerteilt. Wie gut er sich mit dem Wasser vermischt hat, zeigt die Tatsache, dass auch nach mehrmaligem Abschöpfen des Ölfilmes sich dieser immer wieder durch aufsteigende Öltröpfchen neu bildete.
Auf diese Weise ist es möglich, fast alle schwerlöslichen Stoffe in kurzer Zeit mit dem Wasser vermischen.

Wird die Schalleistung weiter erhöht, so werden Wassertropfen aus der Oberfläche herausgerissen, die dann in der Luft zerstäubt werden. Der Schall wird auch durch die dünne Wassersäule weitergeleitet, und gelangt so an die Tropfen, die sich auf der Oberfläche bilden. Dort wird die Leistung so hoch konzentriert, dass das Wasser in Millionen feine Tröpfchen zerrissen wird.
Wie hoch die Schalleistung ist kann man leicht selbst feststellen, wenn man die Röhre schräg stellt, so dass die Wassersäule die Rohrwand berührt. An dieser Stelle wird das Plexiglas merklich wärmer, als an den übrigen Stellen, obwohl es vom Wasser gekühlt wird. Das Plexiglas kann durch seine leicht elastischen Eigenschaften viel Ultraschallenergie in Wärme umwandeln. Das wird in Ultraschallschweißgeräten ausgenutzt. Diese erzeugen aber schon höhere Leistungen im kW Bereich.

Das Video zeigt die Bildung der Wassersäule und die anschließende Zerstäubung des Wassers. Dazu wurde die Leistung langsam erhöht, bis die Zerstäubung eintrat. Bei kleiner Leistung werden zuerst immer nur kurze Fontänen hoch geschleudert, die aber kaum Nebel produzieren. In den Einzelbildern ist zu erkennen, dass immer dann viel Nebel erzeugt wird, wenn die Wassersäule sehr dünn wird. Dann schießen aus der Spitze Wasser und Nebeltröpfchen heraus. Bei maximaler Leistung ist bereits nach kurzer Zeit die Röhre voller Nebel und man kann nicht mehr viel erkennen, außer das das Wasser in Bewegung ist. Das Wasser scheint dann zu kochen, obwohl es nur Zimmertemperatur hat.

Die doch recht beachtliche Fontäne zeigt, dass hier große Wassermengen transportiert werden. Daraus lässt sich schließen, dass der Ultraschallgeber als eine Art Membranpumpe fungieren muss. Tatsächlich ist es auch so, das Wasser seitlich zum Geber zufließt und dann senkrecht nach oben abgestoßen wird. Dadurch kommt es in dem Gefäß zu einer Strömung im Wasser. Diese kann man mit Tinte gut sichtbar machen. Der Tropfen wurde am Rand eingebracht, wo er langsam in die Tiefe gezogen wurde und dabei die Spur auf der linken Seite hinterlassen hat. Erst wenn er in dem Bereich über dem Ultraschallgeber kommt, wird er schnell nach oben befördert, was die Spur in der Mitte zeigt.

Im Luftbefeuchter wird dieser Wassernebel mit einem Lüfter abgesaugt, und dann mit der Umgebungsluft vermischt. Dadurch können die Wassertröpfchen dann sehr leicht verdampfen, da sie eine sehr große Kontaktfläche zur Luft haben. Denn je kleiner ein Tropfen ist, umso größer wird die Oberfläche in Bezug auf sein Volumen.
Durch Einleiten von Luft in die Glasröhre lässt sich der Nebel gut heraustreiben. Da Wasser schwerer als Luft ist, sinkt der Nebel, im Gegensatz zu echtem Wasserdampf, zu Boden. Das Wasser verdunstet also nicht durch den Ultraschall, sondern erst durch die große Kontaktfläche zur Luft.  Das es kein echter Wasserdampf ist, zeigt sich auch an seiner Temperatur. Er fühlt sich wegen des verdunstenden Wassers sogar kälter an als die Umgebungsluft.

Das Video zeigt den Ultraschallgenerator unter voller Leistung. Es bilden sich in der Röhre sehr viel Nebel, der aber von selbst nicht nach oben steigen kann. Erst wenn über einen Schlauch (kurz im oberen Teil zu sehen) Luft in die Röhre geblasen wird steigen Nebelschwaden aus der Röhre auf, die aber sofort wieder zu Boden sinken.

Um zu zeigen, dass sich der Ultraschall zumindest über kurze Strecken auch in Gasen ausbreiten kann, wurden einige Trockeneiskörner in das Wasser gestreut. Der entstehende Nebel wird durch den Ultraschall zu einer Rauchsäule von einigen cm Höhe aufgetürmt, was wieder die Strömung von der Mitte nach oben und am Rand nach unten zeigt. Die Leistung ist dabei fast auf Minimum geregelt, um keinen Wassernebel zu erzeugen.
Wenn man kein Trockeneis zur Verfügung hat, kann man auch versuchen zuerst ein wenig Wassernebel durch höhere Leistung zu erzeugen. Wenn dieser dann nach Abschalten des Ultraschalls auf die Wasseroberfläche abgesunken ist, kann man mit kleinerer Leistung wieder einschalten. Dadurch entsteht ebenfalls einer Erhöhung in dem Wassernebel. Sie sieht aber anders aus, als die mit dem Trockeneis erzeugte.

Vorschläge für weitere Versuche:
Es müsste möglich sein, mit so hohen Schalleistungen die Photolumineszenz des Wassers im Ultraschallfeld nachzuweisen. Bis jetzt ist mir das aber noch nicht gelungen. Dazu muss man z.B. über eine Aquariumpumpe kleine Luftbläschen im Wasser erzeugen, die dann zu der Lichterzeugung angeregt werden.
Weiters wäre es interessant, auch mit Schallwellen in Luft zu experimentieren. Wenn diese zwischen zwei Platten reflektiert werden, so entstehen sogenannte stehende Wellen, die unterschiedlichen Druckbereichen entsprechen. Damit kann man z.B. kleine Gegenstände in der Luft zum Schweben bringen.
Der wohl interessanteste Effekt wäre die Ultraschallkühlung, die ebenfalls auf stehenden Wellen basiert, wodurch das Unterdruck- und Überdruckmaximum jeweils auf der kalten bzw. warmen Seite festgehalten wird. Das ist neben dem Wirbelrohr ein weiterer Effekt, der auf einfache Weise eine Kopplung zum thermischen Feld herstellt und könnte vielleicht auch für die selbstlaufende Wärmepumpe interessant sein.

Wir nehmen Töne und Geräusche mit unseren Sinnesorganen wahr. Das gehört zu unserem Alltagsleben. Das die Teilchenschwingungen aber eine eigene Energieform bilden, wird erst bei hoch konzentrierten Leistungen erkennbar. Wenn wir noch höhere Frequenzen wahrnehmen könnten, würden uns auch die enormen Energiemengen bei hohen Frequenzen besser bewusst. 

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