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.