Die Ultraschallkavitation

 Schall und Ultraschall. Kurz und bündig.
 
Schall entsteht durch mechanische Schwingungen und benötigt einen elastischen Stoff um sich auszubreiten. Das kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
 
Der Mensch kann, je nach Alter zwischen ca. 16 und 20'000 Schwingungen pro Sekunde hören. Dieser Bereich nennt man auch Hörschall.
 
Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Gemessen wird sie in Hertz (Hz), 1 Hz = 1 Schwingung/Sekunde (1000 Hz = 1 Kilohertz, abgekürzt 1 kHz).
 
Je mehr Schwingungen der Schall hat, umso höher ist der Ton. Ab einer Frequenz von 20 kHz spricht man von Ultraschall.
 
 
 Ultraschall in Flüssigkeiten. Kleine Dampfbläschen mit grosser Wirkung.
 
Ultraschall breitet sich in Flüssigkeiten als Längswelle aus. In der Wanne bilden sich in physikalisch bedingten Abständen bänderartige Zonen. Innerhalb dieser Bereiche wechseln sich Unter- und Überdruckphasen ab. Bei 38 kHz bedeutet dies 38'000x Unter- und 38'000x Überdruck pro Sekunde.
 
Bei genügender Intensität wird während der Unterdruckphase der Siedepunkt der Flüssigkeit so weit herabgesetzt, dass sie partiell in den gasförmigen Zustand übergeht - sie verdampft.
 
Es entstehen unzählige kleinster Dampfbläschen, die in der jeweils anschliessenden Überdruckphase wieder schlagartig zusammenfallen - sie kondensieren. Bei diesem Vorgang entstehen im Ultraschalltakt energiereiche MikroschockwellenDiese üben lokale Schläge auf die Oberfläche von eingetauchten Teilen aus.
 
Dieser Effekt (in der Fachsprache Kavitation genannt) eignet sich hervorragend zum Reinigen von festen Oberflächen. Kavitation entsteht überall, wo Flüssigkeit und eine genügend hohe Ultraschall-Intensität vorhanden ist.
 
Kavitationsschleier mit vergrösserter Blase
Bei guten Sichtverhältnissen können Sie grössere Ansammlungen von Dampfbläschen als filigrane Strukturen beobachten. Unter der "stark vergrössernden Lupe" ist eine einzelne Blase sichtbar.
 
 
Und wenn Sie nichts sehen, so können Sie die Wirkung der Kavitation mit Hilfe einer Haushalt-Alufolie sichtbar machen.
 
Tauchen Sie ein Stück Alufolie während 15 Sekunden ins schallende Bad. Voraussetzung ist, dass die Flüssigkeit bereits entgast ist und nicht chemisch schädigend auf die Folie einwirkt.
 
Perforierte Alufolien 35 und 70 kHz
Hier sehen Sie die Wirkung auf die Alufolie bei unterschiedlichen Ultraschall-Frequenzen im wässerigen Medium bei 50°C.
 
 
Die "Härte" der Kavitation hängt von verschiedenen flüssigkeits- und ultraschallabhängigen Einflussgrössen ab. Ultraschalltechnisch unter anderem von der Leistung und von der Frequenz.
 
Bauteile mit unregelmässigen und/oder komplizierten Formen bieten sich für diese Methode geradezu an, denn sie sind für andere Reinigungsmethoden nur schwer bis gar nicht zugänglich.
 
Ultraschall durchdringt (je nach Werkstoff mehr oder weniger) auch dünnwandige Teile. Sofern auch dort Flüssigkeit vorhanden ist, findet da ebenfalls ein Reinigungseffekt statt.
 
Der übliche Frequenzbereich für die Reinigung beginnt ab 20 kHz. Je höher die Frequenz desto "weicher" (und leiser) wird die Kavitation. Über 130 kHz nimmt der Kavitationseffekt stark ab.
 
 
Abnützung durch Kavitation 
Beispiel einer intakten Wanne nach ca. 2'000 Stunden Betriebszeit
 
Die schallabstrahlende Fläche ist dauernd der Kavitation ausgesetzt. Nach einem Betrieb über viele Stunden (abhängig von der Intensität der Kavitation und weiteren Faktoren) zeigen sich erste Verschleissspuren.
 
Bei einer Zahnbürste sind es am Ende die zerzausten Borsten, die einen Ersatz nötig machen, bei einer Ultraschallwanne ist es die Abnützung durch die Kavitation. Die Wanne kann wieder ersetzt werden.
 
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