Ultraljudsgivare
Genom att tillföra högenergetiska ljudvågor i vätskemediet kan den mekaniska effekten ökas avsevärt. En högtalare är en en elektro-akustisk givare som är kapabel att omforma elektrisk energi till akustisk energi i ett elastiskt medium, exempelvis luft. Liknande elektro-akustiska givare (ultraljud) används för att generera högenergetiska ljudvågor i vätskor, med frekvenser överstigande människans övre hörselgräns.
För att förstå hur en ljudvåg kan skapa en rengöringsaktion i en tank, kan vi använda följande bild som visar en behållare, med metalliska väggar, som innehåller en vätska och som har en elektromekanisk givare i botten som är i stånd att generera en specifik akustisk frekvens.
Ultraljudsgivare
Ljudvågen fortplantar sig i vätskan med en hastighet av omkring 1500 meter per sekund (vatten).
Detta fenomen understöds av vibrationer från vätskemolekylerna och de därvid uppstående tryckvariationer i hela vätskan.
I en bestämd punkt i vätskan kan vi observera tryckvariatoner som motsvarar ljudfrekvensen.
Genomsnittstrycket motsvaras av atmosfärstrycket plus bidraget från vätskepelaren, medan det momentana trycket oscillerar melllan ett högsta och lägsta värde.
Vi drar oss till minne att aggregationstillståndet hos mediet är beroende av tryck och temperatur. Vatten kokar exempelvis vid 100 °C om trycket är en Bar. Vatten kan även koka (och bilda ånga) vid lägre temperaturer om trycket är tillräckligt lågt.
Om ljudvågens intensitet är tillräcklig, kommer en ångblåsa att skapas vid det kritiska trycket som växer och lagrar potentiell energi som funktion av tiden Tb.
Mot slutet av denna infinitesimala tid, när trycket återigen stiger, kommer blåsan att implodera i en ytterst liten punkt och återställa den lagrade energin.
Detta plötsliga fenomen ger upphov till lokalt mycket extrema fysikaliska förhållanden, och skapar därigenom den eftersträvade mekaniska effekten.
Som en liknelse kan vi använda en hammare som, vid tillslaget, omedelbart avlämnar all sin energi till en mycket liten punkt.
Vilken frekvens skall väljas för ljudvågen?
Baserat på vad vi har sett ovan kan vi sluta oss till att den plötsliga energifrigörelsen som uppstår när en blåsa imploderar, kavitationsfenometet, bestäms av ljudvågens intensitet och tiden Tb. Tb minskar när frekvensen ökar och viceversa.
För att utnyttja den frigjorda energin från varje blåsa maximalt, väljer vi lägsta möjliga frekvens: den undre gränsen utgörs av männsikans övre hörseltröskel, omkring 16 kHz.
För vissa applikationer, exempelvis rengöring av verktyg, är det fördelaktigare att arbeta vid en frekvens omkring 19 kHz.
Elementen som används för att skapa ljudvågor har normalt formen av en skiva några millimeter i tjocklek ett fåtal centimeter i diameter. För blockeringsskruven finns ett centralt hål i skivan.
Varje piezoelektrisk givare består av flera delar enligt följande skiss:
En sådan givare monteras ihop med två keramiska skivor omgivna av två ytterdelar, en i aluminium och en i stål. Blocket spänns ihop med blockeringsskruven. Blocket är beräknat så att det utgör en metallisk struktur med en egensvängning som motsvaras av ljudvågornas önskade frekvens.
Man får på detta vis ett resonant system som har förmågan att förstärka formförändringen hos de piezoelektriska skivorna när de utsätts för ett alternerande elektriskt fält. Detta fält har normalt flera hundra volts spänning och en frekvens som motsvaras av den mekaniska egensvängningen.
Varje givare är konstrurat för att kunna leverera 50 W ultraljudsenergi. För att framställa ett mebran med 600 W effekt som den som visas nedan åtgår 12 parallellkopplade block.
Varför behövs två piezoelektriska keramikskivor?
Skruven som spänner ihop blocket är metallisk och skulle skapa en kortslutning mellan de båda sidorna på keramikskivan.
Genom att använda två skivor och placera dem med samma polaritet mot varandra löser vi problemet.
Varför stål i änden som är längst ifrån tankväggen och aluminium närmast väggen?
Vi önskar så stor överföring av energi till tanken som möjligt och så lite som möjligt till omgivande luft.
Aluminium harmonierar den akustiska impedansen mellan keramikplattor och vätska på ett optimalt sätt.
Å andra sidan ger stålet en maximal reflektion mot luften.
Hur uppstår polarisationen i de piezoelektrsika keramikplattorna?
Tillverkningen av keramiken inbegriper ett noggrant avvägt recept där samtliga komponenter blandas i väl avvägda proportioner.
Man utgår från en speciell typ av sand som komprimeras i formar till ämnen. En lång exponeringstid i en högtemperatursugn får sanden att kristallisera
och plattan får sin slutliga form. Därefter vidtar en serie mekaniska bearbetningsmoment såsom slipning av de plana ytorna och metallbeläggning av dessa.
Den sista fasen består i polariseringsprocessen: en konstant elektrisk spänning på några hundra volt appliceras på elektroderna (de plana metalliserade ytorna) under det att keramikplattan är nedsänkt i diatermisk olja vid något hundratal grader.
Slutligen får keramikplattna svalna under det att spänningen bibehålls.
Keramikplattan har nu blivit polariserad.
Detta yttrar sig som det surrande ljudet som ofta hörs från stora krafttransformatorer som förser oss med elektricitet. Detta ljud skapas av att transformatorlamellerna vibrerar.
Fenomenet utnyttjas för tillverkning av ultraljudgivare.
Det bästa materialet att använda för denna applikation är nickel tack vare följande egenskaper:
En givare består av en eller flera rader av nickellameller i E form. En spole som matas med ström av rätt frekvens skapar det elektromagnetiska fältet.
Nickellamellerna är formade och placerade så att avståndet mellan dem är lika. De är även tillverkade med den rätta vikten för att åstadkomma den rätta mekaniska egensvängningen. Avståndet mellan nickellamellerna är beräknat för att skapa en apparent densitet för vilken den akustiska impedansen motsvaras ungefär av vattnets. Detta borgar för att överföringen av energi från givaren till vätskan är bästa möjliga.