Ultraschall - eine kurze Einführung

Ultraschall wird in Wissenschaft und Technik für die vielfältigsten Anwendungen eingesetzt. Im Folgenden werden kurz die physikalischen Grundlagen des Ultraschalls beschrieben. 

Bei der Einwirkung von Ultraschall ab einer Frequenz von 20 kHz und einer Schallintensität von 0,1 W/cm² auf flüssige Medien entstehen aufgrund der starken Wechselbeanspruchung kleinste Kavitationsblasen. Diese feinsten Hohlräume mit geringem Innendruck entstehen aufgrund der Trägheit des Mediums und der induzierten mechanischen Schwingungen. Durch den äußeren Druck des Mediums implodieren die instabilen Blasen nach kurzem Wachstum unter hohen Druck- und Temperaturspitzen. Dabei entstehen hohe Scherkräfte an der Grenzschicht. Dieser Effekt tritt besonders an Luftbläschen oder Schmutzpartikeln, den sogenannten Kavitationskeimen auf. Die Kavitation im Wasser löst das akustisch wahrnehmbare Rauschen von Hochleistungs-Ultraschallgeräten aus.

 

Kavitation

In Ultraschallreinigungsgeräten fördert die Kavitation die Abtragung der Schmutzpartikel vom festen Reinigungsobjekt. Weitere Anwendungen sind die Homogenisierung, bei der Emulsionen hergestellt werden sowie die Entgasung von Flüssigkeiten. Durch den sehr geringen Druck innerhalb der Kavitationsblasen gehen hierbei im Medium gelöste Gase in den gasförmigen Zustand über. Beim Implodieren der Kavitationsblasen werden sie dann nur bis zum Punkt des Lösungsgleichgewichtes wieder vom Medium aufgenommen. Es kommt zum Austritt des überschüssigen Gases aus dem Medium. Der für die Beschallung von z.B. Biogassubstrat genutzte Effekt nutzt die durch die Kavitation erzeugten Scherkräfte an der Fest-Flüssig-Grenzschicht und den daraus resultierenden Angriff der Oberfläche, welcher zu einer Zerkleinerung und Desintegration von zusammenhängenden Partikeln in flüssigen Medien führt. 

Den Nachweis dieser Kavitationswirkung kann man leicht mit dem sogenannten Folientest erbringen: Eine Aluminiumfolie von 0,01 bis 0,02 mm Stärke wird auf einen Drahtrahmen gespannt, in die Flüssigkeit eingebracht und 60 Sekunden lang beschallt. Die Kavitation verursacht Perforationen der Folie, an denen man gut die Intensität und Verteilung der Kavitation erkennen kann.

Der Folientest

Einsatz der Kavitation zur Reinigung

Das Interesse an der Reinigungswirkung beruht darauf, dass Kavitation vorwiegend an Inhomogenitätsstellen auftritt, also gerade dort, wo Verunreinigungen auf Oberflächen haften. Der Schmutz selbst zieht gewissermaßen die Kavitation an, die ihn schließlich von der Oberfläche löst.
Diesen Vorgang bezeichnet man auch gern als ‚Mikro-Schrubben‘ oder ‚Elektronisches Bürsten‘. Der Ultraschall ist allerdings eine ebenso schonende wie gründliche Bürste, denn die Wirkung der Kavitation lässt - kurzfristig angewendet - auch empfindliche Oberflächen unversehrt und entfaltet sich überall da, wo Reinigungsflüssigkeit vorhanden ist. Ultraschall-Reinigung ist eine ideale Methode, um Sacklöcher, Rändel, Ritzen und alle Arten von Hohlräumen zu reinigen, die manuell schlecht zugänglich sind. Ganze Baugruppen, wie z. B. Getriebe, brauchen zur Reinigung nicht zerlegt werden, sondern können im Ganzen in ein Ultraschall-Reinigungsbad eingelegt werden.
Ebenso bietet sich die Ultraschallreinigung für sensible Teile an, z. B. elektronische Bauteile, Leiterplatten, unzugängliche elektrostatische Filterzellen, Dieselventile oder feine PKW-Einspritzdüsen. Auch in der Medizin nutzt man die schmutzablösende Wirkung der Kavitation in Krankenhäusern und Praxen zur Säuberung und Zeitverkürzung bei der Desinfektion von feinen Schneidinstrumenten, Endoskopteilen und insbesondere Mikroinstrumenten.