Messverfahren cavispector

Wie in Ultraschallreinigung beschrieben, werden Gasbläschen im Ultraschallbecken erzeugt. Bei der Implosion einer Blase entsteht ein Knall, der mit Hilfe eines Unterwassermikrofons – einem Hydrophon – in Form eines akustischen Rauschens mit breitem Frequenzband gemessen werden kann. Normalerweise implodieren viele Blasen gleichzeitig, wobei sich die Rauschanteile wie beim Klatschen beim Applaus in einer Konzerthalle überlagern. In einer Reihe von Untersuchungen, deren Ergebnisse beispielsweise in den Publikationen [1], [2] veröffentlich wurden, wurde die Korrelation zwischen dem Rauschen und der Reinigung im Becken gezeigt.

Allerdings ist das Messen des Rauschens keineswegs trivial. Aufgrund der Schwingung der Ultraschallwandler, die den Reinigungsprozess anstoßen, findet man deren Arbeitsfrequenz mit viel höherer Amplitude als die des Rauschens (Abbildung 1, (1)), wobei diese Amplitude wiederum stark von der Position des Hydrophons im Becken abhängig ist.  Diese und die folgend beschriebenen Frequenzen dürfen bei der Berechnung des Kavitationsrauschens nicht berücksichtigt werden. Des Weiteren ist die Anregung der Ultraschallwandler nicht sinusförmig, so dass auch Oberwellen (2) im Spektrum stark vertreten sind. Zudem können durch Reflektion der Schallwellen (3) an den Beckenwänden weitere Frequenzen entstehen, die durchaus höhere Amplituden als die Arbeitsfrequenz aufweisen können. Noch komplexer wird das Spektrum, wenn auch noch das Schwingen der Gasbläschen berücksichtigt wird, das im Spektrum mit der halben Arbeitsfrequenz auftritt (4). Weiterhin gibt es eine Komponente der gleichgerichteten Netzfrequenz (5). Alle diese Frequenzanteile überlagern sich unterschiedlich, je nachdem, wo gemessen wird. In Abbildung 1 ist ein typisches Frequenzspektrum dargestellt.

Abbildung 1 – typisches Frequenzspektrum

Um aus diesem komplexen Frequenzspektrum die Frequenzen herauszufiltern, die von den kollabierenden Bläschen stammen und damit den Reinigungseffekt repräsentieren, wurde ein aufwändiges mathematisches Verfahren entwickelt. Dabei wird die Fouriertransformation sowie eine Reihe von statistischen Funktionen verwendet. In der Abbildung 1 des Spektrums ist der Bereich dargestellt, der für die weitere Berechnung herangezogen (6)  wird. Als Ergebnis wird der Kavitationsrauschpegel Lcn ermittelt. Dieser Wert ist das Ergebnis der Messung. Er ist quantifizierbar, reproduzierbar und dokumentierbar. Er sollte bei einem intakten Ultraschallreinigungsgerät mit Vollwellengleichrichtung (Doppelhalbwelle) frequenzabhängig mehr als 171 – 173 dB (25 – 45 kHz) betragen, bei einfachen oder älteren Geräten mit Halbwellengleichrichtung liegen die Werte 3 dB niedriger. Das Messverfahren von cavispector ist in [3] beschrieben.

Da für die Akzeptanz eines neuen Messverfahrens ein globaler Konsens notwendig ist, wurde ein mehrjähriges internationales Normierungsprojekt durchgeführt, bei dem letztlich Arbeitsgruppen aus 13 bedeutenden Staaten  einstimmig für den neuen Standard votierten. Die technische Spezifikation wurde Anfang 2019 als IEC TS 63001 veröffentlicht (IEC = International Electrotechnical Commission) [4] und enthält in Annex B die genaue Beschreibung des mathematischen Verfahrens. Der Verfasser dieser Zeilen war dabei der Leiter des Projekts.

cavispector wurde exakt nach dieser Spezifikation entwickelt. Darüber  hinaus kann bei cavispector eine Messung der Badtemperatur integriert werden. Damit kann die Heizungsregelung des Geräts überprüft und die Badtemperatur parallel zur Bestimmung der Lcn gemessen und anschließend dokumentiert werden.

[1] R. Sobotta, C. Jung: „Ein Messverfahren zur Bestimmung des Kavitationsrauschens“, Fortschritte der Akustik, DAGA 2011, pp. 921-922

[2] A. Zwahlen, M. de Wild, C. Jung: „Comparison of Methods for Testing Ultrasound in the Cleaning Bath“, Fortschritte der Akustik, DAGA 2014, pp. 716-717

[3] M. Köchel, A. Richter, R. Sobotta, „Digital signal processing for measuring cavitation noise level“, Fortschritte der Akustik, DAGA 2017, pp. 1026 – 28

[4] IEC TS 63001:2019, Measurement of cavitation noise in ultrasonic baths and ultrasonic reactors

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