DE1497779A1 - Method and device for generating sound or ultrasonic waves on surfaces - Google Patents

Method and device for generating sound or ultrasonic waves on surfaces

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Description

U97779U97779

PATENTANWALT DIPL.-ING. HARRY ROEVERPATENT Attorney DIPL.-ING. HARRY ROEVER

68 MANNHEIM-FEUDENHEIM · AM BOGEN 23 · POSTFACH 12468 MANNHEIM-FEUDENHEIM AM BOGEN 23 POSTBOX 124

2. Anril 1969 R/C2nd April 1969 R / C

Hellmut Schneider,
Mainz / Rhein, Jacob-Steffan-Str. 14Hellmut Schneider,
Mainz / Rhine, Jacob-Steffan-Str. 14th

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Schall- oder Ultraschallwellen an OberflächenMethod and device for generating sound or ultrasonic waves on surfaces

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Schalloder Ultraschallwellen an Oberflächen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for generating sound or ultrasonic waves on surfaces, as well as a device to carry out this procedure.

Die Erzeugung von Schall- oder Ultraschallwellen auf Oberflächen von einer entfernten Stelle aus ist auf einer sehr grossen Anzahl von Anwendungsgebieten wünschenswert, beispielsweise für die Reiniguncr dieser Oberflächen. Die Reinigung der Oberflächen von Festkörpern geschieht bis heute mittels chemischer Substanzen, die jedoch in den meisten Fällen der Hinzunahme mechanischer Kräfte bedürfen. So müssen waschaktive Stoffe zur vollen Entfaltung ihrer Wirkung entweder in heiPen Wasserlaugen verwandtThe generation of sound or ultrasonic waves on surfaces from a remote location is desirable in a very large number of applications, such as cleaning these surfaces. The cleaning of the surfaces of solids is still done today by means of chemical substances, which, however, in most cases require the addition of mechanical forces. So detergent substances have to be able to develop fully their effect is related to either hot water

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«J Οβ2! 79 It 24 · BANK: DEUTSCHE SANK KÖLN Τ2β 821 8 · POSTSCHECK: KÖLN 497 29«Y β2! 79 It 24 BANK: DEUTSCHE SANK KÖLN Τ2β 821 8 POSTSCHECK: COLOGNE 497 29

und/oder kräftig beweat werden. Das Gleiche gilt für Lösunqsmittel aller Art, soweit sie nicht in der Lane sind, die Verunreinigungen in eine echte Lösung zu überführen. Die hierzu notwendigen Hilfsmittel sind umfangreich und aufwendia und erfüllen trotzdem nurjteilweise ihren Zweck. Insbesondere da, v/o die Verwendung von Wärfftneenernie (= mechanische Energie im Sinne der Mplekularbeweminer) und/oder Beweaunrrsenergie crar nicht oder nur mangelhaft anaewandt werden können, beisOielsweise auf größeren Geaenständen, wie Gebäuden, Automobilen, Schiffen, Straßen u.dal, wird die Reiniauna sehr aufwendia, z.T. soaar undurchführbar. Auch bei Objekten, die durch ihre Größenordnung und komplexe Form äußerst schwer zurränoige Oberflächen aufweisen, muß bisher au^ wirksame Reiniorungshilfen verzichtet werden, und mit einfachem Flüssigkeitsstrahl aearbeitet v/erden. Der Flüssigkeitsstrahl, auf den hier besonders eincegangen v/erden soll, bietet in sich schon eine Fülle von Vorteilen, die jedoch durch bisher unüberwundene Nachteile in ihrer Summe so abqeschwächt v/erden, daß nur in den seitesten Fällen mit einem Flüssigkeitsstrahl ein wirklich befriediaendes Endergebnis erzielt wird.and / or be heavily beaten. The same applies to solvents of all kinds, as far as they are not in lane, the impurities into a real solution. The tools required for this are extensive and expensive and fulfill nevertheless only partially their purpose. Especially since, v / o the use of Wärfftneenernie (= mechanical energy in the sense the Mplekularbeweminer) and / or Beweaunrsenergie crar or can only be applied inadequately, for example to larger objects such as buildings, automobiles, ships, Streets u.dal, the Reiniauna is very expensive, partly soaar impracticable. Even with objects that are due to their size and complex shapes have extremely difficult to access surfaces, hitherto effective cleaning aids must be dispensed with, and ground with a simple jet of liquid. The jet of liquid on which we shall particularly refer to here, offers in itself a wealth of advantages, which, however, are so weakened in their sum by disadvantages that have not yet been overcome, that only in the most extreme cases a really satisfactory end result is achieved with a jet of liquid.

Es ist beispielsweise bekannt, dal?, bei der Reinioung von Fahrzeugen ein mit großem Druck auf die verunreinigten Stellen gerichteter Flüßigkeitsstrahl wohl die qröbsten Verunreinigunaen beseitigt, jedoch die feinsten Partikel an der Oberfläche nicht zu entfernen in der Laae ist. Es bedarf einer direkten Berührung und Reibung mit Bürste, Schwamm u.dgl., um auch diesen Rest anIt is known, for example, when cleaning vehicles a jet of liquid directed with great pressure on the contaminated places probably the grossest contaminants eliminated, but the finest particles on the surface cannot be removed in the Laae. It requires direct contact and rubbing with a brush, sponge, etc., in order to also apply this remainder

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Verunreinigungen zu entfernen. Selbst bei Hitverwenduner von waschaktiven Substanzen π-elinrrt es nicht, mit dem Flüßiakeitsstrahl allein eine Lackober -Pin ehe so zu reinigen, daß sie optisch einigermassen sauber erscheint, denn die verbleibenden feinsten Partikel ercreben ein nattes, wolkiaes Aussehen der Oberfläche. Die Ilinzunahne von ^rmeenerrrie brinrrt zwar Besserung, ist jedoch unwirtschaftlich, insbesondere deswen-en, weil ein Großteil der aufgebrachten rärmeenernae außerhalb des eigentlichen Wirkunasbereiches verlorengeht.To remove impurities. Even with hit users of active washing It does not π-eliminate substances with the jet of liquid just clean a varnish pin before cleaning it in such a way that it looks reasonably good appears clean, because the remaining finest particles achieve a smooth, cloudy appearance on the surface. The ilin teeth von ^ rmeenerrrie brings improvement, but is uneconomical, especially because a large part of the angry rärmeenernae outside the actual area of action get lost.

Eg ist bereits versucht worden, dem Flüssigkeitsstrahl andere Tomen der Eneraie beizugeben, so z.B. ein Pulsieren, dessen Frequenz auch bis zun Ultraschall reichen kann. Letzteres wäre am wirkungsvollsten, wenn nicht auch hier ein Großteil der aufgewandten Energie außerhalb der ei-aentlichen Firkunaszone auf der zu reinigenden Ober-^Ir* ehe verlorenainrre. Eekannt sind beispielsweise leräte, mit denen Ultraschall innerhalb eines rlüssigkeitsbehnlters verarbeitet wird, und bekannt sind Geräte, die einem Flüssigkeitsstrahl Impulse mitteilen bis zum Preauenzbereich des Ultraschalls. Beim Flüssigkeitsbehälter aelingt es, dessen Inhalt in seinem gesamten Volumen in Schwinauncr zu versetzen, Beim Flüssiakeitsstrahl jedoch entsteht der Ultraschall in der Flüssiakeit vor Verlassen der "lünduna, also nicht im freien Strahl selbst. Zwar n-rianzen sich die Impulse innerhalb des freien Strahls fort, jedoch ist von der ursnrünrrlichen Energie am Auftreffpunkt des Strahls au* die zu reinigende Oberfläche nur noch ein Bruchteil vorhanden.Eg has already been tried, the liquid jet others To add toms to the energy, e.g. a pulsation, its frequency can also extend to ultrasound. The latter would be most effective, if not a large part of the expended here too Energy outside the common firkunas zone on the to be cleaned up. For example, they are known devices that use ultrasound inside a fluid bag is processed, and devices are known which transmit impulses to a jet of liquid up to the preauence range of the Ultrasound. In the case of the liquid container it works out its contents to be displaced in its entire volume in Schwinauncr, with the liquid jet however, the ultrasound occurs in the liquid before it leaves the "lünduna, ie not in the free jet itself. It is true that the impulses continue within the free ray, however, it is of the urinary energy at the point of impact of the Only a fraction of the jet on the surface to be cleaned available.

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BADORiGfNALBADORiGfNAL

Demgegenüber ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens bzw. eines zur Durchführung dieses Verfahrens dienenden Geräts, mittels dessen nan innerhalb eines freien Flüssigkeitsstrahls möglichst nahe im Bereich der aewünschten Wirkungszone, d.h. also der Auftreffstelle auf die Oberfläche, Energieimpulse, insbesondere Schall- oder Ultraschallimpulse, geaebenenfalls auch WSrme, erzeuat v/erden können. ,In contrast, the object of the invention is to create a method or a device serving to carry out this process, by means of which nan within a free liquid jet as close as possible in the area of the desired zone of action, i.e. the point of impact on the surface, energy impulses, in particular sound or ultrasound impulses, if applicable as well Heat, produce. ,

Diese Aufaabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß einem auf die Oberfläche gerichteten freien Flüssigkeitsstrahl vor oder in der Münduna der den Strahl erzeugenden Vorrichtung einen mit dem Flüssigkeitsstrahl im wesentlichen gleichachsiges Bündel von zueinander parallelen oder konvergierend zu einer oder mehreren Zonen erhöhter Strahlungsenergie fokussierten Laserstrahlen beigegeben xtfird, die sich in der Ilähe der Auftreffstelle des Flüssigkeitsstrahl auf die Oberfläche in Schall- bzw. Ultraschallwellen oder in Färme umsetzen. ·This object is achieved with the method according to the invention in that that a free jet of liquid directed onto the surface in front of or in the mouth of the device generating the jet with the liquid jet essentially coaxial bundles of mutually parallel or converging to one or more Zones of increased radiation energy added to focused laser beams xtfird, which is located near the point of impact of the liquid jet on the surface in sound or ultrasound waves or in heats. ·

Mit einem Oerät zur Erzeuaunrr von Laserstrahlen kann man bekanntlich eine nahezu absolut parallele Eneraiestrahlung, insbesondere kohärentes Licht erzeugen, ohne daß innerhalb des die. Strahlung erzeugenden Geräts und auf dem Wege der Strahlung außerhalb des erzeuaenden Geräts bis zum Auftreffen auf Oberflächen allzu jcrroße Enercrieverluste eintreten. Die von einem Lasergerät emittierte Strahluna durchdringt transparente Medien praktisch ohne Verluste. Im Falle eines frradlini/gen transparenten Flüssigkeitsstrahls verbleibt die in Richtung seiner Längsachse sich in ihm fortpflanzende Strah-As is well known, one can use a device for generating laser beams generate an almost absolutely parallel energy radiation, in particular coherent light, without the inside of the. radiation generating device and by way of radiation outside the generating device is too large to hit surfaces Energy losses occur. The radiation emitted by a laser device penetrates transparent media with practically no losses. In the case of a fradlinear transparent liquid jet remains the radiation propagating in it in the direction of its longitudinal axis

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luncT bis zum Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls voll erhalten. Bei leichter Krümmung des Flüssigkeitsstrahl wird die geradlinige sich fortpflanzende Laserstrahlung an den Außenflächen des Flüssigkeitsstrahls reflektiert und bealeitet den Flüssigkeitsstrahl voll in seiner Krümmung. Die Laserstrahlung kann auf Grund ihrer Kohärenz durch entsprechende Optiken besonders exakt an vorbestimmten Stellen konzentriert werden.luncT fully preserved up to the point of impact of the liquid jet. With a slight curvature of the liquid jet, the linear propagating laser radiation is on the outer surfaces of the liquid jet reflects and guides the liquid jet fully in its curvature. The laser radiation can due to its coherence can be concentrated particularly precisely at predetermined points using appropriate optics.

Die Laserstrahlung kann diskontinuierlich, also in Impulsen, emittiert werden, so daß an der Auftreffstelle des Flüssigkeitsstrahls ein eventuell zusätzlicher erwünschter Pulsiereffekt erzielt wird. Ebenso läßt sich durch eine Optik die energiereiche Strahlung an beliebiger Stelle des freien Strahls konzentrieren, so daß dort im Falle des Auftreffens der Strahlung besonders hohe Energie frei wird. Die Strahlung kann entweder auf der zu reinigenden Oberfläche selbst auftreffen, oder auf Partikelchen, die der Flüssigkeit beigegeben werden, mit dem Ziel, im Bereich der Brennpunktzone der Laserenergiestrahlung diese umzuwandeln in Wärme bzw. mechanische Energie. Es können auch Optiken verwandt werden, die mehrere, mehr oder weniger voneinander entfernte Brennzonen oder Brennpunkte innerhalb des freien Flüssigkeitsstrahls erzeugen.The laser radiation can be emitted discontinuously, i.e. in pulses so that a possibly additional desired pulsation effect is achieved at the point of impact of the liquid jet. as well the high-energy radiation can be concentrated at any point of the free beam by optics, so that there in the case of the When the radiation hits, particularly high energy is released. the Radiation can either hit the surface to be cleaned itself, or on particles that are added to the liquid, with the aim of being in the focal zone of the laser energy radiation to convert this into heat or mechanical energy. Optics can also be used that are several, more or less of each other create distant focal zones or focal points within the free liquid jet.

Die dem parallel gerichteten Laserstrahl innewohnende Energie ist ausreichend, um in einem flüssigen Medium Ultraschallwellen zu erzeugen, mit Entstehung der erwünschten Kavitation, bei der in rascher Aufeinanderfolge kleinste VakuumrMume bzw. Dampfblasen entstehen. Geschieht dies in unmittelbarer Nähe oder örtlich zusammen-The energy inherent in the parallel laser beam is sufficient to generate ultrasonic waves in a liquid medium generate, with the emergence of the desired cavitation, in which the smallest vacuum spaces or vapor bubbles arise in rapid succession. If this happens in the immediate vicinity or locally

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fallend mit den zu entfernenden VerunreinigungspartikeUien, so werden diese bis zinn letzten Teilchen von der Oberfläche abgelöst und fortaeschwemmt. Die Adhäsionskräfte, welche feinste Verunreinigung%eilchen an einer Oberfläche haften machen, genügen zwar, um den von einer v/aschaktiven Substanz erzeuaten Kräften zu widerstehen, so daß die waschaktive Substanz nicht imstande ist, zwischen Unterlage und Partikel einzudringen. Anders liegt dies bei Hinzunahme oder Alleinverwendung von Ultraschall, durch welchen sämtliche Partikel in Resonanz versetzt v/erden und sich damit relativ zur Unterlage in Bewegung setzen. Waschaktive Substanzen können dann die Partikel voll umgeben.Sie werden auch ohne Mitwirkung von waschaktiver Substanz entfernt.falling with the contaminant particles to be removed, see above these last to tin particles are detached from the surface and washed away. The adhesive forces that cause the finest impurities to form adhere to a surface, are sufficient to withstand the forces generated by a v / ash-active substance, so that the detergent substance is unable to penetrate between the base and the particle. This is different with Addition or sole use of ultrasound, through which all particles are set in resonance and thus become relative set in motion to the base. Detergent substances can then completely surround the particles, even without any involvement removed from detergent substance.

Gefahren-roomente durch unbeabsichtigtes Richten des Laserstrahls auf Lebewesen oder "über das Ziel Hinausschießen" werden weitgehendst dadurch vermieden, daß durch Eeflektion der Strahlung an der Innenwanduna des Flüssigkeitsstrahls infolge der sogenannten Totalreflektion in einiger Entfernung von der Austrittsmündung des Wasserstrahls und bei dessen Teilung die Laserstrahlung in diffuses Licht verwandelt wird. Eine Einrichtung läßt sich leicht konstruieren, bei der die Laserstrahlung erst nach Vorhandensein des Flüiiigkeitsstrahls einsetzt.Danger-roomente from unintentional aiming of the laser beam at living beings or "shooting over the target" are largely thereby avoided that by Eeflektion the radiation on the inner wall of the liquid jet as a result of the so-called Total reflection at some distance from the outlet of the water jet and when it is divided the laser radiation into diffuse light is transformed. A device can easily be constructed in which the laser radiation is only present after it is present of the liquid jet begins.

Die Gefahr, daß bei direktem Auftreffen des Laserstrahls auf eine für ihn undurchlässige Oberfläche Beschädigungen dieser Fläche eintreten, ist weitgehend dadurch beseitigt, daß einmal der Laser-The danger that when the laser beam hits a for him impermeable surface damage to this surface occurs is largely eliminated by the fact that once the laser

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strahl nicht in der Lage ist, in die Tiefe des Materials zu dringen, und z.a. ist in Falle der erfindunasgemäßen Anwendung reichlich Kühlmittel durch die Anwesenheit der Flüssigkeit da.beam is not able to penetrate into the depth of the material, and z.a. In the case of the application according to the invention, there is plenty of coolant due to the presence of the liquid.

Das erfindunrrsaenäße Verfahren kann auch zur Mitteilung von Ultras challeneraie an bewegliche oder andere Körner dienen, welche nicht oder nur unter ungünstigen Bedingungen Ultraschall mitgeteilt bekommen können. So läßt sich eine höhere Schneidgeschwindigkeit oder Bearbeitung an Drehbrnken durch Ultraschall erzielen, der evtl. mit den beschriebenen Herat unmittelbar an der Schnittoder Bearbeitunrrsstelle erzeugt wird. Der laserstrahlzuführende, Ultraschall erzeuaende ^lüssiakeits strahl kann in der Praxis in einer Fülle von Anwenduncrsqebieten seine Einführung finden, da er auf beauerae Art und Peise an beliebiger Stelle eingesetzt werden kann und nu^erst beweglich ist.The inventive method can also be used to notify Ultras challeneraie serve on movable or other grains which are not or only under unfavorable conditions communicated ultrasound can get. In this way, a higher cutting speed or machining on rotary ovens can be achieved using ultrasound, possibly with the Herat described directly on the cut or Processing point is generated. The laser beam-guiding, ultrasound-generating liquid beam can be used in practice a wide range of applications will find its introduction since it can be used at any point in a beauerae manner and price can and can only be moved.

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Claims (7)

/2- U$7779 Patentansprüche/ 2- U $ 7779 claims 1. Verfahren zur Erzeugung von Schall- bzw. Ultraschallwellen oder Ferne an Oberflächen, dadurch rrekennzeichnet, daB einem auf die Oberfläche aerichteten freien Flüssigkeitsstrahl vor- oder in der Mündunrr der den Strahl erzeugenden Vorrichtung ein mit dein Flüssiakeitsstrahl in wesentlichen gleichachsiqen Bündel von zueinander parallelen oder konvernirend zu einer oder mehreren Zonen erhöhter Gtrahlunrrseneraie fokussierten Laserstrahlen beirreaeben wird, die sich in der Nnhe der Auftreffstelle des Flüssirrkeitsstrahls auf die Oberfläche in Schallbzw. Ultraschallwellen oder in fsrne umsetzen. 1. A method for generating sound or ultrasonic waves or distant surfaces, characterized in that B in front of a free jet of liquid aerated on the surface or in the Mündunrr of the device generating the jet with a jet of liquid essentially equiaxed bundles of parallel to each other or converging to one or more zones of increased Gtrahlunrseneraie focused laser beams, which are located in the vicinity of the point of impact of the liquid beam on the surface in sound or. Ultrasound waves or convert into fore. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch nekennzeichnet, daß zur fokussieruna der Laserstrahlen eine Varioontik (Linsenanordnuncr mit veränderlicher Brennweite) verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that for focusing of the laser beams a Varioontic (lens arrangement now with variable focal length) is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch aekennzeichnet, daß dem flüssigkeitsstrahl ^artikel beirreqeben v/erden, die durch ihre Anwesenheit in der Laserenerrriestrahluna bzw. in den Zonen erhöhter Ener^iekonzentration derselben die sie treffende rtrahlunasener^ie in Schv/inaun^seneraie umwandeln, entsprechend cley Plivfnus der Strahlünaseneraiestö^e bzv/. der ir"ui"ir»keit des Erscheinens der Partikel in den Zonen erhöhter rtrahlunrrsenerrrie.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid jet ^ article beirreqeben v / ground, which by their presence in the Laserenerrriestrahluna or in the zones of increased energy concentration of the same which they hit rtrahlunasener ^ ie in Schv / inaun ^ convert seneraie, corresponding to cley Plivfnus der Strahlünaseneraiestö ^ e bzv /. the ir "ui" ir »ness of the appearance of the particles in the zones of increased radiation intensity. 909 84 0/04 82 BADORfGlNAU909 84 0/04 82 BADORfGLNAU 4. Verfahren nteh einem der Ansprüche ι bit 3, dadurch gekennnieh net, daß di« Laserstrahlung regelmäßig oäear unregelmäßig mit b«i«£nmt#ft Preouen» abgeschwächt b»w. unterbrochen wird»4. Method according to one of the claims ι bit 3, characterized in that the "laser radiation regularly or irregularly attenuated with b" i "£ nmt # ft Preouen" b "w. is interrupted » S* Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, gekennzeichnet durch eine Op ti Jc, mittels derer innerhalb des Flüssigkeitsstrahls mehrere, mehr oder weniger weit auseinander liegende Zonen höherer Energiekonzentration erzeugt werden, die sich innerhalb des Flüssigkeits strahls in beliebiger räumlicher Anordnung befinden„ S * Device for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 4, characterized by an option Jc, by means of which several more or less widely spaced zones of higher energy concentration are generated within the liquid jet, which are located within the liquid jet any spatial arrangement are " 6. Vorrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls zugeleiteten Flüssigkeit zur Kühluncr das die Laserstrahlung erzeugenden Geräts dient.6. Apparatus according to claim S, characterized in that a Part of the liquid supplied to generate the liquid jet for cooling the device generating the laser radiation serves. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Einführung von eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Energieumwandlung bewirkenden Zusätzen in den Flüssigkeitsstrahl, 7. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized by a Establishment to introduce an efficiency improvement the energy conversion effecting additives in the liquid jet, 9 0 9 8 4 0/0482 pad OFftGlNAt9 0 9 8 4 0/0482 pad OFftGlNAt
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