DE69420339T2

DE69420339T2 - Verfahren zur Behandlung einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69420339T2
Application number: DE69420339T
Authority: DE
Inventors: Ewald Benes; Wolfgang Burger; Martin Groeschl; Felix Trampler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: EP0633049B1; DE69420339D1; EP0633049A1; AT398707B; US5527460A; RU94015846A; ATA92693A

Description

Fachgebiet der Erfindung

Im allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung von Ultraschall-Resonanzfeldern in einer Flüssigkeit. Detaillierter ausgedrückt, betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Trennen von Partikeln, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die geeignet ist zu einer kontinuierlichen Trennung dispergierter Partikel mit physikalischen Eigenschaften (insbesondere Kompressibilität, Schallgeschwindigkeit, Dichte), die sich von der Flüssigkeit unterscheiden, wobei in einem mehrschichtigen, zusammengesetzten Resonanzkörpersystem, bestehend aus einem Gefäß, einem Wandler und einem Spiegel, ein Ultraschall-Resonanzfeld generiert wird. Das Gefäß enthält eine Flüssigkeit, in der die zu trennenden Partikel enthalten sind. Die Kraft akustischer Strahlen bewegt die Partikel zu den Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen der stehenden Welle. Optional werden diese von seitlichen Akustikkräften dazu gebracht, zu aggregieren und die Aggregate dazu, sich gemäß der Schwerkraft abzulagern. Zahlreiche Gebiete der modernen Technologie erfordern das Entfernen von Partikeln aus Flüssigkeiten. Solche Trennungsprozesse gestatten entweder dem Dispersionsmedium oder dem Partikelmaterial die Wiederverwertung. So entsteht beispielsweise bei vielen industriellen Prozessen Abwasser, das von Partikeln kontaminiert ist. In der Biotechnologie muß das Medium von der Biomasse getrennt werden. Die Vorrichtung steht in direktem Wettbewerb mit Zentrifugen und Filtern sowie mit herkömmlichen Sedimentierungsprozessen unter Verwendung chemischer Flockungsmittel. Die Vorrichtung kann auch zum Sterilisieren biologischer Stoffe und zur Desaktivierung von Mikroorganismen benützt werden. Auf dem Gebiet der Sonochemie kann die Erfindung zur Beschleunigung chemischer Reaktionen oder Interaktionen in der beschallten Lösung angewendet werden.

Stand der Technik

In letzter Zeit wurden große Anstrengungen zur Entwicklung akustischer Trennungs- oder Behandlungsverfahren unternommen, um herkömmliche Technologien zu ersetzen oder zu verbessern. Die Herstellung einer stehenden Welle in einer Flüssigkeit bringt die Bildung von Geschwindigkeitsknoten oder -bäuchen mit sich, zu denen zu migrieren die Partikel durch die Strahlungsenergie gezwungen werden, je nach deren Kompressibilität und Dichte. (Die Mehrzahl der festen und flüssigen Partikel bewegt sich zu den Geschwindigkeitsbäuchen). Die Knoten- und Bauchebenen stehen im rechten Winkel zu der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen, und die Knoten sind von benachbarten Knoten um eine halbe Wellenlänge der Akustikwelle in der Dispersion beabstandet. Die aggregierende Wirkung von Ultraschall in diesen Bäuchen ist aus der Literatur gut bekannt. Aus E. Skudrzyk, "Die Grundlagen der Akustik", Springer Verlag, Wien, 1954, S. 202-205, S. 807-825; L. Bergmann, "Der Ultraschall und seine Anwendungen in Wissenschaft und Technik", Verlag Hirzel, Zürich, 1954; sowie K. Asai und N. Sasaki, "Treatment of slick by means of ultrasonics", Proceedings of the 3rd International Congress on Coal Preparation, Institut National de l'Industrie Charbonniere, Brussel-Liege, 1958, geht hervor, daß die im angewendeten Schall verwendete Frequenz am besten so ausgewählt wird, daß sie sich im Bereich der sogenannten charakteristischer Frequenz f&sub0; befindet, die sich berechnen läßt aus
f&sub0; = (3η)/(2πr²) = 0,48η/r², (I)
wobei η die kinematische Viskosität und r den Radius des Partikels darstellt. Bei Verwendung dieses Frequenzbereichs können die Wirkungen der Strahlungskraft und der kumulativen, akustisch induzierten Bernoullikräfte in den Bauchebenen maximiert werden.
Gemäß US-Pat. Nr. 4,055,491 werden stehende Ultraschall-Wellen dazu benützt, kleine Partikel, wie etwa Blut- oder Algenzellen, in den Geschwindigkeitsbäuchen des akustischen Feldes zu flocken, so daß sie sich per Schwerkraft aus der Trägerflüssigkeit heraus niederschlagen. Doch die undefinierte Plazierung der Ultraschallquelle und die daraus folgende geringe Effizienz des stehenden Wellenfeldes infolge der undefinierten Resonanzrandbedingungen resultieren in hohen Energieverlusten aufgrund eines beträchtlichen Anteils an Wanderfeldern. Es scheint, daß der beschriebene Prozeß auf diskontinuierliche Verfahren beschränkt ist, da sich in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine laminare Strömung nicht erzielen läßt. Die in US-Patent Nr. 5,164,094 offenbarte Vorrichtung verbessert in erster Linie die Laminarität der Strömung im Vergleich zu den in US-Patent Nr. 4,055,491 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Allerdings geht nach wie vor ein beträchtlicher Anteil der Energie verloren, da die Frequenzen des Schallfelds, das auf die die Dispersion beinhaltenden Gefäße aufgebracht wird, nicht durch gut definierte Resonanzrandbedingungen kontrolliert werden.
Ein Ausführungsbeispiel zum Trennen von Partikeln mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften wird beschrieben in US-Pat. Nr. 4,523,682. Ein Niedrigresonanztyp eines Gefäßes mit einer Dispersion wird mit einem relativ kleinen Wandler erregt, der an einer Seite des Gefäßes angebracht ist. Daraus ergeben sich Knoten- und Bauchebenen im senkrechten Verhältnis zu der Schnittstelle Wandler/Gefäß. Senkrechte Schwingungsmoden, die von der akustischen Punktquelle erzeugt wurden, bedeuten, daß das System nicht als eindimensionaler Resonanzkörper beschrieben werden kann. Der Anteil gedämpfter Wanderfelder in der Längsrichtung ist hoch im Vergleich zu der akkumulierten akustischen Energie im querverlaufenden stehenden Wellenfeld. Akustische Dämpfung ergibt eine Temperaturerhöhung in der Dispersion entlang der Strömungsrichtung. Temperaturänderungen wirken sich auf die Schallgeschwindigkeit und auf die Resonanzfrequenz aus und verursachen eine inhomogene Temperaturverteilung entlang der Strömungsrichtung, wodurch die Resonanzqualität des Feldes vermindert wird. Infolge dessen ist die zum Erreichen der gewünschten Trennung erforderliche Behandlungsperiode verlängert.
Wegen der langen akustischen Behandlungsperioden, die erforderlich sind, um die Aggregation und Sedimentierung der in den Schwingungsbauchebenen gefangenen Partikel zu erreichen, wurden Versuche unternommen, die Bäuche einer stehenden Welle im Verhältnis zu der Dispersion zu bewegen, um die gewünschte Trennungswirkung direkt zu erzielen, alleine durch die Nutzung akustischer Kräfte. US-Pat. Nr. 4,673,512 präsentiert ein Interferenz-Feld einer stehenden Welle, das von gegenüberliegenden Wandlern geschaffen wird, die mit der gleichen Frequenz erregt werden. Durch Kontrolle der Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Erregersignalen der beiden akustischen Quellen ist es möglich, in den Schwingungsbäuchen oder Knoten des wandernden Interferenzmusters in der Dispersion gefangene Partikel zu bewegen. Mit dieser Methode lassen sich relativ kurze Behandlungszeiträume erzielen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist sein nichtresonanter Charakter. Im Vergleich zu einem resonanten stehenden Wellenfeld derselben Amplitude wird wesentlich mehr Energie aufgewendet, um ein Interferenz-Feld einer stehenden Welle zu erhalten. Das Ergebnis ist hoher Stromverbrauch zur Produktion einer gegebenen Teilchenschnellenamplitude. Das gleiche Problem ist in US-Pat. Nr. 4,759,775 zu beachten, bei dem nur das Verfahren zur Herstellung des wandernden Interferenzmusters unterschiedlich ist.
US-Pat. Nr. 4,877,516 präsentiert das Prinzip einer kontrollierten Bewegung lokaler Gradienten der akustischen Amplitude des Stehfelds senkrecht zu der Richtung der Schallausbreitung. Partikel werden innerhalb der Schwingungsbäuche oder Knoten des Feldes durch die Bernoullikraft bewegt, die in direktem Verhältnis zu den beschriebenen Gradienten steht und parallel zu den Schwingungsbauchebenen wirksam wird. Der Nachteil des Ausführungsbeispiels ist die Notwendigkeit der mechanischen Feldbewegung zur Erzeugung akustischer Schatten, um die gewünschte Bewegung lokaler Gradienten der stehenden Welle zu erreichen.
Die schrittweise Bewegung der Schwingungsbäuche einer resonanten stehenden Welle durch Erregung aufeinanderfolgender Resonanzformen des Resonanzkörpersystems wird beschrieben in WO-A-90/05008. Obwohl die Resonanzrandbedingungen in einigen der beschriebenen Ausführungsbeispiele erfüllt sind, ist nach wie vor eine beträchtliche akustisch induzierte Dissipation aufgrund der verwendeten Resonanzkörperfrequenzen vorhanden, die in der Vergangenheit immer sehr nahe an einer Eigenfrequenz des Wandlers gewählt wurden.

Definitionen

Um jegliche Mißverständnisse beim Vergleich des Standes der Technik mit dem Zweck der Erfindung zu vermeiden, kommen in der gesamten Beschreibung folgende Definitionen zur Anwendung.
Akustische Teilchen sind einfach die Volumenelemente der akustischen Kontinuumtheorie und dürfen nicht mit den dispergierten Partikeln in der Dispersion verwechselt werden. Die Teilchenschnelle ist die Zeitableitung der periodischen Ortsveränderung akustischer Teilchen, verursacht durch die betrachtete Schallwelle.
Eindimensionale Behandlung zusammengesetzter Resonanzkörper bedeutet, daß ein Annäherungsmodell angewendet wird, bei dem alle Quantitäten als ausschließlich abhängig von nur einer Richtung betrachtet werden (vgl. z. B.: H. Nowotny, E. Benes und M. Schmid, J. Acoust. Soc. Am. 90 (3), September 1991). Diese Richtung fällt in der gesamten vorliegenden Beschreibung mit der Längsrichtung zusammen.
Der Ausdruck Schicht wird in sehr allgemeiner Bedeutung verwendet. Auch die Flüssigkeit wird als Schicht betrachtet, weil nur eine Dimension des Flüssigkeitsvolumens für zusammengesetzte Resonanzkörper gemäß der Erfindung essentiell ist. Diese essentielle resonanzfrequenzbestimmende Dimension ist normalerweise, aber nicht unbedingt, die Dickendimension der Schicht. Die x-Achse der verwendeten Koordinaten wird immer in der Richtung dieser essentiellen Schichtendimension gewählt. Da die y- und die z-Dimensionen der Schichten keine Relevanz haben (eindimensionale Behandlung), wird einfach der Ausdruck Schichtdimension für die essentielle, resonanzfrequenzbestimmende Dimension des betrachteten Resonanzkörperteils verwendet.
Aktive Schichten bestehen aus piezoelektrischem Material, passive Schichten aus nicht-piezoelektrischem Material.
Wandler bezeichnet im einfachsten Fall eine einfache Schicht eines piezoelektrischen Materials. Es ist aus vielen Gründen vorteilhaft, mehrere piezoelektrische Platten mit einer oder auf beiden Seiten mit passiven, elektrisch isolierenden Trägerschichten zu verbinden. Gemäß der Erfindung können zusätzliche Transformations(teil)schichten verwendet werden. Die Wandlerschicht selbst besteht im allgemeinsten Fall aus einer Anzahl fester Schichten, wobei die piezoelektrische Schicht enthalten ist und die äußersten Schichten in Kontakt mit der Umgebungsluft bzw. der / den flüssigen Schicht(en) sind.
Phasenverschiebung φ ist die räumliche Phasenverschiebung der Teilchenschnelle V:
φ = 2π · fe x/v (II)
wobei fe ist gleich die elektrische Steuerfrequenz, x ist gleich die resonanzbestimmende Dimension der betrachteten Schicht und v ist die Schall(phasen)geschwindigkeit der betrachteten Schicht. Die gesamte Phasenverschiebung einer Mehrfachschicht ist die Summe der Phasenverschiebungen jeder einzelnen Schicht und der zusätzlichen Phasensprünge an den Schnittstellenebenen zwischen angrenzenden Schichten mit unterschiedlichen spezifischen akustischen Impedanzen.
Harmonische Eigenfrequenzen einer einfachen Schicht. Die harmonischen Resonanzfrequenzen oder harmonischen Eigenfrequenzen fi einer Schicht sind definiert durch
fi = i(c/ρ)1/2/(2 · x) (III)
wobei i ist gleich die Anzahl der betrachteten harmonischen Frequenzen, x ist gleich die resonanzbestimmende Dimension, c die effektive elastische Konstante und ρ ist gleich die Massendichte der Schicht.
Wenn die Schicht aus einem elektrodierten piezoelektrischen Material besteht, ist die effektive elastische Konstante c in der Gleichung (III) abhängig von der elektrischen Last zwischen den Elektroden. Für die Grenzfälle kurzgeschlossener Elektroden und solcher in offener Schleife werden die sogenannten seriellen bzw. parallelen Eigenfrequenzen festgestellt. Nur eine ungerade Teilgruppe der Eigenfrequenzen fi kann elektrisch erregt werden.
Die Halbwertsbandbreite einer Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz ist ein Frequenzbereich, der bestimmt ist durch eine geringere Frequenz und eine höhere Frequenz, in dem der elektrische aktive Energieverbrauch der betrachteten Schicht (bzw. der mehrschichtigen Struktur) den halben Wert des aktiven Energieverbrauchs der betrachteten Eigen- oder Resonanzfrequenz ausmacht.
Quasiharmonische Eigenfrequenzen einer Mehrfachschicht (z. B. eines mehrschichtigen Wandlers). Während die Oberschwingungsfrequenzen einer einfachen, homogenen Schicht ganzzahlige Vielfache der zugrundeliegenden Eigenfrequenz sind, sind die Oberschwingungsfrequenzen eines zusammengesetzten Resonanzkörpers im allgemeinen nicht so trivial beabstandet. Aus diesem Grund werden die Eigenfrequenzen eines eindimensionalen, zusammengesetzten Resonanzkörpers manchmal als "quasiharmonische Resonanzfrequenzen" bezeichnet (vgl. z. B.: E. Benes, J. Appl. Phys., Vol. 56, No. 3, 1. August 1984). Allerdings können im Falle einer Schicht mit dominierender Dimension (Dispersionsschicht) in einer ersten Annäherung auch die zusammengesetzten Frequenzen mit hohen Oberschwingungen als äquidistant betrachtet werden. Da ein Wandler gemäß der Erfindung in der Regel aus mehr als einer einzigen Schicht besteht, ist dieser selbst ein mehrschichtiger Resonanzkörper. Für einen solchen Resonanzkörper können die Eigenfrequenzen definiert werden als die Frequenzen, für die die Phasenverschiebung φT der Teilchenschnellenamplitude entlang der Dimension xT des Wandlers zwischen den äußersten Ebenen ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen n der Zahl π. Nicht alle dieser mechanisch möglichen Resonanzfrequenzen sind piezoelektrisch erregbar. Die Erregbarkeit ist einzig abhängig von der Verschiebungskurve entlang der aktiven Schicht. Ist diese Kurve symmetrisch, ist der Wandler bei der entsprechenden Frequenz nicht erregbar. Diese Definition der elektrisch erregbaren Eigenfrequenzen eines mehrschichtigen Wandlers entspricht den meßbaren Resonanzfrequenzen, wenn der Wandler von einem Vakuum (oder Luft) umgeben ist und die Frequenz des antreibenden Stromgenerators auf die relativen Maxima der vom Resonanzkörper verbrauchten elektrisch aktiven Energie eingestellt ist. Wenn die Spannungsamplitude Ue des Antriebsgenerators konstant gehalten wird (sehr niedrige elektrische Quellenimpedanz), wird die sogenannte serielle Resonanzfrequenz der zusammengesetzten Struktur festgelegt. Wenn die Stromamplitude Ie des Antriebsgenerators konstant gehalten wird (sehr hohe elektrische Quellenimpedanz), wird die sogenannte parallele Resonanzfrequenz der zusammengesetzten Struktur festgelegt.
Längsrichtung bezeichnet die Richtung der Schichtdimension. Die Längsrichtung fällt mit der Ausbreitungsrichtung der von der Wandlerschicht erregten Schallwelle zusammen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Resonanzformen des zusammengesetzten Resonanzkörpers in Längsrichtung erregt. Deshalb wird die Richtung der stehenden Resonanzwelle als Längsrichtung bezeichnet.
Querrichtungen sind Richtungen, die senkrecht zur Längsrichtung stehen. Diese Richtungen teilen sich auf in die Ebenen der Teilchenschnellenknoten und -bäuche.
Spezifische akustische Impedanz Z ist die akustische Impedanz pro Querschnittfläche des betrachteten Materials.

Ziele und Beschreibung der Erfindung

Gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht das mehrschichtige, zusammengesetzte Resonanzkörpersystem aus einem Ebenenwandler, einem Gefäß mit einer zu behandelnden Flüssigkeit und einem Ebenen-Akustikspiegel. Alle akustisch gekoppelten Schichten sind in Längsrichtung angeordnet, und ihre Oberflächen sind zueinander parallel. Der Wandler kann aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht bestehen, wie PZT-Keramik (Blei-Zirconat-Titanat) oder Lithium-Niobat-Monokristallen oder PVDF-Schichten, und einer festen, passiven Schicht, die als Trägerschicht für die aktive Schicht fungiert. Die Erfindung ist geeignet, Lösungen und Dispersionen zu beschallen, um physikalische Interaktionen, biologische Prozesse oder chemische Reaktionen zwischen ihren Inhalten zu beschleunigen und insbesondere um dispergierte Partikel in der Größenordnung von 10&supmin;³ bis 1 mm zu trennen. Die bevorzugten Resonanzfrequenzen gemäß den akustischen und geometrischen Eigenschaften der Partikel reichen von 0,1 bis 10 MHz.
Das Hauptziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschallresonanzfeldes in der flüssigen Schicht eines mehrschichtigen, zusammengesetzten, akustischen Resonanzkörpers, das geeignet ist, Partikel aus Flüssigkeit zu trennen und zu rezyklieren oder andere Behandlungen durchzuführen, und dies bei minimiertem Stromverbrauch und Temperaturanstieg infolge der akustisch induzierten Dissipation. Zahlreiche potentielle Anwendungen für Ultraschalltrennungsprozesse, insbesondere in der Biotechnologie, erfordern ein Trennungsverfahren, bei dem der Temperaturanstieg vernachlässigbar gering ist, um eine Beschädigung der Partikel durch Wärme zu verhindern. Außerdem sind die akkumulierte Energie des etablierten akustischen Resonanzfeldes und deshalb die akustische Behandlungszeit für den gewünschten, akustisch induzierten physikalischen oder chemischen Prozeß von einer homogenen Temperaturverteilung abhängig. Dies deshalb, weil die Wellenlänge einer akustischen Welle von der Temperatur abhängig ist. Unerwünschte räumliche Temperaturgradienten in Querrichtungen resultieren in einer inhomogenen Verteilung der gesamten Phasenverschiebung der akustischen Welle. Definierte und konstante gesamte Phasenverschiebungsverteilung in Querrichtungen des zusammengesetzten Resonanzsystems ist eine Randbedingung zur Erhaltung qualitätvoller Resonanzfelder in Längsrichtung.
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung wird die verlustkennzeichnende Figur R = We/ES = Pe · τCj/ES minimiert. Die Verlustfigur R wird hiermit definiert als Verhältnis zwischen dem aktiven elektrischen Energieverbrauch We (pro Periode τCj = 1/fCj) des zusammengesetzten Resonanzkörpersystems und der reaktiven akkumulierten akustischen Energie ES des Resonanzfelds in der Flüssigkeit; fCj ist die erregte quasiharmonische Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Resonanzkörpers. Pe beschreibt den Input aktiver (Effektivwert) elektrischer Energie,
Pe = ¹/&sub2;UeIecosφ,
wobei Ue, Ie sind die Amplituden von Steuerspannung bzw. Strom, φ ist die Phase zwischen beiden. Die akkumulierte akustische Energie ES steht in direkter Beziehung zu den akustischen Kräften, die auf die Partikel wirken, wobei der Energieverbrauch We die Dämpfung des die Wärmedissipation verursachenden akustischen Felds kompensiert. Ein kleiner Teil von We stellt auch dielektrische Verluste des Wandlers dar, die für die vorliegende Erfindung von keiner Relevanz sind und im weiteren nicht mehr erwähnt werden.
Wir sind zu der Erkenntnis gelangt, daß akustisch induzierte Wärmedissipation von Wandler und Spiegel durch Erregung einer akustischen, quasiharmonischen, zusammengesetzten Resonanzfrequenz fCj des gesamten Resonanzkörpers minimiert werden können, aber bei gleichzeitiger Fehlanpassung der Steuerfrequenz fe zu einer der elektrisch erregbaren, quasiharmonischen Eigenfrequenzen fTi des Wandlers sowie zu einer der Eigenfrequenzen fMk des Spiegels. Dies führt dazu, daß die kennzeichnende Verlustfigur R signifikant reduziert wird. Diese Fehlanpassung zwischen Steuerfrequenz und Eigenfrequenz des Wandlers ist nicht im mindesten offensichtlich, zumal der zusammengesetzte Resonanzkörper im fehlangepaßten Fall ein ziemlich schlechtes elektrisches Verhalten zeigt. So sind beispielsweise am geometrischen Ort elektrischer Leitwertkurven die zusammengesetzten Resonanzen, die von Kreisen dargestellt werden, wesentlich weniger erkennbar. Die Resonanzkreise scheinen wesentlich kleiner zu sein und sind von der echten Achse versetzt. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es im allgemeinen Fall wesentlich schwieriger, eine elektrische Steuerelektronik zur Erhaltung einer Resonanzerregung abseits einer Wandler- Eigenfrequenz zu planen. Aus diesem Grund wurde in der Vergangenheit die Erregung eines zusammengesetzten Resonanzkörpers stets in der Nähe der fundamentalen oder dritten quasiharmonischen Eigenfrequenz des Wandlers ausgeführt.
Zusammengesetzte Resonanzfrequenzen fCj resultieren aus der Randbedingung an den abschließenden, totakeflektierenden Oberflächen eines zusammengesetzten Resonanzkörpers für eine stehende Welle, wohingegen das Maximum der Teilchenschnellenamplitude mit diesen Abschlußebenen zusammenfallen muß. Deshalb muß die gesamte Phasenverschiebung φC über die gesamte Länge xC eines mehrschichtigen zusammengesetzten Resonanzsystems in länglicher Richtung, einschließlich aller Schichten ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl π sein. Fehlanpassung zwischen der elektrischen Steuerfrequenz fe und den Eigenfrequenzen fTi der Wandlerschicht kann für eine gegebene Steuerfrequenz erreicht werden entweder durch richtige Auswahl der Wandlerdicke xT und deren relativer Position im mehrschichtigen Resonanzkörper oder durch direkte Wahl der Steuerfrequenz gleich einer zusammengesetzten Resonanzfrequenz, die ausreichend abgesetzt ist von jeder erregbaren Eigenfrequenz des Wandlers. Im allgemeinsten Fall ist der Offset ausreichend, wenn die Steuerfrequenz außerhalb aller Halbwertsbandbreiten der Eigenfrequenzen fTi des Wandlers gewählt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Offset ausreichend, wenn er höher als ein bestimmter Mindest-Offset gewählt wird. Der Mindest- Offset entspricht 10% dividiert durch die quasiharmonische Zahl i der betrachteten Eigenfrequenzen fTi des Wandlers:
0 < fe < [0,9 fT1]; [1,1 fT1] < fe < [(1-0,1/2) fT2]; [(1+0,1/2) fT2] < fe < [(1-0,1/3) fT3]; [(1+0,1/3) fT3) < fe < [(1-0,1/4) fT4]; [(1+0,1/4) fT4] < fe < ... (V)
Durch Einführung dieser Fehlanpassung wird die Koinzidenz der Maxima der Teilchenschnellenamplitude mit beiden äußersten Wandlerebenen vermieden. Die kennzeichnende Verlustzahl R wird optimiert, wenn die Dicke xT und die relative Position der Wandlerschicht hinsichtlich der Steuerfrequenz fe so gewählt wird, daß eine verschwindende Teilchenschnellenamplitude V in der Schnittstellenebene zwischen Wandler und der Flüssigkeit erhalten wird. In diesem bevorzugten Fall ist die Fehlanpassung zwischen der Steuerfrequenz fe und allen erregbaren Eigenfrequenzen fTi des Wandlers maximal, und die Steuerfrequenz fe ist annähernd in der Mitte eines der in der Gleichung (V) definierten erlaubten Intervalle.
Ähnliche Regeln gelten für die Spiegelschicht. Die Dicke xM der Spiegelschicht muß richtig gewählt werden, um die Erregung ihrer Eigenfrequenzen fMi zu vermeiden. Die relative Position der Spiegelschicht ist allerdings fixiert als abschließende Reflexionsschicht des mehrschichtigen Resonanzkörpers. Allgemein kann der Spiegel auch aus mehreren Schichten bestehen.
Die Wandlerschicht kann eine Abschlußschicht des zusammengesetzten Resonanzkörpers bilden. Des weiteren kann die Wandlerschicht aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht bestehen, wie PZT (Blei-Zirconat-Titanat), Pb(Ti,Zr)O&sub3;)-Keramiken oder Lithium-Niobat-(LiNbO&sub3;)-Monokristallen oder PVDF-(Polyvinylidenfluorid)- Polymeren, und aus einer festen passiven Schicht, die als Träger der aktiven Schicht mit definierter Dicke dient, um eine niedrige akustisch induzierte Wärmedissipation zu erreichen. Beste Ergebnisse lassen sich erzielen durch die Verwendung eines Trägermaterials mit niedriger akustischer Dämpfung und mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB im Bereich der oder höher als die spezifische akustische Impedanz ZA der piezoelektrisch aktiven Schicht. Die Dicke XA der aktiven Schicht hat vorzugsweise einen Wert, der eine Phasenverschiebung φA nahe bei oder gleich einem ungeraden Vielfachen m der Zahl π verursacht. Die Dicke der passiven Schicht xB hat vorzugsweise einen Wert, der eine Phasenverschiebung φB nahe bei oder gleich einem ungeraden Vielfachen der Hälfte der Zahl π verursacht. Unter Anwendung dieser Kriterien nähert sich die Teilchenschnellenamplitude an der Grenze Wandler/Flüssigkeit dem Wert Null, und die Randbedingung zur Erregung einer Eigenfrequenz fTi des Wandlers wird optimal vermieden. Als Ergebnis hat sich herausgestellt, daß die Energiedissipation des Wandlers minimiert ist. Außerdem liegt bei dieser bevorzugten Anordnung kein Rückgang der Erregbarkeit im Vergleich zu dem Fall einer Anpassung der Steuerfrequenz und einer der Eigenfrequenzen eines Wandlers vor.
Die Wandlerschicht kann auch zwischen zwei Flüssigkeitsschichten positioniert sein. In diesem Fall hat die Dicke xA der aktiven Schicht vorzugsweise einen Wert, der eine Phasenverschiebung φA nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen m der Zahl π verursacht. Die Dicken der passiven Schichten xB, x'B (wenn vorhanden) zu jeder Seite des Wandlers haben vorzugsweise Werte, welche Phasenverschiebungen φH φ'B verursachen, die nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen n bzw. n' der Hälfte der Zahl π sind. Des weiteren müssen die Dicken der Flüssigkeitsschichten xs, x's und der Spiegelschichten xM, x'M zu beiden Seiten des Wandlers so gewählt werden, daß die Teilchenschnellenamplitude an beiden Grenzen Wandler/Flüssigkeit gegen null geht und die Randbedingung zur Erregung einer Eigenfrequenz fTi des Wandlers maximal vermieden wird. Als Ergebnis haben wir festgestellt, daß die Energiedissipation des Wandlers minimiert wird. Vorzugsweise sind die Dicken xB, x'B der passiven Schichten gleich und die Schichten aus dem selben Material gefertigt.
Ein ungerades Vielfaches q der passiven Teilschichten, die jede eine Dicke xB,k (k = 1......q) haben, die eine Phasenverschiebung φB,k wie oben für die Dicke xB einer einfachen passiven Schicht beschrieben, mit alternierend hoher (im Bereich der aktiven Schicht) und niedriger (im Bereich der Flüssigkeit) akustischer Impedanz, doch mit hohen beginnend und endend, ist nützlich für eine weitere Reduzierung der Energiedissipation, wenn diese Teilschichtengruppe zwischen der aktiven Schicht und der Flüssigkeitsschicht angeordnet wird. Alternativ können von einer Flüssigkeit mit niedriger akustischer Dämpfung auch Teilschichten geringer Impedanz gebildet werden, als Option zirkulierend, um die Temperatur zu regeln.
Da die Frequenzen fCj der Resonanzformen des zusammengesetzten Systems mit der Temperatur der Flüssigkeit und wenn anwendbar mit der Partikelkonzentration variieren, ist es wichtig, die Erregerfrequenz fe für Resonanzfrequenzabwanderungen zu kompensieren, um konstante Bedingungen gemäß dem Ziel der Erfindung zu erhalten. Dies läßt sich durch Kontrolle der Feinabstimmung der Erregerfrequenz fe durch eine automatische Frequenzregelung (AFC) erreichen, welche den aktiven Stromverbrauch Pe des zusammengesetzten Resonanzkörpers als Kriterium für Resonanz auf einem relativen Maximum hält.
Ein weiteres Verfahren zur Steuerung der Erregerfrequenz fe auf eine bevorzugte Resonanzfrequenz fCj hin ist die Bereitstellung einer zusätzlichen aktiven Schicht (z. B. PZT-Keramik, Lithium-Niobat-Monokristalle oder PVDF- Schichten) als Spiegel oder als Teil eines zusammengesetzten Spiegels und die Nutzung der Amplitude des akustisch induzierten elektrischen Signals an den Elektroden dieser aktiven Schicht als Kontrollkriterium zur Erhaltung der Erregung der gewählten zusammengesetzten Resonanzfrequenz fCj.
Ähnlich den Dicken der Schichten eines zusammengesetzten Wandlers werden die Dicken der piezoelektrisch aktiven und passiven Schichten eines zusammengesetzten Spiegels vorteilhafterweise so ausgewählt, daß die Teilchenschnellenamplitude an der Schnittstelle Spiegel/Flüssigkeit gegen Null geht und die Randbedingung zur Erregung einer Eigenfrequenz fMk des Spiegels optimal vermieden wird. Als Ergebnis haben wir festgestellt, daß die Energiedissipation des Spiegels bei einer bestimmten Teilchenschnellenamplitude in der Flüssigkeit minimiert wird.
Analog zu den Teilschichten eines Wandlers wie oben beschrieben können Teilschichten in eine zusammengesetzte Spiegelschicht eingeführt werden. Ein ungerades Vielfaches q passiver Teilschichten eines zusammengesetzten Spiegels, mit je einer Dicke XB,k (k = 1.....q), welche Phasenverschiebungen φB,k wie oben für einen Wandler beschrieben verursacht, die zwischen der aktiven Schicht des Spiegels (wenn vorhanden) und der Flüssigkeitsschicht angeordnet sind, mit alternierend hoher (im Bereich der aktiven Schicht) und niedriger (im Bereich der Flüssigkeit) akustischer Impedanz, aber beginnend und endend mit hohen, kann gemäß der Erfindung genützt werden, um die Energiedissipation weiter zu senken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt die Interpretation des zusammengesetzten Resonanzkörpers als mehrschichtige eindimensionale Struktur und die Bahn der resultierenden Teilchenschnellenamplitude dar, wenn die Schichtabmessungen gemäß der Erfindung ausgewählt sind,
Fig. 2 stellt eine Version der Fig. 1 dar, mit dem Wandler dazwischen,
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines einfachen Resonanzkörperbeispiels,
Fig. 4 stellt einen zusammengesetzten Resonanzkörper mit einer Wellenleiterschicht dar,
Fig. 5 stellt den Querschnitt eines zusammengesetzten Resonanzkörpers dar, der einen totalreflektierenden Spiegel als Resonanzkörperabschluß verwendet,
Fig. 6 ist eine bevorzugte symmetrische Version des Resonanzkörpers gemäß Fig. 5,
Fig. 7 stellt ein Beispiel einer Wandlerschicht gemäß der Erfindung dar,
Fig. 8 stellt ein bevorzugtes Frequenzintervall dar, in dem die Steuerfrequenz gewählt werden sollte.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele und zwei typische Abmessungen

Um die essentiellen Teile der Ausführungsbeispiele hervorzuheben, sind die Schichten mit Buchstaben, alle anderen Teile mit Nummern gekennzeichnet.
Der untere Teil der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der grundlegenden Teile und Abmessungen eines typischen piezoelektrischen zusammengesetzten eindimensionalen Resonanzkörpers. Die Wandlerschicht T auf der linken Seite besteht vorzugsweise aus einer aktiven piezoelektrischen Schicht A und einer passiven, elektrisch isolierenden Trägerschicht B. Die entsprechenden Schichtabmessungen sind xT, xA bzw. xB. Der Wandler ist akustisch gekoppelt mit der Flüssigkeit S. die Flüssigkeitsschichtdimension ist xS. Schließlich wird der Resonanzkörper vervollständigt durch die Spiegelschicht M mit der Dicke xM. Da der zusammengesetzte Resonanzkörper von Luft mit einer spezifischen akustischen Impedanz umgeben ist, die um einige Größenordnungen geringer ist als die akustische Impedanz jedes festen Körpers, sind die äußersten abschließenden Reflexionsebenen die Außenebenen 11, 12 der Wandlerschicht bzw. der Spiegelschicht. Die Gesamtlänge xC der zusammengesetzten Struktur ist deshalb zwischen diesen Endebenen begrenzt. Im oberen Teil von Fig. 1 ist die räumliche Bahn der Teilchenschnellenamplitude V entlang der Längsrichtung x gezeichnet. Wenn die Abmessungen, die spezifische akustische Impedanz der Schichten sowie die elektrische Steuerfrequenz fe gemäß der Erfindung ausgewählt werden, sind die maximalen Amplituden in der Flüssigkeit, wie angezeigt, wesentlich höher als die maximalen Amplituden in den anderen Schichten. Fig. 1 zeigt dieses Amplitudenverhältnis nur schematisch. Das quantitative Verhältnis der maximalen Amplitude der stehenden Resonanzwelle in der Flüssigkeit zur maximalen Amplitude im Wandler ist in der Regel höher als in Fig. 1 angezeigt.
Der untere Teil der Fig. 2 stellt auf schematische Weise die grundlegenden Teile und Abmessungen eines typischen eindimensionalen piezoelektrischen zusammengesetzten Resonanzkörpers dar, wobei der Wandler T nicht nur mit einer ersten Flüssigkeitsschicht S mit der Abmessung xS auf der rechten Seite verbunden ist, sondern auch mit einer zweiten Flüssigkeitsschicht S' mit der Abmessung x'S auf der linken Seite. Die zweite Flüssigkeitsschicht S' kann auch bloß als Kühlung dienen oder einfach eine Wellen-Leiter-Schicht sein (z. B. Wasser). Die Wandlerschicht T besteht vorzugsweise aus einer aktiven piezoelektrischen Schicht A und zwei passiven, elektrisch isolierenden Trägerschichten B und B' zu beiden Seiten der aktiven Schicht A. Die entsprechenden Schichtabmessungen sind xT, xA, xB bzw. x'B. Der Wandler ist akustisch gekoppelt an die Flüssigkeitsschichten S bzw. S'. Schließlich ist der Resonanzkörper an beiden Seiten abgeschlossen durch eine erste Spiegelschicht M mit der Dicke xM auf der rechten Seite und durch eine zweite Spiegelschicht M mit der Dicke x'M auf der linken Seite. Da der zusammengesetzte Resonanzkörper von Luft mit einer spezifischen akustischen Impedanz umgeben ist, welche einige Größenordnungen geringer als die akustischen Impedanzen jedes festen Körpers ist, sind die äußersten abschließenden Reflexionsebenen die Außenebenen 11, 12 der Spiegelschichten M bzw. M'. Die Gesamtlänge xC der zusammengesetzten Struktur ist deshalb zwischen diesen Endebenen 11, 12 begrenzt. Im oberen Teil von Fig. 2 ist die räumliche Bahn der Teilchenschnellenamplitude V entlang der Längsrichtung x gezeichnet. Wenn die Abmessungen, die spezifische akustische Impedanz der Schichten sowie die Erregerfrequenz fe gemäß der Erfindung ausgewählt werden, sind die maximalen Teilchenschnellenamplituden in den Flüssigkeitsschichten, wie angezeigt, wesentlich höher als die maximalen Amplituden in den anderen Schichten.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines einfachen Resonanzkörpers. In diesem Beispiel ist die piezoelektrische Schicht in y-Richtung durch drei piezokeramische Platten oder Scheiben A1, A2, A3 gleicher Dicke xA dargestellt, die Seite an Seite angeordnet und mit Elektroden versehen sind. Die Platten A1, A2, A3 arbeiten akustisch parallel (in erregter Phase), während sie elektrisch in Serie geschaltet sind. Die Platten A1, A2, A3 sind mit einer Trägerplatte B (z. B. Glas oder Al&sub2;O&sub3;-Keramik) mit der Dicke xB verbunden und können in guter Annäherung als eine durchgehende Schicht A mit der Dicke xA behandelt werden. Die Strömungsrichtung 6, 7 der Flüssigkeit S ist in Richtung y. Wenn die Vorrichtung zur Trennung von in einer Flüssigkeit dispergierten Partikeln verwendet wird, werden die zerstreuten Partikel durch die akustischen Strahlungskräfte in Längsrichtung gegen die Schwingungsbauchebenen der Teilchenschnellen getrieben, wo die zerstreuten Partikel agglomeriert werden. Die Agglomerationen werden von der Schwerkraft gezogen, die nach unten in Richtung z zeigt (erzwungene Ablagerung durch akustisch stimulierte Ausfällung). Die Trägerplatte B und die Spiegelplatte M dienen gleichzeitig als Wände des Flüssigkeitsgefäßes. Die Eingangs- und Ausgangsrohre 1 und 2 mit rechteckigem Querschnitt sind an der Trägerplatte B und der Spiegelplatte M mit Viton®-Gummistreifen 4 bzw. 4' abgedichtet. Der Abstand (xB + xS + xM) wird präzise durch die Distanzstangen 5 und 5' und die Flansche 3, 3' bestimmt.
Beispielsweise ist die grundlegende Dimensionierung zweier Resonanzkörper gemäß der Erfindung wie folgt:
Für die Trennung biologischer Zellen mit Durchmessern in der Größenordnung von 10 um liegt die angemessene Steuerfrequenz fe typischerweise bei etwa 2 MHz, also bedeutend höher als die in Gleichung (I) gegebene kennzeichnende Frequenz zur Vermeidung von Hohlraumbildung. Als piezokeramische Platten werden standardmäßig gewählt:

Piezoelektrisch aktive Schicht A:

Material: PZT Blei-Zirconat-Titanat, Pb(Ti, Zr)O&sub3; piezokeramische Hoechst Sonox P4
Massendichte: ρA = 7800 kg/m³
Effektive Schallgeschwindigkeit für gekürzte Elektroden: vA = 3950 m/s
Spezifische akustische Impedanz: ZA = 30,8 · 10&sup6; kg/m²s
Dicke: xA = 1 mm
Die fundamentale Serienresonanzfrequenz kann aus der Gleichung (III) abgeleitet werden: fA = 1,97 MHz. Die Serienresonanzfrequenz ist relevant, weil angenommen wird, daß die Steuerelektronik G von dem gewöhnlichen Typ niedriger Quellimpedanz ist. Sechs (2 · 3) quadratische Platten mit Oberflächenabmessungen von 25 mm · 25 mm werden an einer passiven Schicht B (vgl. auch Fig. 7) befestigt, der Dickenwert xB dieser passiven Schicht wird gleich einer Standardglasdicke gewählt:

Piezoelektrisch passive Schicht B:

Material: Tempax-Glas
Massendichte: ρB = 2200 kg/m³
Schallgeschwindigkeit: vB 5430 m/s
Spez. ak. Impedanz: ZB = 12 · 10&sup6; kg/m²s
Dicke: xB = 2,8 mm
Die Resonanzfrequenzen des von Umgebungsluft umgebenen zweischichtigen Wandlers können gemessen oder berechnet werden (E. Benes, J. Appl. Phys., Vol. 56, Nr. 3, 1. August 1984). Die ersten vier quasiharmonischen Frequenzen sind:
fT1 = 573500, fT2 = 1371400, fT3 = 1958120 Hz, fT4 = 2546390 Hz.
Gemäß der Gleichung (V) sind die vorteilhaften Intervalle für die Steuerfrequenz fe:
0 Hz < fe < 516150 Hz; 630850 Hz < fe < 1302830 Hz; 1439970 Hz < fe < 1892849 Hz; 2023391 Hz < fe < 2482730 Hz; ....
Die Flüssigkeitsschichtdimension xS ist beispielsweise abhängig von der erforderlichen Strömungsrate und wird mit 25 mm ausgewählt:

Flüssigkeitsschicht S.

Material: Hydrosol
Massendichte: ρS = 1000 kg/m³
Schallgeschwindigkeit: vS = 1500 m/s
Spez. ak. Impedanz: ZS = 1,5 · 10&sup6; kg/m²s
Dicke: xS = 25 mm

Spiegelschicht M:

Material: Tempax-Glas
Massendichte: ρM = 2200 kg/m³
Schallgeschwindigkeit: vM = 5430 m/s
Spez. ak. Impedanz: ZM = 12 · 10&sup6; kg/m²s
Dicke: xM = 1,3 mm
Diese Parameter ergeben Resonanzfrequenzen fCj des zusammengesetzten Resonanzkörpers mit einer Distanz Δ fCj von annähernd 26 kHz. Deshalb fallen zahlreiche zusammengesetzte Resonanzfrequenzen in die vorteilhaften Intervalle. Beispielsweise ist die ersten Resonanzfrequenz fCj im vierten Intervall 2035555 Hz, die zweite 2061024 Hz, die dritte 2087140 Hz; deshalb kann die Erregerfrequenz fe beispielsweise gleich 2087140 Hz gewählt werden. Da die fundamentale Eigenfrequenz des Spiegels 2088460 Hz beträgt, ist die ausgewählte Steuerfrequenz nicht ausreichend an die Spiegelresonanzen fehlangepaßt - als Folge daraus muß die Spiegeldicke geändert werden, z. B. auf 1,8 mm.
Fig. 8 zeigt das gemessene Resonanzspektrum von elektrisch aktivem Energieeingang im Vergleich zu der Frequenz eines typischen Resonanzkörpers. Die Abmessungen wurden hauptsächlich in Entsprechung zu dem oben beschriebenen Beispiel gewählt, ausgenommen daß die Dicke xB der passiven Schicht B jetzt 2,7 mm anstatt 2,8 mm beträgt. Als Ergebnis wurden die dritte und die vierte Eigenfrequenz fT3 und fT4 des Wandlers geringfügig auf 2,035 MHz bzw. 2,620 MHz erhöht. Jede Spitze der Zeichnung stellt eine hohe Oberschwingungsresonanzfrequenz des Resonanzkörpersystems dar; das Eigenfrequenzspektrum des Wandlers alleine kann exakt bestimmt werden, indem der elektrisch aktive Energieverbrauch erneut gemessen wird, ohne daß das Resonanzkörpervolumen S mit Flüssigkeit gefüllt ist. Die Eigenfrequenzen fT3 und fT4 können ebenfalls in guter Annäherung in Fig. 4 lokalisiert werden, und zwar durch Interpretation der lokalen Minima des aktiven Energieeingangs zwischen den einzelnen Resonanzspitzen des kompletten Resonanzkörpersystems als Indikator für die Menge der vom Wandler verbrauchten aktiven Energie, wenn der Einfluß der Eigenfrequenzen des Spiegels vernachlässigt werden kann. dfT3 und dfT4 stellen Frequenzintervalle in der Nachbarschaft der Eigenfrequenzen dar, die gewöhnlich breiter sind als die Halbwertsbandbreiten der betrachteten Eigenfrequenzen des Wandlers. Die Erregerfrequenzen werden innerhalb dieser Halbwertsbandbreiten gewählt, um Resonanzkörper der bisherigen Technik infolge der hohen Erregbarkeit von Resonanzfrequenzen in diesem Bereich zu steuern. Zum Unterschied von diesen nachteiligen Intervallen dfT3 und dfT4 stellt das Frequenzintervall dfe den bevorzugten Frequenzbereich dar, in dem eine Resonanzfrequenz gemäß der Erfindung und der Gleichung (V) gewählt werden sollte. fopt befindet sich in der Mitte des bevorzugten Intervalls dfe und zeigt den Frequenzbereich an, in dem eine schwindende Teilchenschnellenamplitude an der Schnittstelle zwischen Wandler und Flüssigkeit gemäß der Erfindung optimal erreicht wird.
Ein Entwurf, der optimal in bezug auf das Ziel der Erfindung ist, verwendet, ausgenommen die passive Schicht B, dieselben Schichten. Die passive Schicht B ist aus einer Dicke xB gemacht, die einen Schwingungsknoten der Teilchenschnellenamplitude V an der Schnittstelle Wandler/Flüssigkeit produziert. Wenn die Steuerfrequenz fe als annähernd die Eigenfrequenz fA der aktiven Schicht A ausgewählt wird, was eine optimale Erregung des zusammengesetzten Resonanzkörpers garantiert, ist die Phasenverschiebung φA in der aktiven Schicht A gleich π. Da an der Schnittstellenebene 11 zwischen aktiver Schicht A und der Umgebungsluft eine Schwingungsbauch- Randbedingung herrscht, und da die Phasenverschiebung φA in der aktiven Schicht A ist gleich π, muß die Phasenverschiebung φB in der passiven Schicht B gewählt werden als gleich π/2 oder gleich einem ungeraden Vielfachen von π/2, um einen Schwingungsknoten der Teilchenschnelle V an der Schnittstellenebene zwischen dem Wandler T und der Flüssigkeit S zu erreichen. Wird diese Phasenverschiebung π/2 in die Gleichung (II) eingeführt, so ergibt sich
φB = 2π · fe · xB/vB = π/2
und ermöglicht die Berechnung von xB. Wenn für eine robustere Anwendung das Ergebnis von xB = 1,2 mm mechanisch zu schwach ist, können auch die dreifachen Werte verwendet werden.

Piezoelektrisch passive Schicht B:

Material: Aluminium-(Al&sub2;O&sub3;)-Keramik
Massendichte: ρB = 3780 kg/m³
Schallgeschwindigkeit: vB = 9650 m/s
Spez. ak. Impedanz: ZB = 36,5 · 10&sup6; kg/m²s
Dicke: xB = 1,2 mm
Die beiden ersten Eigenfrequenzen dieses Wandlers sind: fT1 = 1335150 Hz, fT2 = 2866080 Hz. Gemäß der Gleichung (V) liegt die beabsichtigte Steuerfrequenz fe = 1,97 MHz nun annähernd in der Mitte des günstigen Intervalls: 1468665 Hz < fe < 2722776 Hz.
In diesem Beispiel wird die optimale Dicke für den Spiegel bestimmt von (II)
φM = 2 π · x · fe/vM = π/2;
x = 0,692 mm. Da dieser Wert eher zu gering für eine angemessene mechanische Robustheit ist, wird der dreifache Wert gewählt: xM 2.07 mm.
Ähnlich dem zusammengesetzten Wandler T kann der Spiegel M auch aus einer aktiven Schicht A und einer passiven B-Schicht bestehen, mit denselben Kriterien für die Auswahl der Dicken xA bzw. xB solcher Schichten. Die aktive Schicht des Spiegels liefert ein elektrische Signal, das für die automatische Kontrolle der Erregerfrequenz fe auf eine bevorzugte zusammengesetzte Resonanzfrequenz fCj hin benützt werden kann.
Fig. 4 stellt eine Erweiterung des zusammengesetzten Resonanzkörpers gemäß Fig. 3 dar. In diesem Beispiel ist eine zusätzliche Wellenleiterschicht W eingefügt, gefüllt mit einer Flüssigkeit mit geringen Verlusten (z. B. destilliertem Wasser), getrennt von der Flüssigkeit S durch eine akustisch transparente Wand F. Die Dimension xF der Wand F ist hinsichtlich der Erregerfrequenz fe entweder klein im Vergleich zu einem Viertel der Wellenlänge oder gleich der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der Halbwellenlänge in diesem Wandmaterial, oder die spezifische akustische Impedanz des Wandmaterials ist annähernd dieselbe wie die spezifische akustische Impedanz der Flüssigkeit. Im ersten Fall werden z. B. Saran® oder Mylar®-Folien mit einer Dicke von 10 um als Wand F verwendet. Im zweiten Fall kann die Wand F aus praktisch jedem Material bestehen, doch für ein Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz nahe der spezifischen akustischen Impedanz der Flüssigkeit S ist die Dimension der Schicht F weniger kritisch. Unter Verwendung der Phasen-Nomenklatur produziert die akustisch transparente Schicht F eine Phasenverschiebung φF eines ganzzahligen Vielfachen von π. Im dritten Fall ist ein geeignetes Material beispielsweise TPX (Methylpenten) oder ABS (Acrylnitril-Butatien-Styrol). Infolge der unkritischen Auswirkungen ihrer Schichtdicken und ihrer geringen Dämpfung haben sich Polysulfon-Folien als günstiges Material zur Bildung der Wandschicht F erwiesen. Die zusätzliche Wellenleiterschicht W dient als Resonanzkörperteil mit hohem Qualitätsfaktor, der den sehr inhomogenen Nahe-Feldbereich des Wandlers T aus der Behandlungszone S entfernt und damit das Potential für akustische Strömungen in der Flüssigkeit S signifikant reduziert. Diese Resonanzkörperausführung ermöglicht zudem verstärkte Kühlung und eine Temperaturregelung des Systems durch Zirkulation einer Flüssigkeit zwischen der Wellen-Leiter-Schicht W und einem Thermostat. In diesem Fall können die Seitenwände 8 und 8' mit einem Eingangs- bzw. einem Ausgangsrohr ausgestattet sein. Diese Resonanzkörperausführung belegt auch die Anwendbarkeit dieser Erfindung auf das sogenannte Konzept des Drift- Resonanzfelds (DRF), das in WO-A-90/05008 beschrieben wird. Im Fall des DRF-Trennverfahrens wird der zusammengesetzte Resonanzkörper nicht nur auf einer bestimmten harmonischen Resonanzfrequenz betrieben, sondern vielmehr wiederholt zwischen beispielsweise fünf bis zwölf benachbarten, eng beabstandeten resonanzquasiharmonischen Frequenzen fCj abgewechselt. Die in der Flüssigkeit S dispergierten Partikel werden schrittweise als Ergebnis von Bewegungen der Schwingungsbauchebenen in der Längsrichtung x bewegt. Dies ermöglicht die Teilung des Dispersions-Ausgangsrohrs 2 in zwei Teile, einen 7 für das geklärte Flüssigkeitsmedium, den anderen 7' für das mit dispergierten Partikeln hoch angereicherte Flüssigkeitsmedium. Um die akustisch induzierte Dissipation zu minimieren, müssen die Erregerfrequenzen des DRF-Verfahrens auf die Resonanzfrequenzen in der Nachbarschaft bevorzugter Resonanzfrequenzen fCj gemäß der Erfindung abgestimmt werden.
Fig. 5 stellt den Querschnitt eines zusammengesetzten Resonanzkörpers unter Verwendung eines totalreflektierenden Retroreflektors R als Spiegel zum Abschluß des zusammengesetzten Resonanzkörpers dar. Der Retroreflektor R ist vorzugsweise gebildet aus zwei Platten im rechten Winkel zueinander. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit S wird vorzugsweise entgegengesetzt zu der Richtung der Schwerkraft gewählt und fällt in Fig. 5 mit der z-Achse zusammen. Diese Resonanzkörperversion ist besonders vorteilhaft, da keine Seitenwände einbezogen sind, die hinsichtlich ihres akustischen Einflusses ignoriert oder vernachlässigt werden müssen, um eine eindimensionale Behandlung zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu kann ein gut definiertes, eindimensionales Verhalten von Resonanzkörpern gemäß Fig. 3 und Fig. 4 oftmals nur erzielt werden, wenn die seitlichen Dimensionen der Schichten viel höher sind als die Längsdimensionen, was in manchen Fällen nicht wünschenswert ist.
Die Parameter des akustischen Materials des Retroreflektors R müssen einen Wert aufweisen, der eine Erfüllung der Totalreflexionsbedingung an der Schnittstelle zwischen der Flüssigkeit S und dem Reflektor R für den Neigungswinkel α gleich 45º des Reflektors ermöglicht. Totalreflexion an den Schnittstellenebenen 12', 12" zwischen Flüssigkeit und Retroreflektor verunmöglicht alle akustisch induzierten Dissipationen im Reflektor R. Wird das Medium des Reflektors R als isotrop gewählt, wobei der Wert der Schallgeschwindigkeit für Schubwellen größer oder gleich 1,41 mal der Schallgeschwindigkeit für Längswellen in der Flüssigkeit S ist, so wird der Grenzwinkel für die Totalreflexionsbedingung an der Schnittstelle zwischen der Flüssigkeit S und dem Reflektor R für den Neigungswinkel α des Reflektors gleich 45º überschritten. (Für den Fall, daß der Reflektor R aus einem anisotropen Medium besteht, muß die geringere der beiden möglichen Schubwellen-Schallgeschwindigkeiten gleich oder größer als 1,41 mal die Schallgeschwindigkeit für Längswellen in der Flüssigkeit S sein). Das heißt, die erregten Schallwellen werden im Fall vernachlässigter Verluste innerhalb der Medien bereits an den Schnittstellenebenen 12', 12" zwischen Flüssigkeit und Reflektor totalreflektiert. Diese Bedingung ist beispielsweise erfüllt für eine wäßrige Flüssigkeit und die Reflektorwandmaterialien Molybden, Rostfreistahl und sogar für das Wandmaterial Aluminium. Obwohl die tatsächlichen Schallwege entlang der Distanzen xS12 und xs22 nun parallel zur x-Achse fallen, ist die Gesamtlänge jedes Schallweges in der Flüssigkeit gleich:
(xS11 + xS12 + xS13) = (xS21 + xS22 + xS23) = 2xS.
Eine virtuelle Totalreflexionsebene 12 eines äquivalenten eindimensionalen Resonanzkörpers kann so definiert werden, wobei die effektive Schichtdicke xS der Flüssigkeit S gegenüber den seitlichen Richtungen y und z konstant ist und alle Schichtdimensionen erneut gemäß der Erfindung gewählt werden können.
Fig. 6 ist eine bevorzugte symmetrische Version des in Fig. 5 dargestellten Resonanzkörpers. Der Hauptvorteil dieser Ausführung ist die Verwendung eines Rohres mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Rohrwände gleichzeitig als Wände für die Flüssigkeit und als totalreflektierende Mittel für den zusammengesetzten Resonanzkörper dienen. Jede der Dicken xB, xB der beiden passiven Schichten B, B' sowie die Dicke xA der aktiven Schicht A sind gemäß der Erfindung ausgewählt.
Fig. 7 zeigt eine detailliertere Zeichnung eines zusammengesetzten Wandlers. Die selbe Zeichnung ist auf einen aktiven Spiegel anwendbar, der eine piezoelektrische Schicht A gemäß der Erfindung umfaßt. In dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel wird die piezoelektrisch aktive Schicht A von sechs piezoelektrischen Platten A1, A2, A3, A4, A5, A6 dargestellt, die alle dieselbe Dicke xA aufweisen, Seite an Seite angeordnet und mit Elektroden versehen sind. Die Platten sind elektrisch in Serie verbunden, um der elektrischen Impedanz des Wandlers zum Ausgang des Frequenzgenerators G zu entsprechen. Der Generator G liefert über die Klemmen E1, E2 das elektrische Erregersignal mit einer Frequenz fe. Ue und Ie sind die Amplituden der Steuerspannung bzw. des Steuerstroms. Die Platten sind auf einer elektrisch isolierenden und piezoelektrisch passiven Trägerplatte B von der Dicke xB befestigt, wie beispielsweise Glas oder Al&sub2;O&sub3;-Keramik, und können in guter Annäherung als eine kontinuierliche Schicht mit einer Dicke xA behandelt werden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den piezoelektrischen Platten werden von Kupferfolien I1, I2, I3, I4 sowie von den Elektrodenschichten J1, J2, J3 von einer Dicke xE bereitgestellt, was eine Phasenverschiebung φE von weniger als 1/16 der Zahl π auslöst. Die Elektroden werden auf der Oberfläche der passiven Trägerschicht B neben der aktiven Schicht A deponiert. Die Dicken xA und xB haben definierte Werte gemäß der Erfindung, um niedrige akustisch induzierte Wärmedissipation zu erreichen. Beste Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die spezifische akustische Impedanz ZB der passiven Schicht nahe der oder höher als die spezifische akustische Impedanz der piezoelektrisch aktiven Schicht ZA ist. Die Dicke XA der aktiven Schicht ist vorzugsweise nahe oder gleich einem Wert, der eine Phasenverschiebung φA verursacht, die ein ungerades Vielfaches m der Zahl π ist, die Dicke xB der passiven Schicht B ist vorzugsweise nahe oder gleich einem Wert, der eine Phasenverschiebung φB verursacht, die ein ungerades Vielfaches n der Hälfte der Zahl π ist. Ein ungerades Vielfaches q der passiven Teilschichten B1, B2, B3 (oder mehr), jede mit einer Dicke xB,k (k = 1.....q), die!!Phaseine Phasenverschiebung φB,k wie oben für eine einfache passive Schicht B beschrieben verursacht, ist ebenfalls nützlich zur Senkung der Energiedissipation. Das ungerade Vielfache der passiven Schichten Bk sind von alternierend hoher (ZB,k ≥ ZA, k...ungerade) und niedriger (ZB,k < ZA, k...gerade) spezifischer akustischer Impedanz, doch beginnen und enden mit hohen im Bereich ZA der aktiven Schicht A. In einer Variation dieser Anordnung passiver Teilschichten Bk können Teilschichten niedriger Impedanz auch eine Flüssigkeit sein.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung einer Flüssigkeit, insbesondere zur Trennung dispergierter Partikel von einer Flüssigkeit durch Anlegen eines resonanten Ultraschallfeldes ja einem zusammengesetzten Resonanzkörper, wobei die akustisch gekoppelten Schichten in der Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Welle durch mindestens einen piezoelektrischen Wandler (T), ein Gefäß mit der Flüssigkeit (S) und einen akustischen Spiegel (M) gebildet werden und wobei der Wandler (T) von einem elektrischen Stromgenerator (G) mit einer Steuerfrequenz (fe) innerhalb des Bereichs der Halbwertsbandbreiten einer quasiharmonischen, zusammengesetzten Oberschwingungs-Frequenz (fCj) des zusammengesetzten Resonanzkörpers betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfrequenz (fe) außerhalb der Halbwertsbandbreite jeder der elektrisch erregbaren Eigenfrequenzen (fTi) des Wandlers gewählt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfrequenz (fe) so gewählt wird, daß sie außerhalb jedes der Intervalle liegt, die definiert sind zwischen einem unteren Grenzwert, der definiert ist als die betrachtete, elektrisch erregbare quasiharmonische Eigenfrequenz des Wandlers (fTi) minus dem Verhältnis (fTi/10i) der Eigenfrequenz (fTi) durch zehn mal die quasiharmonische Zahl (i), und einem oberen Grenzwert, der definiert ist als die Eigenfrequenz (fTi) plus dem Verhältnis (fTi/10i) der Eigenfrequenz (fTi) durch zehn mal die quasiharmonische Zahl (i).

3. Verfahren von Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfrequenz (fe) so ausgewählt wird, daß die Teilchenschnelleamplitude (V) in der Schnittstellenebene zwischen dem Wandler (T) und der Flüssigkeit (S) im Vergleich zu den Maximalamplituden innerhalb des Wandlers gering und vorzugsweise etwa null ist.

4. Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Trennung dispergierter Partikel von einer Flüssigkeit durch Anlegen eines resonanten Ultraschallfeldes in einem mehrschichtigen, zusammengesetzten Resonator, wobei die akustisch gekoppelten Schichten in der Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Welle durch mindestens einen piezoelektrischen Wandler (T), ein Gefäß mit der Flüssigkeit (S) und einen akustischen Spiegel (M) gebildet werden und wobei der Wandler (T) geeignet ist, von einem elektrischen Stromgenerator (G) mit einer Steuerfrequenz (fe) innerhalb des Bereichs der Halbwertsbandbreiten einer quasiharmonischen, zusammengesetzten Oberschwingungs-Resonanz-Frequenz (fCj) gesteuert zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (xT) und die relative Position des Wandlers (T) so gewählt werden, daß der Wandler (T) an eine Steuerfrequenz (fe) außerhalb der Halbwertsbandbreite jeder der elektrisch erregbaren Eigenfrequenzen (fTi) des Wandlers angepaßt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (xT) und relative Position der Wandlerschicht (T) so gewählt wird, daß die Steuerfrequenz (fe) außerhalb jedes der Intervalle liegt, die definiert sind zwischen einem unteren Grenzwert, der definiert ist als die betrachtete elektrisch erregbare quasiharmonische Eigenfrequenz des Wandlers (fTi) minus dem Verhältnis (fTi/10i) der Eigenfrequenz (fTi) durch zehn mal die quasiharmonische Zahl (i), und einem oberen Grenzwert, der definiert ist als die Eigenfrequenz (fTi) plus dem Verhältnis (fTi/10i) der Eigenfrequenz (fTi) durch zehn mal die quasiharmonische Zahl (i).

6. Vorrichtung der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (T) mit der Flüssigkeit (S) nur ein einer Seite, der Innenseite, in Kontakt ist, wobei die äußere Schnittstellenebene des Wandlers (T) als erste abschließende Reflexionsebene (11) dient und die äußere Schnittstellenebene des akustischen Spiegels (M) als zweite abschließende Reflexionsebene (12) dient, und des weiteren, daß der Wandler (T) vorzugsweise aus einer piezoelektrischen, festen Schicht mit Elektroden besteht, die als aktive Schicht (A) bezeichnet wird, und aus einer nicht-piezoelektrischen Schicht, die als passive Schicht (B) bezeichnet wird, wobei

- die aktive Schicht eine Dicke (x) aufweist, die eine räumliche Phasenverschiebung (φA) der Teilchenschnellenamplitude (V) verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φA) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (π) ist,

- die passive Schicht (B) eine Dicke (xB) aufweist, die eine räumliche Phasenverschiebung (φB) der Teilchenschnellenamplitude (V) verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φB) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Zahl Pi (π) ist, und

- die passive Schicht (B) aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB besteht, die vorzugsweise nahe der oder höher als die spezifische akustische Impedanz ZA der aktiven Schicht (A) ist.

7. Vorrichtung der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (T) zu beiden Seiten in Kontakt mit der Flüssigkeit (S) ist und zwei getrennte Spiegel (M, M') den Resonanzkörper abschließen, wobei die äußere Schnittstellenebene des ersten Spiegels (M) als erste abschließende Reflexionsebene (11) und die äußere Schnittstellenebene des zweiten Spiegels (M') als zweite abschließende Reflexionsebene (12) dient und daß der Wandler vorzugsweise aus einer piezoelektrischen festen Schicht mit Elektroden besteht, die als aktive Schicht (A) bezeichnet wird, und aus zwei nicht-piezoelektrischen Schichten, die als passive Schichten (B, B') bezeichnet werden, wobei

- die aktive Schicht (A) zwischen den beiden passiven Schichten (B, B') angeordnet ist,

- die aktive Schicht (A) eine Dicke (x,A) aufweist, die eine räumliche Phasenverschiebung (φA) der Teilchenschnellenamplitude (V) verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φA) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (π) ist,

- die erste passive Schicht (B) eine Dicke (xB) aufweist, die eine erste Phasenverschiebung (φB) eines ungeraden Vielfachen (n) des halben Weit der Zahl Pi (π) verursacht, und die zweite passive Schicht (B') ist von einer Dicke (x'H), die eine zweite Phasenverschiebung (φ'B) eines ungeraden Vielfachen (n') des halben Werts der Zahl Pi (π) verursacht, wobei die Dicken (xB, x'B) der passiven Schichten (B, B') vorzugsweise denselben Wert aufweisen, und

- die passiven Schichten (B, B') aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz ZB gefertigt sind, die vorzugsweise nahe oder höher als die spezifische akustische Impedanz ZA der aktiven Schicht ist.

8. Vorrichtung eines der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eine piezoelektrische feste Schicht mit Elektroden umfaßt, die als aktive Schicht (A) bezeichnet wird, und die zwischen den Elektroden der aktiven Schicht (A) produzierte Amplitude des elektrischen Signals (Ue) als Kriterium zur Steuerung der Erregerfrequenz (fe) des elektrischen Stromgenerators (G) gegen den Wert einer quasiharmonischen zusammengesetzten Resonanzfrequenz (fCj) hin verwendet wird, indem die Amplitude des elektrischen Signals (Ue) auf einem Maximalwert gehalten wird.

9. Vorrichtung von Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- die aktive Schicht (A) des Spiegels (M) eine Dicke (xA) aufweist, die eine räumliche Phasenverschiebung (φA) der Teilchenschnellenamplitude (V) verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φA) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (m) der Zahl Pi (π) ist,

- die aktive Schicht (A) des Spiegels (M) akustisch gekoppelt ist mit einer nicht-piezoelektrischen Schicht, die als passive Schicht (B) bezeichnet wird und welche eine Dicke (xB) aufweist, die eine Phasenverschiebung (φB) der Teilchenschnellenamplitude verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φB) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Hälfte des Werts der Zahl Pi (π) ist, und

- die passive Schicht (B) aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz (ZB) gefertigt ist, die nahe der oder höher als die spezifische akustische Impedanz (ZA) der aktiven Schicht ist;

wobei vorzugsweise die passive Schicht (B) des Spiegels (M) eine Wand des Gefäßes bildet.

10. Vorrichtung eines der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (A) durch eine mosaikartige Struktur aus piezoelektrischen Platten (A1, A2, A3, A4, A5, A6) von runder, rechteckiger oder quadratischer Form und identischer Dicke (xA) gebildet ist, die an der piezoelektrisch passiven Schicht (B) befestigt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Schicht (B) eine elektrisch isolierende, dielektrische Schicht ist und die Elektroden der piezoelektrischen Platten (A1, A2, A3, A4, A5, A6) zumindest teilweise durch die verbindenden Elektrodenschichten (J1, J2, J3) in Serie elektrisch verbunden sind, die auf der passiven Schicht (B) abgeschieden sind, wobei die verbindenden Elektrodenschichten (J1, J2, J3) in einer Dicke (xE) gefertigt sind, die einer räumlichen Phasenverschiebung (φE) der Teilchenschnellenamplitude (V) entsprechen, die kleiner als 1/16 der Zahl Pi (π) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch passive Schicht (8) aus einer ungeraden Mehrzahl (q) von passiven Teilschichten besteht, wobei

- die Dicke (xB,k [k = 1....q]) jeder Teilschicht eine räumliche Phasenverschiebung (φB) der Teilchenschnellenamplitude (V) verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φB) nahe oder gleich einem ungeraden Vielfachen (nk) des halben Werts der Zahl Pi (π) ist, und

- die ungerade Mehrzahl von passiven Schichten von alternierend hoher und niedriger akustischer Impedanz sind, aber mit hohen Werten beginnen und enden, die vorzugsweise nahe der oder höher als die spezifische akustische Impedanz (ZA) der aktiven Schicht (A) sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinabstimmung der Erregerfrequenz (fe) des elektrischen Stromgenerators (G) gegen den Wert der quasiharmonischen zusammengesetzten Resonanzfrequenz fCj durch eine automatische Frequenzkontrolle (AFC) erfolgt, welche den Effektiv-Energieverbrauch (Pe) des zusammengesetzten Resonanzkörpers als Kriterium zur Regelung verwendet, wobei der Effektiv-Energieverbrauch (Pe) auf einem relativen Maximalwert gehalten wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wellen- Leiter-Schicht (W), bestehend aus einer Flüssigkeit, zwischen der passiven Schicht (B) des Wandlers (T) und der Flüssigkeit (S) angeordnet ist und solche Wellen-Leiter-Schicht von der Flüssigkeit (S) getrennt ist durch eine akustisch transparente Wand (F) und daß vorzugsweise die Seitenwände der Wellen-Leiter-Schicht (W) mit einem Eingangs- und einem Ausgangsrohr zur Zirkulation der Flüssigkeit versehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der Erregerfrequenz (fe) wiederholt zwischen fünf bis zwölf benachbarten, eng beabstandeten, zusammengesetzten Resonanzfrequenzen fCj gewechselt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch transparente Wand (F) mit der Dicke (xF) eine räumliche Phasenverschiebung (φF) der Teilchenschnellenamplitude (V) produziert, die viel geringer ist als die Hälfte der Zahl Pi (π) für die Erregerfrequenz (fe) oder die annähernd gleich der Zahl Pi (π) für die Erregerfrequenz (fe) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch transparente Wand (F) aus einem Material mit einer spezifischen akustischen Impedanz (ZF) besteht, die sehr nahe an der spezifischen akustischen Impedanz (ZW) der Wellenleiterflüssigkeit (W) liegt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein totalreflektierender Retroreflektor (R) eine Wand des Gefäßes bildet, wobei der Retroreflektor (R) aus zwei Platten (12', 12") besteht, die im rechten Winkel zueinander angeordnet und 45º zu der Richtung (x) der Schallausbreitung geneigt sind,

- die akustischen Parameter des Materials des Retroreflektors (R) einen Wert haben, daß die Totalreflexionsbedingung an der Schnittstelle zwischen Flüssigkeit (S) und Reflektor (R) für den Neigungswinkel zwischen den Reflektorplatten (12', 12") und der Längsrichtung (x) gleich 45º erfüllt ist, und

- die Strömung der Flüssigkeit parallel zu diesen Platten (12', 12") und im rechten Winkel (z) zur Längsrichtung (x) orientiert ist, wobei

- die virtuelle Totalreflexionsebene (12) des äquivalenten eindimensionalen Resonanzkörpers die effektive Schichtdicke (xS) der Flüssigkeit (S) definiert.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei symmetrische, totalreflektierende Retroreflektoren (R, R') gegenüberliegende Wände des Gefäßes bilden, wobei die akustischen Parameter des Materials der Retroreflektoren (R, R') einen Wert haben, daß die Totalreflexionsbedingung an den Schnittstellen zwischen den jeweiligen Flüssigkeiten (S, S') und Reflektoren (R, R') erfüllt ist, und daß die Strömung der Flüssigkeiten (S, S') im rechten Winkel (z) zur Längsrichtung (x) ausgerichtet ist, wobei die virtuellen Totakeflexionsebenen (11, 12) des äquivalenten eindimensionalen Resonanzkörpers die effektiven Schichtdicken (xS, x'S) der Flüssigkeiten (S, S') definieren.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (xM) des Spiegels (M) so ausgewählt ist, daß sie eine Phasenverschiebung (φM) der Teilchenschnellenamplitude verursacht, wobei die Phasenverschiebung (φM) nahe einem oder gleich einem ungeraden Vielfachen (n) der Hälfte der Zahl Pi (π) ist.