Table Of ContentARBEITSGEMEINSCHAFT FüR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEI N -WESTFALEN
39. Sitzung
am 3. Februar 1954
in Düsseldorf
Professor Dr. phil., Dr. med. h. c. Abraham Esau
t
12. Mai 1955
ARBEITSGEMEINSCHAFT FüR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
HEFT 39
Abraham Esau t
Der Ultraschall und seine technischen Anwendungen
Heinz Haase
Infrarot und seine technischen Anwendungen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-322-98174-5 ISBN 978-3-322-98847-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-98847-8
Copyright 1955 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1955
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag
INHALT
Prof. Dr. phil., Dr. med. h. c. Abraham Esau t, Aachen
Der Ultraschall und seine technischen Anwendungen. 7
Dr. phil. nato Heinz Haase, Hamburg
Infrarot und seine technischen Anwendungen. . 35
Diskussionsbeiträge
von Prof. Dr. A. Esau, Staatssekretär Prof. L. Brandt,
Prof. Dr. W. Weizel, Dr. H. Haase, Prof. Dr.-Ing.
Harald Müller, Prof. Dr. S. Strugger, Prof. Dr. W.
Riezler, Dr. K. Sauerwein, Prof. Dr. G. Lehmann,
Prof. Dr. H. Braun, Dipl.-Physiker Lützow. . 61
Der Ultraschall
und seine technischen Anwendungen
Professor Dr. phil., Dr. med. h. c. Abraham Esau, Aachen
Der Ultraschall ist erst einige Jahrzehnte nach den elektrischen Wellen
und den Wellen des Ultrarot (Wärmewellen) in das Blickfeld der Technik
getreten. Es handelt sich bei ihm um Schallwellen, die oberhalb des normalen
Hörbereiches des Menschen liegen, deren Schwingungszahl also größer
als etwa 15 000 ist. Im Gegensatz zu dieser Hörbarkeitsgrenze beim
Menschen finden wir in der ihn umgebenden Tierwelt im allgemeinen Hör
wahrnehmungen bei noch viel höheren Frequenzen, was aus zahlreichen
Untersuchungen der letzten Jahre, insbesondere aus amerikanischen For
schungsberichten, hervorgeht. Die Tatsache, daß der "akustische Verkehr"
der Natur um uns herum sich vorwiegend in einem Frequenzbereich abspielt,
den wir nicht mehr wahrzunehmen vermögen, zeigt, wie weise die V or
sehung die Menschheit vor den unzähligen ausgedehnten Schallbeeinflussun
gen bewahrt hat, die anderenfalls den Lärm noch erheblich vermehrt haben
würden, dem der Mensch heute in immer beängstigenderem Maße durch tech
nische Einrichtungen ausgesetzt ist.
Die Technik hat eigentlich erst auf Grund von Beobachtungen amerikani
scher Forscher - Wood und Loomes - gegen Ende der zwanziger Jahre
mit Untersuchungen darüber begonnen, ob die von ihnen beobachteten
physikalischen Effekte sich für die Lösung zahlreicher technischer Probleme
anwenden lassen. Es ist zunächst erstaunlich, in welchem Umfange sich eine
Unzahl von Arbeiten auf physikalischer und technischer Grundlage mit
dieser neuen Energieart beschäftigt haben. Man geht wohl nicht fehl, die
Zahl der Arbeiten auf diesem Gebiet, insbesondere der amerikanischen und
englischen, z. Z. auf mehr als 3000 zu bezeichnen, die sich auf alle Gebiete
der Naturwissenschaften beziehen. Und doch findet man bei ihrer kritischen
Durchsicht auch heute noch, daß zwar zahlreiche Einzelbeobachtungen" ge
macht und eine Reihe von außerordentlich interessanten Effekten bei diesen
Schallwellen gefunden worden sind, daß aber, im großen gesehen, gewisse
Probleme immer noch der Lösung harren, Probleme, von deren Lösung der
Fortschritt auf dem Gebiet ihres technischen Einsatzes wesentlich abhängt.
8 Abraham Esau
Wie auf vielen anderen Gebieten, so fehlt es hier vor allem an einer
systematischen Grundlagenforschung, die in ausreichendem Umfange not
wendig ist für die Klärung des physikalischen Verhaltens, und ohne deren
Ergebnisse eine angewandte Forschung entweder nur sehr unvollkommen
in Gang gesetzt werden kann oder aber zu eigener Grundlagenforschung
gezwungen ist. Eine nicht in die Tiefe gehende Forschung wird aber nicht
nur bei uns als unzureichende Voraussetzung für die technische Entwicklung
angesehen, dieser Ruf nach Grundlagenforschung ist im Ausland genau so
vernehmbar wie bei uns.
Bedauerlich ist das Fehlen der Grundlagen besonders dann, wenn wich
tige technische Probleme aus irgendwe1chen Gründen schnell einer Lösung
zugeführt werden müssen. So lag beispielsweise während des Krieges die
Aufgabe vor, Torpedos mit Selbststeuerungsanordnungen auszurüsten, die
der Ultraschall technik entnommen werden mußten. Bei dem betriebsmäßigen
Einsatz dieser Waffe zeigte sich nun, daß wechselnde Wassereigenschaften
und die Beschaffenheit des Meeresbodens die Ansprechempfindlichke.it der
Torpedos und damit ihren betriebssicheren Einsatz außerordentlich stark
beeinflußten. Ursache dafür war die Absorption der Ultrasch.allwellen, deren
Frequenz etwa in der Gegend von 20000/sec lag, durch das Meereswasser.
Da Angaben über di·e Größe dieser Absorption in Abhängigkeit von den
verschiedens~en Zuständen des Wassers nicht vorlagen, mußten - um die
Störung zu beheben - sehr umfangreiche und zeitraubende Grundlagen
versuche gemacht werden, die sehr viele Wissenschaftler beschäftigten und
technische Einrichtungen erforderlich machten, die zum Teil erst neu ent
wickelt und beschafft werden mußten.
Aber auch auf anderen Anwendungsgebieten macht sich das Fehlen der
Grundlagen selbst jetzt noch recht störend bemerkbar, was zu einem großen
Teil wohl darauf zurückgeführt werden muß, daß bedauerlicherweise mit
der Beendigung des Krieges jene Forschungen entweder personell oder ex
perimentell unmöglich wurden. Erst heute, nachdem die experimentellen
Voraussetzungen allmählich wieder geschaffen worden sind und ein fähiger
Nachwuchs in mühevoller Arbeit herangebildet worden ist, kann man
daran denken, die Lücken der Grundlagenforschung allmählich aufzufüllen
und an die Lösung der vielen noch ungelösten Probleme heranzugehen.
In den eingangs erwähnten sehr zahlreichen Arbeiten, die sich mit den
Eigenschaften und Wirkungen des Ultraschalls befassen, findet man häufig
die Frage angeschnitten, ob bei dem Auftreten der beschriebenen Effekte die
Cavitation eine bestimmende Rolle spielt oder nicht. Unter Cavitation
Der Ultraschall und seine technischen Anwendungen 9
- ein Vorgang, der in der Hydrodynamik seit langem bekannt und unter
sucht worden ist - versteht man eine Erscheinung, die in flüssigen Medien,
beispielsweise in Wasser, dann auftritt, wenn unter dem Einfluß großer
Zug- und Druckkräfte ein Zerreißen der Füssigkeitspartikel eintritt, was zu
der Bildung von Hohlräumen in der Flüssigkeit führt. Wenn diese dann in
der Compressionsphase wieder zusammenschlagen, werden große Kräfte
frei. Das Auftreten der Cavitation kann insbesondere dann, wenn sie kräftig
genug ausgebildet ist, an einem zischenden Geräusch oder auch an gewissen,
bei Dunkelheit gut zu beobachtenden Leuchterscheinungen in der Flüssigkeit
erkannt werden.
Unter der "echten Cavitation" versteht man das Zerreißen der Moleküle,
d. h. die Aufhebung der Cohäsion. Sie tritt aber, wie aus theoretischen Be
trachtungen hervorgeht, erst bei Zugkräften in der Größenordnung von etwa
1 0000 Atmosphären auf und kommt daher für den technischen Ultraschall
nicht in Frage. Hier handelt es sich vielmehr um die "unechte Cavitation",
die schon bei sehr viel geringeren Kräften beobachtet werden kann. Sie ent
steht um so leichter, je mehr Gas oder Luft in dem Medium vorhanden ist
und, soweit bekannt, je größer die Schallenergie und je geringer die Schall
frequenz ist.
Während die einen Beobachter die Meinung vertreten, daß der Einfluß
der (unechten) Cavitation bei dem Auftreten der angegebenen Effekte vor
handen sein muß, glauben andere, daß sie ohne Bedeutung ist. Wie schon
angegeben, läßt sich das Auftreten einer Cavitation in flüssigen Medien
feststellen, wenn sie kräftig genug ausgebildet ist. Sie ist dann aber schon
in ein fortgeschrittenes Stadium eingetreten.
In vielen Fällen, insbesondere bei der Anwendung des Ultraschalls in der
Therapie, müßten Cavitationserscheinungen in diesem Ausmaß als schädlich
für den Organismus angesehen werden, wenn sie auch, soweit Berichte über
die Ultraschalltherapie vorliegen, bisher noch in keinem Fall aufgetreten
sind. Immerhin aber erscheint es notwendig, Methoden zu entwickeln, die
gestatten, irgendwo auftretende Cavitationserscheinungen schon im "statu
nascendi" zu beobachten. Diese sind, soweit uns die Literatur zugänglich
gewesen ist, bis heute noch nicht entwickelt worden. Eigene V ersuche, die in
dieser Richtung schon seit einem Jahr in Aachen laufen, haben in Anbetracht
der Schwierigkeit des Problems zwar noch nicht zu einer wirklichen Lösung
geführt, aber doch in allerletzter Zeit die einigermaßen begründete Aussicht
eröffnet, daß man mit ganz neuen und von den bislang üblichen Verfahren
abweichenden Methoden vielleicht doch in absehbarer Zeit einer Lösung
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näherkommen wird. Derartige Methoden sind nicht nur für die Therapie
von Bedeutung, sondern in noch größerem Umfang für eine Reihe höchst
wichtiger technischer Probleme erwünscht und dringend notwendig.
Auf diesem Wege scheint sich auch die Möglichkeit anzubahnen, die Ent
scheidung über die Notwendigkeit oder Nichtnotwendigkeit des Vorhanden
seins der Cavitation auf den verschiedensten Gebieten der Physik und der
Chemie eindeutig zu fällen, was zur Folge haben würde, daß diese Streit
frage, die sich wie ein roter Faden durch das ganze Schrifttum zieht, ein
deutig entschieden werden könnte.
Eine weitere Aufgabe für die Grundlagenforschung war es, die Sch,all
felder anzugeben, die sich bei einer Reihe von technischen Ultraschall
generatoren ausbilden. Es sind zwar von H. Stenzel in seinem Buch "Leit
faden zur Berechnung von Schallvorgängen" eine Reihe von sehr wertvollen
Berechnungsverfahren angegeben worden, die aber, was damals verständlich
war, vielfach auf Sonderfälle zugeschnitten und bei denen die eigentlichen,
für die Berechnung notwendigen allgemeinen Formeln nur angedeutet sind.
Insbesondere mußte die Berechnung dieser Schall felder in der näheren Um
gebung der Schallquelle und im Ferngebiet auch für andere als kreisförmige
Umrandungen der sch.wingenden Membran durchgeführt werden. Sie müs
sen darüber hinaus auch ausgedehnt werden auf die Felder bei praktischen
Schallgebern, bei denen die schwingende Membran nicht mehr als Kolben
membran wirkt, sondern am Rande mehr oder wen~g,er stark "g'eklemmt" ist.
Es erscheint ferner wünschenswert, daß das Arbeiten derartiger Schall
erzeuger, unter anderem auch der Sirenen, in einem Medium mit Sch:all
absorption untersucht wird, was bei gewissen technischen Anwendungen
eine Rolle spielt.
In der Praxis wird es vielfach vorkommen, daß die Energie und das Schall
feld eines Generators nicht ausreicht für den Arbeitsraum, in dem sich das
Medium befindet, das dem Einfluß des Ultraschalls ausgesetzt werden soll.
Es ist dann notwendig, daß mehrere Generatoren zusammenarbeiten, d. h.
alsö kombiniert werden müssen. Ein synchroner Betrieb von einer Hoch
frequenz- oder anderen Energiequelle aus dürfte technisch keinerlei Schwie
rigkeiten bereiten, wohl aber muß untersucht werden, wie das Schallfeld
derartiger Kombinationen aussieht und durch geeignete Anordnungen der
verschiedenen Generatoren ein möglichst homogenes Schallfeld zu er
reichen ist. Schließlich ist auch das Schallfeld von solchen Generatoren zu
untersuchen, bei denen die strahlende Fläche nicht mehr kreisförmig, sondern
rechteckig bzw. quadratisch umrandet ist. (Abb. 1)
Der Ultraschall und seine technischen Anwendungen 11
2,0 --
p ~11 ....... --
..............
1 ..............
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1,2
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z/)... _____
O ~~~~--~-----r-----r----.-----~---.
° 8 16 24 32 40 48 56
Abb. 1: Der Schalldruck p im Nahfeld auf der Symmetrieachse in Abhängigkeit von der
Entfernung z bezogen auf die Wellenlänge. Bei quadratischer Membran gibt es keine
Nullstellen mehr.
Diese Rechnungen, für die gewisse Ansätze in den Arbeiten von H. Sten
zel teilweise schon vorliegen, sind im allgemeinen nicht übermäßig schwierig
und im letzten Jahre in Aachen durchgeführt worden. Über ihre Ergebnisse,
die weitgehenden Forderungen der Praxis entsprechen dürften, soll an anderer
Stelle ausführlich berichtet werden.
Wenn man heute die Anwendung des Ultraschalls in den verschiedenen
Phasen der technischen Entwicklung überblickt, so ist leider festzustellen,
daß ihr Umfang nicht den Erwartungen entspricht, die man an diese Energie
form gestellt hatte.
Es gibt hierfür eine Reihe von Gründen:
1. Wie vorhin erwähnt, liegen die Ergebnisse der Grundlagenforschung
nicht so umfassend vor, wie es für eine Anwendung unbedingt notwendig
erscheint.
2. Bot die Zeit während der Kriegs- und Nachkriegsjahre keinen be
sonders fruchtbaren Boden für die Einführung von Neuentwicklungen.
3. Können Laboratoriumsergebnisse auch in diesem Zweig der Wissen
schaft nicht ohne weiteres in die Groß anlagen der Technik übernommen
werden, um die es sich in fast allen Fällen handelt.
