ARBEITSGEMEINSCHAFT 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 10 Abraham Esau 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 .............. ....... 1,6 ....... 1,2 ____ Quadrat 0/),= 10 0,8 _____ flächengleicher Kreis 0,4 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.