Wie funktioniert ein Ultraschallsender?

In der Welt der modernen Technologie spielt Ultraschall in zahlreichen Branchen eine zentrale Rolle: Reinigung, Medizin, industrielle Automatisierung, Robotik, Verpackung, Prozesssteuerung und mehr. Das Herzstück jedes Ultraschallsystems ist der Ultraschallsender, ein Gerät, das elektrische Energie in hochfrequente Schallwellen umwandelt. Doch wie genau funktioniert ein Ultraschallsender? Welche physikalischen Prinzipien stecken dahinter? Welche Typen gibt es und wie werden sie in der realen Industrie eingesetzt?

Bei DCM Ultrasonic möchten wir Ihnen klar und professionell erklären, wie ein Ultraschallsender funktioniert, welche Hauptkomponenten er hat, welches physikalische Prinzip er hat, welche praktischen Anwendungen er bietet und welche Faktoren bei der Auswahl eines Senders für Ihr System zu berücksichtigen sind.
 

Was ist ein Ultraschallsender?

Ein Ultraschallsender ist ein Gerät, das Schallwellen mit Frequenzen oberhalb der menschlichen Hörschwelle, also über 20 kHz, erzeugen kann. Diese Wellen breiten sich in Form mechanischer Schwingungen durch Luft, Flüssigkeiten oder Feststoffe aus und werden in zahlreichen industriellen und wissenschaftlichen Prozessen genutzt.

Der Sender ist Teil eines Ultraschallwandlers, der entweder Sender oder Empfänger (oder beides) sein kann. Bei einem aktiven Emissionssystem ist der Sender für die Erzeugung der Wellen verantwortlich, die mit der Umgebung oder anderen Materialien interagieren.
 

Funktionsprinzip: Piezoelektrizität

Die technologische Grundlage der meisten Ultraschallsender ist der inverse piezoelektrische Effekt. Dieses Phänomen wurde im 19. Jahrhundert entdeckt und bezeichnet die Fähigkeit bestimmter Materialien (wie Quarz, Turmalin oder keramische Werkstoffe wie Blei-Zirkonium-Titanat – PZT), ihre Form zu verändern, wenn an sie eine elektrische Spannung angelegt wird.

Wenn ein Wechselsignal an einen piezoelektrischen Kristall angelegt wird, vibriert dieser mit der gleichen Frequenz wie das elektrische Signal. Liegt diese Frequenz im Ultraschallbereich, vibriert der Kristall schnell und erzeugt eine mechanische Welle (Schall), die sich im umgebenden Medium ausbreitet.

Dieser Prozess lässt sich in drei Schritten zusammenfassen:

1. Elektrische Signalerzeugung: Ein Generator oder Oszillatorkreis erzeugt ein hochfrequentes Wechselsignal (z. B. 40 kHz).
2. Umwandlung in mechanische Schwingung: Das piezoelektrische Material des Senders vibriert aufgrund des angelegten Signals.
3. Aussendung von Ultraschallwellen: Schwingungen werden auf das Medium (Luft, Wasser, Metall etc.) übertragen und breiten sich als hochfrequente Schallwellen aus.

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Hauptkomponenten eines Ultraschallsenders

Ein Ultraschallsender kann je nach Anwendung eine einfache oder komplexe Struktur haben, umfasst aber im Allgemeinen:

• Piezoelektrisches Element: Der aktive Kern, der elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt.
• Gehäuse oder Kapselung: schützt das piezoelektrische Element vor Umwelteinflüssen (Wasser, Staub, Hitze) und hilft, die ausgesendeten Wellen zu kanalisieren.
• Elektroden: ermöglichen die elektrische Verbindung zum Signalgenerator
• Akustischer Kegel oder Linse (bei einigen Modellen): Fokussiert oder lenkt den Ultraschallstrahl, um seine Genauigkeit zu erhöhen.

Bei industriellen Anwendungen wie der Ultraschallreinigung wird die Baugruppe häufig in eine Sonde oder einen Wandler integriert, der an einem flüssigkeitsgefüllten Reinigungstank befestigt wird, sodass die erzeugten Wellen Kavitation verursachen und so Schmutz von komplexen Teilen entfernen.
 

Arten von Ultraschallsendern je nach Medium

Ultraschallsender unterscheiden sich je nach Medium, in dem sie arbeiten:

1. Ultraschallsender für Luft
Diese kommen in Näherungssensoren, Distanzmessungen, Antikollisionssystemen oder berührungslosen Füllstandsdetektoren zum Einsatz. Sie sind für die Übertragung von Wellen durch die Luft optimiert, im Allgemeinen mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 80 kHz.

2. Ultraschallsender für Flüssigkeiten
Entwickelt für die effiziente Übertragung von Flüssigkeiten wie Wasser, Ölen oder Reinigungslösungen. Sie kommen typischerweise in Ultraschallreinigungssystemen, Durchflussmessungen, Füllstandserkennungen usw. zum Einsatz.

3. Ultraschallsender für Feststoffe
Bei Anwendungen wie der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) oder der industriellen Inspektion senden diese Emitter Wellen durch feste Materialien, um Risse, Sprünge oder Dichteänderungen zu erkennen.

Bei DCM Ultrasonic sind wir auf die Herstellung von Ultraschallgeneratoren und -sendern für die Ultraschallreinigung spezialisiert.
 

Wichtige technische Parameter

Bei der Auswahl bzw. Auslegung eines Ultraschallsenders ist folgendes zu beachten:

• Betriebsfrequenz: wirkt sich direkt auf Auflösung und Durchdringung aus. Je niedriger die Frequenz, desto größer die Durchdringung. Je höher die Frequenz, desto detaillierter die Darstellung.
• Akustische Leistung: die vom Wandler abgegebene Energiemenge. Unverzichtbar bei Anwendungen wie Ultraschallreinigung oder Schweißen.
• Abstrahlwinkel: bestimmt die Richtwirkung des Ultraschallstrahls.
• Akustische Impedanz: Kompatibilität mit dem Sendemedium und dem Empfangssystem.

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Industrielle Anwendungen von Ultraschallsendern

Ultraschallsender sind in den unterschiedlichsten Bereichen vertreten:

✅ Ultraschallreinigung
Die Emitter erzeugen Kavitation in Flüssigkeiten und ermöglichen so eine gründliche Reinigung metallischer, elektronischer, medizinischer oder mechanischer Komponenten, ohne die Teile zu beschädigen.

✅ Erkennung und Messung
Wird in Sensoren verwendet, um Flüssigkeitsstand, Nähe, Durchflussrate oder sogar Materialdicke zu messen. Sie werden auch in Ultraschall-Bildverarbeitungssystemen für Roboter oder autonome Fahrzeuge verwendet.

✅ Materialprüfung
Durch Ultraschallprüfungen lassen sich innere Defekte in Metallteilen, Rohren, Betonkonstruktionen oder Verbundbauteilen erkennen, ohne dass eine Demontage erforderlich ist.

✅ Ultraschallschweißen
In der Kunststoff- und Verpackungsindustrie ermöglichen Ultraschallsender das Verschmelzen von Materialien durch lokale Wärmeeinwirkung, die durch hochfrequente Vibrationen erzeugt wird.

✅ Biomedizin
Emitter werden im medizinischen Ultraschall zur Erzeugung innerer Bilder des menschlichen Körpers sowie in therapeutischen Anwendungen eingesetzt.
 

Was macht einen guten Ultraschallsender aus?

Ein hochwertiger Ultraschallsender zeichnet sich aus durch:

• Frequenzstabilität: um Resonanzänderungen zu vermeiden.
• Hohe Effizienz der elektrisch-akustischen Umwandlung.
• Haltbarkeit unter extremen Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien).
• Gute Kompatibilität mit elektronischen Steuerungssystemen.

Bei DCM Ultrasonic werden beispielsweise die Sender, die wir in unsere Reinigungs- und Entschäumungslösungen integrieren, sorgfältig ausgewählt, um kontinuierliche Leistung, Zuverlässigkeit und maximale Energieeffizienz zu gewährleisten.

Der Ultraschallsender ist eine Schlüsselkomponente vieler moderner Technologien. Seine Fähigkeit, elektrische Energie in hochfrequente mechanische Schwingungen umzuwandeln, macht es zu einem vielseitigen, effizienten Werkzeug, das an eine breite Palette von Prozessen angepasst werden kann. Ob in der industriellen Reinigung, der Qualitätskontrolle, der Automatisierung oder der Medizin: Wenn Sie verstehen, wie ein Ultraschallsender funktioniert, können Sie Prozesse optimieren, Ergebnisse verbessern und auf technischer Ebene fundierte Entscheidungen treffen.

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