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Principles of Ultrasonic Disruption
ultrasonic powernsupply 는 50/60Hz 의 전기에너지를 20kHz 의 전기에너지로 바꾸어준다.
이 high frequency electrical energy 는 converter 내에 있는 piezoelectric transducer 에 의해 전기적 에너지가
기계적인 진동에너지로 변하게 된다.converter 의 진동에너지는 converter 와 연결되어 있는 probe 에 의해
강화되어 liquid 내에 진동파를 생성시키게 된다.
진동파가 negative pressure 일 때 수백만개의 마이크로 버블 (cavities) 이 생성되는데 진동파가 다시 positive pressure 가
될 때 강력한 이 버블들이 강력하게 파열 (cavitation) 되게 되는데 이 때 엄청난 양의 에너지가 방출되고 이 에너지에 의해
liquid 에 강력한 파쇄현상이 나타나게 된다.
probe tip 이 크면 클수록 처리할 수 있는 용량은 커지나 강도는 줄어들게 된다.
probe tip 의 직경이 작으면 작을 수록
probe tip 에서의 진동에너지의 강도는 커지나 처리용량은 작아지게 된다.
What is power?
Watt 로 표시되는 power 는 probe 를 진동시키는 데 필요한 에너지의 양이다.
What is amplitude?
amplitude 는 주어진 진동에너지에 의해 probe 가 진동하는 거리 (up and down distance, excursion) 를 말하며
마이크로미터 로 표시한다. 설정된 amplitude 가 크면 클수록 liquid 에 전달되는 에너지의 양도 커지게 된다.
probe tip 에서의 amplitude 는 probe 직경과 설정하는 amplitude 에 의해 영향을 받는다.
(amplitude 의 설정은 power supply 의 front panel 에서 설정)
amplitude 를 최고 (100%) 로 설정하게 되면 13mm 직경의 probe 는 114㎛ 의 크기로 진동이 일어나게 되며
50% 로 amplitude 를 설정하면 그 반이 57㎛ 의 크기로 진동이 일어나게 된다.
3mm probe 의 경우 100% amplitude 에서 160㎛, 50% 에서 80㎛ 의 진동크기가 일어난다.
sample 에서 ultrasonic processing 이 효과적으로 일어나기 위해서는 probe tip 에 가해지는 amplitude 는 일정하게
해 주는 것이 필수적이다. 미국 Ultrasonic & Materials 사에서 공급하는 Vibra-CellTM Ultrasonic Processor 는
다른 system 과 달리 liquid 의 조건변화, 즉 pressure, density, viscosity, temperature 와 같은 요인들의 변화가 있어도
항상 일정한 amplitude 를 유지한다.
Why is my unit not delivering full power when the amplitude control is set at 100%?
Ultrasonic Processor 의 자동 amplitude 조절 원리는 자동차에서 속도조절 원리에 비유할 수 있다.
자동차의 속도 조절은 설정된 속도를 항상 일정하게 유지하도록 설계되어있으며 지형이 변하면 필요한 power 의 양도
변하게 된다. 즉 자동차가 오르막길을 오르기 시작하면 자동차의 속도를 유지하기 위해 자동으로 엔진은 더 많은 power 를
발생시키게 된다. 이를 저항의 개념으로 다시 이야기하면, 자동차가 오르막길을 오르기 시작하면 자동차의 운동에 대한
저항이 발생하게 되고 이 저항을 극복하기 위해 자동차는 자동으로 엔진에서 더 많은 양의 power 를 낸다는 것이다.
실험의 재현성을 확보하기 위해 Vibra-Cell Ultrasonic Processor 는 항상 일정한 amplitude 를 나타낼 수 있도록 설계되었다.
probe 의 vibration 이 증가함에 따라 power supply 는 자동적으로 추가적인 power 를 발생시켜 probe 의 운동강도를
일정하게 유지하게 한다. AMPLITUDE 조절은 probe 의 운동 강도를 원하는 정도만큼 일정하게 유지시켜 주게된다.
초음파 분산과정에 필요한 cavitation 정도는 육안에 의한 관찰에 의해서도 쉽게 결정할 수 있지만 필요한 power 양의
결정은 예측할 수 없다. Vibra Cell 의 sensing network 가 필요량을 지속적으로 모니터링하여 amplitude 를 원하는
수준에서 일정하게 유지하게 위해 power supply 에서 발생시키는 power 의 양을 정하게 된다. probe 진동운동에 대한
저항이 증가하면 할수록 더 많은 power 가 probe 로 주어지게 된다.
probe 의 진동운동에 대한 저항이 최고로 증가하면 power supply 는 발생시킬 수 있는 최대의 power 를 생성시키게 된다.
이런 현상은 다음과 같이 설명되어 질 수 있다.
500 또는 750Watt 장비에서 power monitor display 를 관찰하면서 probe 를 나무조각에 대고 살며시 누른다.
나무조각을 누르는 힘을 증가시키면 증가시킬수록 그리고 그 결과에 의한 probe 의 운동에 대한 저항이 커지면 커질수록
power monitor 에 표시되어지는 power 의 수치는 훨씬 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
Determining the amount of energy and power delivered to a sample
power supply 본체에 표시되는 WATT 는 ultrasonic generator 가 probe 의 amplitude 를 일정하게 유지하기 위해
converter 에 전달하는 전기적 에너지의 양이다. 이 WATT 수치는 pressure, viscosity, or density 처럼 probe 의 진동을
방해하는 liquid 내 저항의 변화에 따라 변하게 된다. liquid sample 에 전달되는 energy/power 의 양을 전달하는 방법은
다음과 같다.
1) ultrasonic processor 의 power supply 의 전원을 켠다.
2) amplitude 를 원하는 수치로 설정한다.
3) probe 를 liquid 가 아닌 공기중 상태에 놓고 power monitor 에 표시되는 Watt 의 수치를 기록한다.
4) amplitude 설정 값의 변화없이 probe 를 liquid sample 에 넣고 power monitor 에 표시되는 Watt 수치를 기록한다.
5) 위 3번 수치와 4번 수치의 차이가 sample 에 가해지는 energy/power 의 양이된다.
6) watts/cm2 로 표시되는 Power Density 를 구하기 위해서는 위 5번 값을 probe tip 의 횡단면적값 (ㅠr2) 으로 나누면 된다.
3mm probe 를 예로 들면, 횡단면적값은 3.14 x 0.152 = 0.0707cm2 가 되므로 위 5번값을 0.0707 값으로 나눈 값이
power density 가 된다.
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