Påvirkningen av ultralydfrekvens på partikkelstørrelse i forstøvet sprøyting

Ultralyddyser er en type forstøver som bruker en piezoelektrisk transduser til å generere høyfrekvente vibrasjoner ved dysespissen, noe som skaper kapillærbølger i væskefilmen. Når amplituden til disse bølgene når en bestemt topp (bestemt ved hjelp av effektgraden som leveres av generatoren), blir de for høye til å holde seg, og hver bølgespiss frigjør små dråper, og dermed utfører forstøving.

De viktigste elementene som påvirker den innledende målingen av forstøvede dråper er vibrasjonsfrekvens, overflatespenning og væskens viskositet. Vanligvis er frekvensområdet fra 25–180 kHz, som er utenfor hørselsområdet til mennesker. Høyere frekvenser produserer finere forstøvede partikler.

I følge dokumenter er median dråpemåling omvendt proporsjonal med frekvensen; når frekvensen øker, reduseres median dråpedimensjon. Imidlertid har væskens viskositet og tetthet i tillegg en effekt på dråpestørrelsen. Generelt sett har større viskositetseffekter i store dråper, mens større tetthetseffekter i mindre dråper. Videre har parametere som dysedesign, sprøytevinkel, væske og strømningshastighet også en innvirkning på forstøvningskvaliteten.

Beregningsformel

Dråpemåling er avhengig av frekvens og kjemiske egenskaper, i samsvar med den styrende matematiske ligningen: der f er frekvensen til den vibrerende overflaten, σ er væskens underlagstrykk, og ρ er væskens tetthet. Lang beviste senere denne ligningen eksperimentelt og implementerte følgende empiriske ligning.

Median partikkelstørrelse

Hva er medianpartikkelstørrelse? Den numeriske mediandiameteren definerer 50 %-faktoren i dråpestørrelse; det vil si at halvparten av dråpene i sprayen har en diameter som er større enn denne verdien, og den andre halvparten har en diameter som er mindre enn denne verdien.

Dråpefordelingen oppnås ved å dele dråpepopulasjonen inn i et sett med størrelsesområder (kanaler) og beregne andelen dråper som faller innenfor hver kanal. Kanalbredden er valgt til å være 4 mikron. For 60 kHz dysefordelingen vist til høyre, faller 2 % av dråpene innenfor kanalen som dekker området 10–14 mikron, 4,5 % faller innenfor området 14–18 mikron, og så videre.

Fordi dråpediameterene er plottet på en logaritmisk skala, virker kanalbreddene smalere etter hvert som diameteren øker. Hver kanal er imidlertid 4 mikron bred. Toppen representerer median dråpediameter i fordelingen.

Ved ultralydforstøvning bestemmes dråpemålingen via dysens vibrasjonsfrekvens, væskens overflatespenning og dens tetthet. Frekvens er den viktigste faktoren; høyere frekvenser resulterer i mindre median dråpediameter.

Generelt sett følger dråpemålingsfordelingen produsert ved bruk av ultralyddyser en vanlig fordelingskurve. Diagrammet ovenfor antyder den kumulative dråpedimensjonsfordelingen for vann ved unike frekvenser. Flere parametere kan brukes til å beskrive middelverdien og medianen av en presis dråpefordeling. Mediandiameteren er 50 % dråpemålingspunktet, det vil si at halvparten av dråpene har en diameter som er større enn denne verdien, og halvparten har en diameter som er mindre enn denne verdien.

Både tallgjennomsnittsdiameteren og volumgjennomsnittsdiameteren er vanlige diametre. Tallgjennomsnittsdiameteren beregnes ved å summere diametrene til alle dråpene i et sprøytemønster og dele den på antall dråper. Volumgjennomsnittsdiameteren beregnes ved å summere volumene til alle dråpene i et sprøytemønster (volumet er proporsjonalt med kubikk av diameteren), ta kubikroten av denne summen og deretter dele på dråpemengden.