BR112021000234A2 - Estrutura da placa de bloqueio para melhorar a eficiência da transmissão acústica - Google Patents

Abstract

estrutura da placa de bloqueio para melhorar a eficiência da transmissão acústica uma estrutura de correspondência acústica é usada para aumentar a potência irradiada de um elemento transdutor com uma impedância maior para um meio acústico circundante com uma impedância acústica menor. a estrutura de correspondência acústica consiste em uma cavidade fina, substancialmente plana, delimitada por duas paredes finais e uma parede lateral. as paredes das extremidades da cavidade são formadas por uma parede de placa de bloqueio e uma parede de elemento transdutor separada por uma curta distância (menos de um quarto do comprimento de onda das ondas acústicas no meio circundante na frequência de operação). as paredes das extremidades e a parede lateral delimitam uma cavidade com diâmetro aproximadamente igual à metade do comprimento de onda das ondas acústicas no meio circundante.

Description

ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA CAMPO TÉCNICO

[01] A presente patente de invenção se refere a estruturas de correspondência acústica em transdutores acústicos para a melhoria da eficiência da transmissão acústica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[02] Os transdutores acústicos convertem uma forma de energia, tipicamente elétrica, em ondas acústicas (de pressão). A proporção de energia que é emitida do transdutor para o meio acústico circundante depende da impedância acústica do meio em relação ao transdutor. Para uma transmissão eficaz, as impedâncias devem estar próximas de iguais. Em muitas aplicações, o meio acústico será ar ou outro meio gasoso, que, tipicamente, tem uma impedância acústica várias ordens de magnitude menor que a do elemento transdutor. Este grande descasamento de impedância leva a uma má transmissão de energia para o meio acústico, limitando a quantidade de energia acústica emitida pelo transdutor. As técnicas para melhorar a eficiência da transmissão envolvem a adição de uma camada correspondente, ou estrutura correspondente, entre o transdutor e o meio acústico.

[03] Muitas aproximações convencionais da camada de correspondência de impedância exigem que as dimensões paralelas à direção de transmissão sejam uma fração significativa de um comprimento de onda acústico. Isto limita sua usabilidade para aplicações que requerem uma solução muito fina ou compacta. Uma desvantagem adicional das camadas convencionais de correspondência de impedância é que os materiais de baixa impedância acústica utilizados podem exigir processos de fabricação complexos.

SUMÁRIO

[04] Esta patente de invenção descreve uma estrutura de correspondência acústica usada para aumentar a eficiência de transmissão de um transdutor acústico ao emitir em um meio que tenha uma impedância acústica significativamente menor do que a do transdutor.

[05] A seguinte terminologia identifica partes do transdutor: o transdutor consiste de uma estrutura de correspondência acústica e um elemento transdutor. A estrutura de correspondência acústica é passiva e é projetada para melhorar a eficiência da transmissão acústica do elemento transdutor para um meio acústico circundante. O elemento transdutor gera uma saída acústica quando acionado com uma entrada elétrica. O mecanismo de transdução pode ser por movimento oscilante, por exemplo, usando um atuador eletromecânico, ou por temperatura oscilante, por exemplo, usando um transdutor eletrotérmico.

[06] Especificamente, uma estrutura de correspondência acústica é usada para aumentar a potência irradiada de um elemento transdutor com uma impedância maior para um meio acústico circundante com uma impedância acústica menor.

[07] A estrutura de correspondência acústica consiste em uma cavidade acústica ressonante delimitada por um elemento transdutor acústico e uma placa de bloqueio. A cavidade acústica ressonante amplifica as oscilações de pressão geradas pelo elemento transdutor e a placa de bloqueio contém uma ou mais aberturas, o que permite que as oscilações de pressão se propaguem da cavidade acústica ressonante para o meio acústico circundante.

[08] Uma incorporação preferencial da estrutura de correspondência acústica consiste em uma cavidade fina, substancialmente plana, delimitada por uma parede de duas extremidades e uma parede lateral. As paredes das extremidades da cavidade são formadas por uma parede de placa de bloqueio e uma parede de elemento transdutor separada por uma curta distância, menos de um quarto do comprimento de onda das ondas acústicas no meio acústico circundante, na frequência de operação do transdutor. As paredes das extremidades e a parede lateral delimitam uma cavidade com diâmetro aproximadamente igual à metade do comprimento de onda das ondas acústicas no meio acústico circundante. Em operação, um elemento transdutor gera oscilações acústicas no fluido da cavidade. O elemento transdutor pode ser um atuador que gera movimento de uma parede final em uma direção perpendicular ao plano da cavidade para excitar oscilações acústicas no fluido da cavidade, e a cavidade causa amplificação ressonante da oscilação de pressão resultante. A parede lateral ou as paredes das extremidades da cavidade contêm pelo menos uma abertura posicionada longe do centro da cavidade para permitir que as ondas de pressão se propaguem para o meio acústico circundante.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[09] As figuras em anexo, onde, assim como os números de referência, referem-se a elementos idênticos ou funcionalmente semelhantes ao longo das visões separadas, juntamente com a descrição detalhada abaixo, são incorporadas e fazem parte da especificação, servem para ilustrar melhor as encarnações de conceitos que incluem a invenção reivindicada e explicar vários princípios e vantagens dessas encarnações.

[010] A figura 1 é um esquema simplificado de um transdutor com uma camada de correspondência acústica simples de um quarto de comprimento de onda.

[011] A figura 2 é um gráfico que mostra a impedância acústica calculada de uma estrutura de correspondência acústica construída a partir de uma placa.

[012] As figuras 3, 4 e 5 são gráficos que mostram a impedância acústica calculada de uma camada fina de filme compatível.

[013] A figura 6 é uma seção transversal de um transdutor incluindo um ressonador Helmholtz.

[014] A figura 7 é um elemento transdutor acoplado a uma estrutura de correspondência acústica, incluindo uma placa de bloqueio que é um exemplo de incorporação da invenção.

[015] A figura 8 é um elemento transdutor acoplado a uma estrutura de correspondência acústica que gera o modo ressonante acústico desejado e que inclui uma placa de bloqueio com aberturas anulares.

[016] A figura 9 é um elemento transdutor acoplado a uma estrutura de correspondência acústica que gera o modo ressonante desejado, que inclui uma placa de bloqueio com aberturas não-anulares.

[017] A figura 10 é um elemento transdutor acoplado a uma estrutura de correspondência acústica que gera o modo ressonante desejado que inclui uma placa de bloqueio com uma distribuição radial de aberturas.

[018] A figura 11 é um gráfico que mostra as medidas de pressão no eixo com e sem uma estrutura de correspondência acústica.

[019] A figura 12 é um gráfico mostrando a potência radiada calculada usando uma simulação com e sem uma estrutura de correspondência acústica.

[020] A Figura 13 é um gráfico que mostra a distribuição de pressão em modo radial em uma simulação aximétrica de um transdutor incluindo uma estrutura de correspondência acústica apropriada a esta estrutura de transdutor.

[021] A figura 14A é uma seção transversal do transdutor incluindo um atuador piezoelétrico de flexão acoplado a uma estrutura de correspondência acústica apropriada a este atuador.

[022] A Figura 14B mostra a dependência radial da oscilação da pressão dentro da cavidade acústica ressonante.

[023] A Figura 14C mostra a dependência radial da velocidade do atuador do modo de dobra.

[024] A figura 15 é um gráfico mostrando a potência irradiada em uma simulação detalhando as dependências dos parâmetros das aberturas na encarnação.

[025] A figura 16 é um gráfico mostrando a potência irradiada em uma simulação com resposta de frequência quando a altura da cavidade, hcavidade na encarnação é variada.

[026] As figuras 17A e 17B são uma seção transversal de um transdutor que inclui uma cavidade tubular com paredes laterais cilíndricas.

[027] A Figura 17C mostra como a amplitude das oscilações de pressão em uma cavidade varia ao longo do eixo longitudinal.

[028] Figuras 18A é uma seção transversal de um transdutor incluindo uma cavidade acústica acionada por um modo de ressonância acústica de ordem mais alta.

[029] A figura 18B é um gráfico que mostra como a fase de oscilações de pressão varia ao longo de três eixos paralelos.

[030] A Figura 18C mostra a fase de oscilações de pressão.

[031] A Figura 18D mostra o perfil de velocidade de um atuador.

[032] As Figuras 19A, 19B e 19C mostram cortes transversais de um transdutor com cavidade acústica ressonante e placa de bloqueio combinada com uma fina camada de película compatível.

[033] As figuras 20A, 20B e 20C mostram cortes transversais de um transdutor incluindo uma cavidade acústica e uma placa de bloqueio combinada com uma placa com uma variedade de furos.

[034] A figura 21 mostra vários transdutores combinados com filme fino e placa com furos que combinam com estruturas de camadas.

[035] Aqueles habilidosos na arte apreciarão que os elementos das figuras são ilustrados por simplicidade e clareza e não foram necessariamente atraídos à escala. Por exemplo, as dimensões de alguns dos elementos das figuras podem ser exageradas em relação a outros elementos para ajudar a melhorar a compreensão das encarnações da presente invenção.

[036] Os componentes do aparelho e do método foram representados, quando apropriado, por símbolos convencionais nos desenhos, mostrando apenas aqueles detalhes específicos que são pertinentes para compreender as encarnações da presente invenção, a fim de não obscurecer a divulgação com detalhes que serão prontamente aparentes àqueles de habilidade comum na arte, tendo o benefício da descrição aqui apresentada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[037] I. CAMADAS ACÚSTICAS CORRESPONDENTES

[038] Nesta descrição, um elemento transdutor se refere diretamente à parte da estrutura que converte energia em energia acústica. Um atuador se refere à porção da estrutura sólida que contém a energia cinética antes de transferi-la para o meio.

[039] A impedância acústica específica de um gás ou material é definida como a relação entre a pressão acústica e a velocidade da partícula associada a essa pressão, conforme Equação 1:

[040] Equação 1: =

[041] Isto se aplica aos campos acústicos arbitrários. Para simplificar esta discussão, é muito útil considerar a solução de onda plana para o acima exposto. Isto reduz a equação a quantidades escalares, conforme Equação 2.

[042] Equação 2: =

[043] para uma onda que se propaga na mesma direção que a velocidade da partícula, e onde é a densidade e c é a velocidade do som do meio. A importância desta quantidade é destacada quando se considera a reflexão e transmissão a partir de uma interface entre dois meios acústicos com impedância acústica diferente. Quando uma onda plana é incidente em um limite médio viajando a partir de material com impedância acústica específica z1 para z2, a intensidade normalizada de reflexão (R) e de transmissão (T) é,

[044] = , =( )

[045] Isto mostra que quando a impedância das duas mídias tem valores substancialmente diferentes, a intensidade refletida é muito maior do que a intensidade transmitida. Este é o caso da maioria dos atuadores acústicos acoplados a gás, onde o atuador é composto de material sólido, a granel, com impedância acústica na ordem de

≈ 10 kg∙m-2 ∙s -1 e, por exemplo, o ar ao nível do mar e a 20oC e $ ≈ 400 kg∙m-2 ∙s -1 . Isto resulta em uma diminuição da eficiência e do rendimento.

[046] A impedância acústica de um atuador piezoelétrico de flexão ressonante foi analisada para um atuador de 40kHz (Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, Julho 2002) dando ≈ 2 × 10 kg∙m-2 ∙s -1 . Embora este atuador de flexão ressonante tenha uma impedância acústica muito menor do que os materiais a granel a partir dos quais é construído (PZT e alumínio), permanece uma diferença substancial entre a impedância do atuador e a impedância do ar, diminuindo a eficiência e a saída acústica.

[047] Uma solução para este problema é adicionar uma camada de correspondência acústica com uma impedância Z2 que serve de intermediário entre o atuador de maior impedância e o meio de fase gasosa a granel de menor impedância.

[048] Uma camada de correspondência acústica ou outra estrutura de correspondência acústica é necessária para ser inserida no caminho de transferência de energia acústica do atuador para o meio e é projetada para ter uma impedância acústica que esteja o mais próximo possível da impedância da estrutura de correspondência ideal, ou seja, a média geométrica das impedâncias acústicas da fonte e do destino, que em algumas encarnações pode ser um atuador de maior impedância e o ar a granel de menor impedância ou outro meio acústico. O efeito da camada intermediária de correspondência de impedância é que a transferência de energia da região de impedância mais alta para a camada de correspondência e depois da camada de correspondência para a região de impedância mais baixa é mais eficiente do que a transferência de energia mais direta das regiões de impedância mais alta para as mais baixas.

[049] Também pode haver uma pluralidade de camadas correspondentes que formam uma cadeia que é mais eficiente quando os logaritmos das impedâncias acústicas dos pontos terminais e cada camada correspondente formam uma cadeia cujos valores são progressivos e substancialmente igualmente espaçados.

[050] No caso de uma camada de correspondência de um único material adicionado à superfície de um elemento transdutor, há duas propriedades-chave que devem ser selecionadas e equilibradas:

[051] 1. A impedância acústica da camada, Z2, impedância da região da fonte acústica deve ser aproximadamente igual à média geométrica da impedância da região da fonte acústica, que em algumas encarnações pode consistir em um elemento de fonte piezoelétrica (Z1) e a impedância do meio (Z3).

[052] 2. A espessura da camada de material a granel deve ser aproximadamente igual a um quarto do comprimento de onda das ondas de pressão longitudinal no material da camada correspondente na frequência de operação (frequência das oscilações de pressão).

[053] Estas duas propriedades devem ser ajustadas e combinadas, já que a espessura da camada de qualquer material também afeta a impedância acústica. Pode-se ver que haverá apenas uma seleção limitada de materiais adequados, e para algumas faixas de frequência esta seleção limitada pode ser pequena.

[054] A figura 1 mostra um esquema 100 de um transdutor que inclui uma camada de correspondência convencional. Uma camada intermediária 130 (com uma impedância acústica intermediária) serve como a camada correspondente que é adicionada entre o atuador 140 e o meio acústico 110 (como o ar). A espessura 120 da camada intermediária 130 é aproximadamente igual a um quarto do comprimento de onda das ondas de pressão longitudinais na camada correspondente na frequência de operação quando a camada correspondente é considerada como um material a granel.

[055] A figura 2 é um gráfico 200 mostrando a impedância acústica calculada 210 de uma estrutura de correspondência acústica construída a partir de uma placa de espessura t 220 contendo uma matriz de furos, como descrito na arte anterior (Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, julho de 2002). A variação da impedância acústica com a espessura da placa é calculada no ar para frequências de 30kHz, 40kHz e 50kHz (250, 240, 230), mostrando máximos de impedância quando a espessura da placa é igual a 1/4 do comprimento de onda acústica do ar.

[056] As Figuras 3, 4 e 5 são gráficos 300, 400, 500 mostrando a impedância acústica calculada de uma camada fina de película compatível, conforme descrito na arte anterior referida no parágrafo anterior. Na figura 3, a impedância acústica 310 é plotada contra a frequência 320 para o caso de uma camada de 15m de filme de polietileno espesso espaçado de um elemento transdutor por uma caixa de ar com espessura de 0,1mm a 0,5mm (370, 360, 350, 340, 330). Na figura 4, a impedância acústica 410 é plotada contra a frequência 420 para uma faixa de valores de espessura de película de 5m a 45m (470, 460, 450, 440, 430), com o filme separado por uma câmara de ar de 0,2mm de um elemento transdutor. Na figura 5, a impedância acústica 510 é plotada contra a separação entre o filme e o elemento transdutor 520 para uma espessura de filme de 25m. A combinação de película fina e caixa de ar fina cria uma alta impedância acústica 530 quando a caixa é de aproximadamente 20-22m.

[057] A figura 6 é uma seção transversal de um transdutor incluindo um ressonador Helmholtz. O ressonador Helmholz 600 tem uma cavidade 640 com dimensões substancialmente menores que ¼ do comprimento de onda acústico e pressão espacialmente uniforme, e uma abertura 650 tipicamente localizada no centro da cavidade 640. A cavidade é delimitada pelas paredes 610a, 610b, 620a, 620b.

[058] Como exemplo, a impedância acústica de uma camada correspondente para um modo de espessura, atuador piezoelétrico operando no ar, pode ser computada. A impedância acústica necessária nesta situação é de aproximadamente 100.000. O cálculo prossegue tomando logaritmos de cada uma das impedâncias dos elementos adjacentes, que são encontrados em aproximadamente 7,5 para o elemento transdutor piezoelétrico (Z1) e aproximadamente 2,5 para o ar a granel (Z3) à temperatura e pressão esperadas. Então, para cada camada correspondente, a média dos logaritmos das impedâncias das regiões adjacentes pode ser usada para determinar o logaritmo da impedância necessária para a camada correspondente.

[059] A tabela 1 mostra a impedância acústica do ar e PZT-5A (um material piezoelétrico), e a impedância acústica ideal de uma camada correspondente para um atuador piezoelétrico de modo de espessura .( .( operando no ar é = 5 juntamente com os logaritmos de cada uma das impedâncias.

[060] Tabela 1: Material Impedância Logaritmo de acústica impedância PZT 5A 34,000,000 7.53

Ar (1 atm, 20˚C) 400 2.60 Camada de 100,000 5.00 correspondência ideal

[061] As impedâncias acústicas necessárias para uma camada de correspondência ideal para preencher esta grande lacuna nas impedâncias acústicas devem, portanto, ser compostas de um material sólido com uma velocidade de som muito baixa e baixa densidade. A baixa velocidade do som é preferível a fim de reduzir o tamanho ou o volume do material necessário para fazer uma camada de correspondência que se ajuste ao critério de um quarto de comprimento de onda. A baixa densidade é necessária para que o material tenha uma impedância acústica adequada a uma camada correspondente. Mas em geral, os materiais adequados não ocorrem naturalmente. Eles devem ser frequentemente construídos com processos de fabricação especiais que tendem a ser complexos e difíceis de controlar, levando a propriedades acústicas variáveis e desempenho variável como uma camada de correspondência. Para exemplos de tais materiais adequados construídos, as camadas correspondentes usando microesferas de vidro e resina são descritas na Patente US4523122 e uma camada correspondente usando um material de gel seco é descrita na Patente US6989625. Uma camada de correspondência ideal para um típico atuador piezoelétrico de flexão ressonante teria uma impedância acústica ainda menor e seria mais difícil de construir.

[062] Uma outra questão problemática com as camadas de baixa densidade e baixa velocidade de som dos materiais adequados é a limitação da espessura imposta pela exigência de um quarto de comprimento de onda. Quanto menor a frequência primária de operação do elemento transdutor, mais longo deve ser o comprimento de onda e mais espessa deve ser a camada correspondente. Por exemplo, o comprimento de onda a 40 kHz no ar à pressão e temperatura ambiente é de 8,58 mm. Portanto, supondo que o material tenha uma velocidade de som semelhante à do ar - o que em si seria difícil de alcançar, pois exigiria um material de alta densidade, mas de baixa rigidez, o que provavelmente exigiria um processo especializado para criar - uma camada de correspondência ideal teria uma espessura próxima a 2,14 mm. Em aplicações de espessura limitada, isto pode ser grande demais para ser viável, seja comercialmente ou para a aplicação particular de interesse. Camadas correspondentes feitas de um material com uma velocidade de som superior à do ar precisariam ser mais espessas do que esta de 2,14 mm.

[063] Esta invenção propõe o uso de uma cavidade acústica ressonante ventilada formada pela colocação de uma placa de bloqueio no caminho da transferência de energia acústica de um elemento transdutor para um meio acústico para alcançar uma impedância acústica intermediária, ou seja, uma impedância acústica menor que a do elemento transdutor e uma impedância acústica maior que a do meio acústico circundante. A impedância acústica intermediária aumenta a eficiência da transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio acústico, e é fornecida através da produção de um modo acústico ressonante controlado em uma cavidade acústica no caminho da transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio acústico. A cavidade acústica que restringe o meio acústico de uma forma que dá origem a um modo acústico ressonante no meio acústico que pode ser excitado pelo elemento transdutor. A placa de bloqueio que forma uma face da cavidade acústica contém aberturas que permitem que a energia acústica seja transmitida da cavidade acústica para o meio acústico.

[064] A impedância acústica efetiva da estrutura de correspondência acústica pode ser determinada a partir da definição de impedância acústica, Z = p/u, ou seja, a relação entre a pressão acústica e a velocidade da partícula. Em operação, o atuador cria um campo de velocidade limite no meio acústico e está situado em um lado da placa de bloqueio que é colocada intencionalmente no caminho da transferência de energia. O atuador e a placa de bloqueio formam uma cavidade acústica substancialmente delimitada pelo atuador e pela placa de bloqueio. O atuador aciona uma onda acústica da superfície do atuador para a cavidade acústica. Como o atuador continua a oscilar com amplitude e frequência de deslocamento substancialmente constantes, as oscilações acústicas ressonantes na cavidade são excitadas e se acumulam em amplitude. O aumento ressonante da pressão acústica resultante da amplitude da velocidade de oscilação do atuador substancialmente constante indica um aumento na impedância acústica efetiva da cavidade acústica em relação ao meio acústico a granel por um fator de Qcavidade, onde Qcavidade é o fator de qualidade da ressonância acústica da cavidade.

[065] Na estrutura projetada para produzir tal modo acústico ressonante, as dimensões também podem ser dispostas e redimensionadas de modo que o espaçamento próximo da placa de bloqueio e do atuador aumenta a impedância acústica efetiva do meio acústico, confinando o fluido a uma camada fina e limitando o movimento do fluido a ser substancialmente paralelo à face do atuador. No caso de uma cavidade cilíndrica plana, a velocidade e pressão do fluido são aumentadas por um fator: fgeom = rcavidade /(2 hcavidade), onde rcavidade é o raio da cavidade e hcavidade é a altura da cavidade, ou seja, a separação do atuador e da placa de bloqueio, e a impedância acústica efetiva do meio é aumentada pelo mesmo fator fgeom. De preferência, rcavidade > 5 hcavidade de modo que fgeom > 2,5, e mais de preferência, rcavidade > 10 hcavidade de modo que fgeom > 5. A impedância acústica do fluido na cavidade é aumentada em relação ao meio acústico a granel por um fator: Qcavidade × fgeom, o produto do fator de qualidade da cavidade ressonante e o fator de amplificação geométrica. Desta forma, a cavidade acústica atua como uma camada de correspondência acústica com impedância acústica maior que o meio acústico a granel e menor que o atuador.

[066] É útil considerar a altura mínima da cavidade que pode suportar uma ressonância acústica. A fim de estabelecer uma ressonância acústica na cavidade sem perdas viscosas excessivas, é requerido que ℎ+,-./,/0 > 2, onde δ é a espessura da camada limite viscosa.

[067] Para uma cavidade cilíndrica com cavidade de raio rcavidade contendo um fluido com velocidade de som c, com um nó de pressão em seu perímetro, o primeiro modo acústico radial tem uma distribuição de pressão seguindo uma função de Bessel, conforme equação 3: 89 :

[068] Equação 3: 3(4) = 56 7: A ; C6 ≈ 2.4 ;<=>?@

[069] e a frequência da ressonância acústica do primeiro sinal radial, f0, é definida pela Equação 4: 89 +

[070] Equação 4: D6 = E:;<=>?@ F;<=>?@ G H

[071] Podemos derivar a condição > = . Para a :;<=>?@ :;<=>?@ 89 + F;<=>?@ operação no ar a 20°C, tem-se > 3.7 × 10 K m. Para gases com :;<=>?@

menor viscosidade cinemática e maior velocidade do som, este valor pode ser menor, tão baixo quanto 1 × 10 K m.

[072] Entretanto, uma pequena altura da cavidade é benéfica, pois a separação estreita do atuador e da placa de bloqueio limita o meio acústico e resulta em um aumento da velocidade radial do meio acústico na cavidade para uma determinada velocidade de acionamento do atuador, com um fator de amplificação geométrica fgeom = rcavidade/(2 hcavidade) como descrito acima. A altura ótima da cavidade resulta de uma troca entre a maximização do fator de amplificação geométrica e a maximização do fator de qualidade da cavidade, minimizando as perdas viscosas nas camadas limite.

[073] Entretanto, como o objetivo é transferir a energia para o meio, uma abertura é necessária para permitir a fuga de ondas acústicas da estrutura. É útil para equilibrar as restrições de manutenção e conservação da perturbação acústica apropriada, onde uma abertura menor na nova estrutura de correspondência é benéfica, o que a exigência de que a perturbação maior seja transmitida adiante para o meio acústico, onde uma abertura maior na nova estrutura de correspondência é benéfica. Pelo menos alguma abertura, que pode compreender uma ou muitas seções discretas, deve ser adicionada para que uma parte da saída acústica gerada pelo transdutor possa escapar em cada ciclo para o meio a granel.

[074] Nessas modalidades, o termo "meio acústico" se refere ao meio dentro da cavidade através do qual as ondas acústicas viajam. O "meio a granel" se refere ao meio acústico que existe fora da cavidade. O meio pode ser líquido, como água, ou gás, como ar ou qualquer outro meio que seja distinto do material de construção da invenção. Qualquer meio que suporte ondas acústicas pode ser referido como "fluido" para os propósitos desta discussão.

[075] O processo de projetar a estrutura que deve criar um modo ressonante adequado no meio acústico pode ser ilustrado com um problema de valor limite simplificado. Uma estrutura simples pode incorporar as propriedades descritas acima na forma de uma cavidade acústica que consiste em um volume do meio acústico que, neste exemplo, foi restringido por uma estrutura circundante de paredes laterais. A estrutura do modo de freqüência ressonante pode ser determinada encontrando soluções para a equação de Helmholtz

[076] Equação 5: ∇ 3 + C 3 = 0

[077] onde 3 = N(O)exp(PQR) e 3 = 6 , com condições de contorno adequadas. Nestas equações N(O) é o desvio do pico de pressão da pressão ambiente (uma função espacialmente variável do vetor de deslocamento r O = ST, U, VW em coordenadas cartesianas ou função do vetor de deslocamento r = [r, θ, z] em coordenadas cilíndricas a partir da origem da cavidade, 3 é a complexa e valorizada pressão acústica, 6 é a velocidade do som no meio ambiente, é o desvio da densidade de primeira ordem da densidade ambiente (onde a densidade é o desvio adicionado à densidade ambiente 6, onde = 6 + ), Q é a frequência angular acústica, t é o tempo, j é √−1, e k é o número de ondulação. Pode-se apreciar imediatamente que a pressão acústica, p, pode estar relacionada com a densidade, , e, portanto, a impedância acústica, como discutido anteriormente.

[078] Como exemplo usando coordenadas cilíndricas, adequadas para uma cavidade cilíndrica, podemos considerar uma cavidade com acavidade de raio e altura hcavidade. O domínio de interesse é descrito por 0

≤ r ≤ acavidade, 0 ≤ ≤ 2,0 ≤ z ≤ hcavidade. A separação das variáveis permite uma solução analítica de forma:

[079] Equação 6: Plmn = Almn J0(krl r) cos(kθm θ) cos(kzn z) ej ωlmn t,

[080] Onde J0 é a ordem zeroth da função Bessel do primeiro tipo, com o número ondulado radial krl tendo valores dados por zeros da função Bessel divididos pelo raio da cavidade, km tendo valores inteiros (km = m) e kzn tendo valores dados por kzn = 2 n/hcavidade. Os três primeiros valores de krl são dados por: kr0 = 2,404/acavidade, kr0 = 5,201/acavidade, kr0 = 8,6537/acavidade. Note que Plmn = 0 a r = acavidade nesta descrição analítica, correspondendo a uma condição de limite de pressão zero. Na prática, esta descrição analítica não é totalmente precisa, e a condição de limite será misturada (nem pressão zero nem deslocamento zero) devido à presença de aberturas próximas a r =acavidade. Entretanto, Plmn será pequeno em r = acavidade comparado com seu valor em r=0, como mostram os resultados de uma simulação numérica mostrados na Figura 13.

[081] Como exemplo usando coordenadas cartesianas, podemos trabalhar através da determinação da estrutura do modo para o volume médio contido dentro de uma cavidade retangular com paredes rígidas, a origem colocada em um canto da caixa, com os eixos orientados de tal forma que o domínio de interesse é descrito por T ≥ 0, U ≥ 0 and V ≥ 0. A separação das variáveis permite então uma solução analítica de forma:

[082] Equação 7: 3[\] = ^[\] cos(Ca[ T) cosbCc\ Ud cos(C ] V) e fghij k ,

[083] Onde os números Ca[ , Cc\ and C ] dada pelas dimensões físicas da cavidade la , lc , e l respectivamente como:

E E E

[084] Ca[ = m , Cc\ = p ,C ] =q , no n@ nr

[085] onde m , p e q pode ser substituída por qualquer combinação única de inteiros para descrever cada modo ressonante da cavidade.

[086] A frequência angular que gera o modo é então dada por,

[087] Equação 8: Q[\] = 6 sCa[ + Cc\ + C ]

[088] A amplitude da onda (^[\] ) escalas com entrada, mas nesta análise não tem efeito sobre a frequência da modalidade.

[089] Vamos examinar o caso específico da modalidade m = 2, p = 2 e q = 0 onde la = lc = l. Aqui a frequência angular é dada por Q = √ +9 E . A pressão acústica dentro da cavidade é dada por: n t √ ;9 u? Ea Ec

[090] Equação 9: 3 = ^ cos cos e v n n n

[091] sem dependência de z. O centro inferior da cavidade (T = , U = n ), é um antinodo de pressão acústica e experimenta a mesma pressão de pico das paredes que pode ser muito maior do que a pressão ambiente. Um atuador colocado neste local recebe o benefício de trabalhar contra uma pressão mais alta para um determinado deslocamento. A falta de z -dependência neste exemplo significa que esta cavidade atinge este modo, mesmo se Lz é muito pequena.

[092] A presença de aberturas causa uma condição de fronteira mista, o que complica a solução. Além disso, as perdas e a propagação de energia do elemento transdutor para o meio acústico externo levam a um componente de onda móvel na onda acústica. O resultado é que não há locais perfeitamente nodais, mas há locais de amplitude mínima de oscilação de pressão.

[093] As aberturas que permitem a propagação da energia acústica da cavidade para o meio acústico circundante estão localizadas em áreas de menor amplitude de oscilação de pressão, e os elementos transdutores estão localizados em áreas de maior amplitude de oscilação de pressão.

[094] A descrição acima descreve o caso idealizado de um modo acústico em uma caixa fechada e rígida. Na prática, a amplitude de oscilação da pressão seria reduzida próximo a aberturas que permitem a propagação de ondas de pressão da cavidade para o meio acústico externo.

[095] Há um mínimo necessário l relacionado à profundidade de

H penetração viscosa, 2 ≈ s , onde é a viscosidade cinemática do Ew meio. Significativamente menor que este valor resultará na perda de energia para o calor através dos efeitos da camada limite termo viscosa nas paredes. A vantagem clara desta solução sobre uma camada de correspondência típica é que ela pode ser muito menor em espessura x do que (onde y é o comprimento de onda) porque este utiliza um modo que não está em paralelo com o caminho da transferência de energia acústica para influenciar a transferência da energia acústica.

[096] Não precisa, porém, ser pequeno em z como neste exemplo. Se desejado, uma cavidade alta e fina pode ser projetada com um antinodo de alta pressão que ocorre próximo ao atuador. Isto pode ser benéfico em aplicações nas quais a compactação de um número maior de transdutores em uma pequena área de superfície é necessária, mas em vez disso as restrições de espessura são relaxadas. Por exemplo, tome a forma m = 0, p = 0 e q = 1 do meio acústico como antes, onde neste +9 E caso l = l. Aqui a frequência angular é dada por Q = e a pressão n t;9 u?

E acústica é dada por 3 = ^ cos e v que, neste exemplo, só n depende de V. Usando um atuador longo na forma de uma faixa que se afasta da abertura e se dobra com deslocamento máximo no local oposto em z é vantajoso aqui. Isto porque o antinodo de alta pressão e, portanto, a impedância acústica instantânea mais adequada deve ocorrer neste exemplo no ponto mais distante em que z=L.

[097] Outros exemplos podem ser construídos, especialmente nos casos em que há pelo menos uma dimensão que não tem requisitos de limitação de comprimento, como mostrado na Figura 17 e na Figura 18.

[098] Para alcançar uma pressão acústica ainda maior, pode ser razoável construir uma cavidade na qual a forma do modo seja definida por m = 0 , p = 0 and q = 3 . Neste caso, há dois antinodos presentes ao longo do comprimento da cavidade acústica. Ao contrário dos exemplos acima, estes antinodos estão fora de fase e trocam a cada meio período do modo de onda progressiva presente na cavidade. Ao entrar em ambos os antinodos em seus respectivos pontos de alta pressão no ciclo, com dois transdutores transferindo energia com cada radiano fora de fase, pressões mais elevadas e, portanto, impedâncias acústicas ainda maiores podem ser geradas, o que levaria a uma transferência de energia mais eficiente para o meio acústico. Em outra encarnação, um único atuador poderia estar situado de tal forma que durante uma fase de seu movimento aplicasse deslocamento em um antinodo da estrutura e durante a fase oposta excitasse o movimento no outro antinodo. Isto poderia ser realizado através do acoplamento mecânico a uma superfície flexível no segundo antinodo local. Alternativamente, uma pequena bolsa de gás poderia proporcionar o acoplamento a uma superfície flexível. Em outro arranjo, o atuador poderia ser projetado para operar em um modo em forma de "S´" onde metade está se movendo para dentro da estrutura e metade está se movendo para fora durante uma polaridade de acionamento que se inverte na outra polaridade. Isto seria então combinado com uma estrutura contendo antinodo fora de fase nas superfícies de deslocamento máximo.

[099] As cavidades de exemplo descritas nos dois parágrafos anteriores descrevem encarnações tubulares da invenção com uma dimensão primária que se estende por mais tempo do que as outras duas. Uma vantagem deste arranjo é que a cavidade não precisa se estender diretamente normal ao elemento transdutor, mas pode curvar se necessário. Isto age como um guia de onda para direcionar e direcionar a onda acústica enquanto ainda desenvolve a estrutura do modo necessário para ser uma camada de correspondência eficaz. A seção transversal efetiva da cavidade que ajuda a manter o modo acústico seguirá a frente da onda acústica através da cavidade. Uma estimativa do caminho do modo cavidade pode ser feita conectando uma linha imaginária do centro do elemento transdutor ao centro da placa de bloqueio através da cavidade enquanto maximiza a distância média em qualquer ponto da linha até as paredes laterais. Tomando seções transversais usando esta linha como uma normal pode estimar adequadamente a estrutura do modo. Dobrar e alterar a seção transversal da cavidade pode, por exemplo, permitir a contração do espaçamento efetivo em um arranjo de matriz. Isto poderia ser feito arranjando uma rede de cavidades correspondentes a partir de uma matriz de transdutores com um determinado passo e reduzindo e enviesando o lado oposto da placa de bloqueio da cavidade de modo que o passo seja mais estreito no lado da abertura. Esta encarnação também poderia ser usada para mudar o arranjo efetivo da matriz, por exemplo, de uma embalagem retilínea para uma embalagem hexagonal.

[0100] Uma outra variação sobre este tema pode ser considerada se o transdutor for necessário para ter uma maior variabilidade de frequência. Se houver dois eixos em que os números dos modos zm, p, q{ são não zero (coo no modo do primeiro exemplo m = 2, p = 2, q = 0 ), então Q para cada eixo não zero pode ser efetivamente perturbado para mudar o pico do modo ressonante para frequências diferentes quando cada eixo é considerado como um sistema ressonante separado. Uma encarnação desta perturbação Q pode ser realizada modificando a cavidade interna geométrica de um prisma quadrado para um prisma retangular, onde o desvio de um prisma quadrado é indicativo da separação dos dois picos ressonantes. Quando estes picos estão próximos um do outro, eles podem ser considerados como um pico de fato único (mas potencialmente mais amplo). Quando estes desvios ω, tem o efeito de ampliar o pico ressonante da saída, permitindo que tolerâncias de fabricação reduzidas sejam utilizadas ou permitindo que a frequência acionada varie da frequência ressonante sem sofrer perda acentuada da saída. Esta resposta mais ampla é à custa da redução da produção no pico de frequência.

[0101] Uma análise semelhante pode ser feita para uma estrutura ou cavidade de forma arbitrária. Algumas, como uma cavidade cilíndrica, podem ser resolvidas analiticamente de forma semelhante aos exemplos anteriores, enquanto outras precisarão da ajuda de simulações numéricas como a análise de elementos finitos para prever onde, quando e como se formarão os antinodos de alta pressão apropriados. O objetivo do projeto é ter um modo acústico que produza uma distribuição de pressão que imite espacialmente o deslocamento do atuador montado na estrutura do transdutor acústico na frequência desejada de oscilação.

[0102] Se uma cavidade fechada for projetada para segurar e manter o modo ressonante no lugar, o ideal seria adicionar aberturas à superfície da cavidade ressonante para permitir que uma parte do campo acústico da cavidade escape para o meio a granel em cada ciclo. A forma exata e a colocação das aberturas não se prestam a uma análise analítica de forma fechada. Em geral, o tamanho deve ser mantido pequeno comparado com as dimensões maiores do modo na cavidade para que não perturbem substancialmente o modo da cavidade; aberturas que são muito grandes causarão uma perda significativa da pressão acústica na cavidade e farão com que o efeito de impedância desejado diminua. Entretanto, uma pressão acústica muito pequena e insuficiente escapará por ciclo, reduzindo assim a eficácia da cavidade como uma camada correspondente. Uma forma de abertura que corresponda substancialmente a uma porção equipásica da forma do modo acústico também ajudará a evitar uma perturbação significativa da forma do modo. Alguns exemplos de aberturas são apresentados nas Figuras 8, 9 e 10. Os resultados da simulação de várias formas de aberturas serão discutidos abaixo.

[0103] II. ESTRUTURAS DE BLOQUEIO DE PLACAS

CORRESPONDENTES

[0104] A. Projeto da Estrutura da Placa de Bloqueio

[0105] A figura 7 mostra um esquema 700 de um transdutor acoplado a uma placa de bloqueio em seção transversal, que serve para ilustrar uma encarnação da invenção. Uma estrutura de placa de bloqueio inclui uma placa de bloqueio 770 com uma parede lateral 780 e abertura(s)

797. Esta está situada a uma distância de um elemento transdutor acústico 785 com uma estrutura circundante 790. A placa de travamento está espaçada a uma distância, 730, na direção da propagação, longe da face frontal do elemento transdutor, onde 730 é menos de um quarto do comprimento de onda das ondas acústicas no meio circundante na frequência de operação. A superfície inferior da placa de bloqueio 770 (ou seja, no lado do elemento transdutor) forma uma superfície de uma cavidade acústica fina e plana, com a extensão espacial da cavidade formada pela face de propagação do elemento transdutor 765, a placa de bloqueio 755, e as paredes laterais 790. O funcionamento do elemento transdutor excita uma ressonância acústica substancialmente radial na cavidade 795, viajando paralelamente à placa de bloqueio, o que aumenta a pressão experimentada pela face frontal do elemento transdutor durante a fase de compressão de seu funcionamento, já que esta pressão aqui é substancialmente a soma da pressão ambiente e a perturbação de pressão máxima devido ao modo ressonante. (O radial é definido aqui como sendo uma direção perpendicular à direção de propagação). A cavidade 795 tem uma ou mais aberturas 797 posicionadas na superfície externa voltada para o meio a granel, longe de sua linha de centro, para permitir que ondas de pressão acústica se propaguem para o meio circundante. A(s) abertura(s) 797 é(são) formada(s) pela abertura entre a placa de bloqueio 770 e a parede lateral 780. Os valores nominais dos parâmetros para 20kHz, 65 kHz e 200kHz incorporados do transdutor mostrados na Figura 7 são apresentados na Tabela 2.

[0106] Tabela 2: Exemplo dimensões do transdutor (mm) 20 kHz 65 kHz 200kHz Ratuador 740 7.50 2.50 0.80

Rcavidade 750 7.50 2.50 0.80 Wsaída 760 2.00 0.80 0.20 Wdeslocamento 710 0.00 0.00 0.00 hcavidade 730 0.25 0.20 0.10 hbloqueio 720 0.25 0.20 0.10

[0107] A estrutura da placa de bloqueio forma uma cavidade 795 posicionada imediatamente ao lado da face atuante do conjunto do elemento transdutor acústico, que representa a superfície de transferência primária para mover a energia cinética para o meio acústico. A frequência ressonante acústica desta cavidade nesta encarnação é escolhida para corresponder ao modo substancialmente radial para aumentar a potência irradiada pelo transdutor para o meio de propagação. Isto é possível porque a pequena cavidade 795 entre o elemento transdutor e a placa frontal de bloqueio da Figura 7 aumenta a amplitude da oscilação de pressão gerada dentro dessa cavidade 795 pelo movimento do transdutor. Isto melhora o acoplamento (e, portanto, a eficiência da transferência de potência) entre o transdutor de impedância acústica mais alta e o meio de impedância acústica mais baixo limitado dentro da estrutura (que é tipicamente o mesmo que o meio de propagação). Esta potência acústica se propaga para o meio circundante através de uma ou mais aberturas (s) 797.

[0108] Os exemplos de abertura são mostrados nas Figuras 8, 9 e 10.

[0109] A figura 8 mostra um esquema 800 com um elemento transdutor 810 acoplado a uma estrutura acústica cuja superfície superior 820 tem aberturas em forma de anel 830.

[0110] A figura 9 mostra um esquema 900 com um elemento transdutor 910 acoplado a uma estrutura acústica cuja superfície superior 920 tem aberturas não anulares 930.

[0111] A figura 10 mostra um esquema 1000 com um elemento transdutor 1010 acoplado a uma estrutura acústica cuja superfície superior 1020 tem aberturas circulares 1030 posicionadas em um passo circular.

[0112] As Figuras 11 e 12 demonstram com dados experimentais e simulação numérica respectivamente que, em uma determinada faixa de frequência, tanto a pressão acústica no eixo como a potência acústica irradiada neste la ≈ lc ≫ l} são maiores com o uso da estrutura da placa de bloqueio que encarna a invenção do que sem ela. A figura 11 mostra um gráfico 1100 da pressão acústica medida no eixo com e sem a invenção encarnada. O eixo x 1120 é a frequência em Hz. O eixo y 1110 é a pressão acústica no eixo a 30 cm em Pa. O gráfico mostra a pressão acústica no eixo medida a 30 cm do transdutor em função da frequência para um transdutor com a estrutura acústica que incorpora a invenção 1130 e sem esta estrutura 1140. O gráfico 1100 mostra que, para quase todas as frequências entre 50 kHz e 80 kHz, a pressão acústica no eixo a 30 cm é maior para um transdutor com uma placa de bloqueio que encarna a invenção do que sem. A pressão acústica no eixo é significativamente maior quando a estrutura da placa de bloqueio é usada entre cerca de 62 kHz a cerca de 66 kHz nesta encarnação.

[0113] A figura 12 mostra um gráfico 1200 da potência acústica simulada no eixo com e sem a placa de bloqueio. O eixo x 1220 é a frequência em Hz. O eixo y 1210 é a potência radiada em W. O gráfico mostra a potência radiada em função da frequência para um transdutor com a placa de bloqueio 1230 e sem a placa de bloqueio 1240. O gráfico 1200 mostra que, para frequências entre cerca de 60 kHz e cerca de 90 kHz, a potência irradiada é significativamente maior com a placa de travamento do que sem.

[0114] Além disso, é possível afinar a frequência da ressonância acústica da cavidade que, quando acoplada ao elemento transdutor que tem sua própria frequência de operação, pode fornecer características desejáveis da saída acústica (por exemplo, banda larga, alta pressão no eixo, alta potência acústica irradiada). A frequência de operação do elemento transdutor pode ser diferente da frequência ressonante acústica. Quando a frequência ressonante da cavidade e a frequência de operação do elemento transdutor são estreitamente equiparadas, a potência acústica irradiada é maior. Uma melhoria adicional de desempenho pode ser realizada se o elemento transdutor e a ressonância da cavidade acústica forem em forma de modo compatível, ou seja, o perfil de deslocamento da oscilação do elemento transdutor é substancialmente semelhante ao formato do modo de pressão da ressonância acústica excitada no meio.

[0115] Também pode ser vantajoso utilizar uma mistura de uma frequência que ativa o efeito de correspondência de impedância e uma ou mais frequências adicionais que constituem a saída desejada (que também pode estar em conjunto com múltiplos elementos transdutores). Devido ao efeito de correspondência de impedância, isto não se comportaria de forma linear quando comparado a cada um dos componentes de frequência isoladamente, e assim em aplicações onde a simplicidade de projeto, tamanho pequeno e alta eficiência de saída é importante, enquanto as altas frequências ultra-sônicas podem ser desconsideradas, como em pequenas unidades de alto-falantes, isto pode ser usado para alcançar projetos mais comercialmente viáveis.

[0116] A figura 13 mostra um gráfico 1300 da magnitude das oscilações de pressão na face de propagação dos transdutores com e sem placa de bloqueio (que faz parte de uma estrutura que é a encarnação) em uma simulação de eixo simétrico. Neste caso, a placa de bloqueio e as paredes laterais são circularmente simétricas. O eixo x 1320 é a distância em mm da linha radial na face do transdutor a partir do centro. O eixo y 1310 é a pressão acústica absoluta em Pa. O gráfico mostra a pressão acústica absoluta do transdutor como uma função da distância radial entre o centro (4 = 0 mm) e a borda (4 = 2.5 mm) do transdutor com a placa de bloqueio 1330 e sem a placa de bloqueio 1340. O gráfico 1300 mostra que a pressão acústica absoluta sem a placa de travamento é essencialmente constante em cerca de 750 Pa. Em contraste, a pressão absoluta com a placa de travamento varia de cerca de 21000 Pa at 4 = 0 mm e cai gradualmente para cerca de 2000 Pa em 4 = 2.5 mm. Os dados mostrados são retirados de um modelo de elemento finito de pressão acústica de eixo simétrico (COMSOL) para dois atuadores de modo a pistão de outro modo idênticos.

[0117] A partir disto, pode-se ver que a correspondência do perfil de deslocamento com a forma do modo não é um requisito absoluto para que a placa de bloqueio e a estrutura circundante sejam eficazes, uma vez que a potência irradiada de um simples atuador em modo pistão (por exemplo, atuador piezoelétrico em modo de espessura) pode ser aumentada pela presença da placa de bloqueio com a estrutura circundante, como mostrado na Figura 12.

[0118] B. Placa de bloqueio acoplada ao atuador piezoelétrico do modo de dobra

[0119] A figura 14A mostra um esquema 1400 de uma seção transversal que incorpora uma placa de bloqueio quando acoplada a um atuador piezoelétrico de modo de dobra. A estrutura da placa de bloqueio inclui uma placa de bloqueio 1420, paredes laterais 1450 e abertura(s) 1490, montada usando uma estrutura de suporte 1410a, 1410b, e espaçada de um atuador acústico compreendendo um substrato 1430 e um elemento transdutor piezoelétrico 1440.

[0120] A figura 14B é um gráfico 1492 mostrando a dependência radial da oscilação da pressão dentro da cavidade acústica ressonante. A figura 14C é um gráfico 1494 mostrando a dependência radial da velocidade do atuador do modo de flexão.

[0121] Nesta modalidade, o perfil de deslocamento do atuador é bem adaptado à distribuição da pressão acústica radial na cavidade. Além disso, a estrutura da placa de bloqueio é usada para definir o movimento do atuador, bem como a geometria da cavidade. A estrutura da placa de bloqueio limita fortemente o movimento do atuador no perímetro da cavidade onde a estrutura se torna substancialmente mais rígida, devido à maior espessura do material nesta região. Do mesmo modo, a estrutura não restringe o movimento no centro do atuador onde se encontra o centro da cavidade e, portanto, o antinodo de alta pressão. Isto permite que o deslocamento do atuador siga a forma de flexão desejada quando acionado, que é muito semelhante em perfil à distribuição da pressão acústica representada na Figura 13. Consequentemente, a placa de bloqueio tem uma função dupla: fornecer suporte mecânico para o atuador e criar uma estrutura de correspondência acústica. Isto reduz ainda mais a altura de todo o sistema.

[0122] 1. Sintonia da frequência ressonante

[0123] Voltando à Figura 7, a ressonância da cavidade pode ser sintonizada alterando o raio da cavidade, 4~•€•‚ƒ 750. Isto pode ser diferente do raio do elemento transdutor 4‚„•…†‡ˆ~‰„ 740, Isto permite que o elemento transdutor seja projetado separadamente da cavidade, uma vez que a frequência de ressonância da cavidade, D•~Šˆ†‚•~ , varia como D•~Šˆ†‚•~ ~ . :Œ•Ž••‘

[0124] A tabela 3 abaixo mostra exemplos de dimensões para sintonizar a cavidade em 3 diferentes frequências de operação.

[0125] Embora não seja necessário, o raio do elemento transdutor e o raio da cavidade são normalmente escolhidos para ser o mesmo. A tabela 3 mostra que o rcavidade 750 pode ser um sub-comprimento de onda ou maior que um comprimento de onda, enquanto ainda aumenta a potência acústica irradiada sobre um elemento transdutor sem placa de bloqueio.

[0126] Tabela 3: Rcavidade wabertura Frequência Comprimento Comentário (mm) (mm) no pico de de onda saída (Hz) correspondente (mm)

1.5 0.05 44,500 7.7 Raio da cavidade de sub- comprimento de onda

5.0 4 100,500 3.4 Raio de cavidade maior do que o comprimento de onda

[0127] A tabela 3 mostra que, para uma determinada placa de bloqueio ℎ’“Š”ˆ‰•Š 720 e altura da cavidade ℎ~•€•‡•‡‰ 730 (ambos 0.2 mm), a potência irradiada pode ser aumentada por uma cavidade com raio substancialmente menor ou maior do que o comprimento de onda alvo. Os dados são extraídos de uma simulação bidimensional de eixo simétrico sobre a linha central do transdutor usando um modelo de elemento finito acústico de pressão (COMSOL).

[0128] Além de 4+,-./,/0 , a largura de •,–0:k—:, 760 pode ser usado para afinar a freqüência ressonante da cavidade. A Figura 15 é um gráfico 1500 mostrando a dependência da potência irradiada em relação à largura •,–0:k—:, e frequência. O eixo T 1520 é a frequência em Hz. O eixo U 1510 é a potência radiada em W. O gráfico mostra a potência radiada do transdutor como uma função da frequência •,–0:k—:, = 0.01 mm 1530, 0.05 mm 1535, 0.1 mm 1540, 0.5 mm 1545, 1 mm 1550, 1.5 mm 1555, and 2 mm 1560. Uma linha base 1525 sem placa de bloqueio é mostrada para comparação. O gráfico 1500 mostra que a •,–0:k—:, de 0.1 mm produz a maior potência irradiada de 0,040 W a uma frequência de cerca de 50 kHz. Nenhuma outra •,–0:k—:, produz uma potência radiada maior que 0.020 W em qualquer frequência testada. Os dados foram retirados de uma simulação bidimensional de eixo simétrico sobre a linha central do transdutor usando um modelo de elemento finito acústico de pressão (COMSOL) onde o elemento transdutor é considerado como um simples pistão movendo-se a uma velocidade pré-definida em cada frequência.

[0129] A região central ainda deve ser parcialmente bloqueada pela placa frontal de bloqueio, de modo que a largura da abertura, •,–0:k—:, < 0.94~•€•‡•‡‰ . No entanto, existe também um limite inferior na largura da saída, relacionado à espessura da camada limite

H oscilante, 2 ≈ s (onde é a viscosidade cinemática do meio), na Ew frequência de operação, D, de tal forma que •,–0:k—:, > 22 . Abaixo deste valor, uma proporção significativa da energia acústica é perdida através da dissipação viscosa na saída.

[0130] A frequência ressonante do modo acústico radial excitado só depende muito pouco da altura da cavidade, hcavidade (730), como mostrado na Figura 16. A figura 16 é um gráfico 1600 do efeito da altura da cavidade sobre a resposta de frequência da energia acústica irradiada através da estrutura da placa de bloqueio para o meio. O eixo x 1620 é a frequência em Hz. O eixo y 1610 é a potência irradiada em W. O gráfico mostra a potência irradiada do transdutor como uma função da frequência em hcavidade de 50 µm 1630, 100 µm 1640, 150 µm 1650, e 200 µm 1660. O gráfico mostra que as funções para hcavidade de 100 µm 1640, 150 µm 1650, e 200 µm 1660 são bastante similares. Os dados para a Figura 16 são espectros modelados a partir de uma simulação bidimensional de eixo simétrico sobre a linha central do transdutor usando um modelo de elemento finito acústico de pressão de um transdutor de pistão acoplado com a placa de bloqueio.

[0131] Tomando um exemplo da Figura 16, quando a altura da cavidade hcavidade é aumentada de 100 m a 200 m, a frequência ressonante simulada muda apenas em 5%. Portanto, sua frequência ressonante pode ser ajustada de forma relativamente independente da espessura total da estrutura correspondente, ao contrário das soluções anteriormente tentadas descritas acima. Além disso, uma melhoria na eficiência da transmissão pode ser mostrada em uma grande faixa de frequência com uma altura de cavidade fixa, como mostrado na Tabela

4.

[0132] Tabela 4:

Frequência Potência Potência Aumento de largura da (Hz) radiada da irradiada com potência (dB) abertura linha de bloqueio (mm) base (mW) (mW) 10,000 0.4 0.5 0.5 0.05 12,900 0.7 0.9 0.9 0.05 16,700 1.2 1.8 1.6 0.05 21,500 2.0 4.1 3.1 0.05 27,800 3.3 14.7 6.5 0.05 35,900 4.7 39.9 9.3 0.10 46,400 5.5 18.5 5.3 0.50 59,900 5.1 19.0 5.7 0.50 77,400 4.4 13.3 4.8 1.00 100,000 4.8 13.9 4.6 1.50 129,000 4.4 4.8 0.4 2.00 167,000 4.3 5.3 0.9 2.00 215,000 3.8 3.8 0.0 2.40

[0133] A tabela 4 mostra que, para uma determinada espessura da placa de bloqueio e altura da cavidade (ambos = 0,2 mm), a potência acústica irradiada pode ser aumentada pela placa de bloqueio em uma grande faixa de frequências. A largura da abertura é ajustada para maximizar a potência irradiada para cada frequência. Os dados são retirados de uma simulação bidimensional de eixo simétrico sobre a linha central do transdutor usando um modelo de elemento finito acústico de pressão (COMSOL).

[0134] Existe um limite inferior na altura da cavidade, tal como na largura do canal de abertura, a saber, que a profundidade de penetração viscosa coloca um limite inferior aproximado no tamanho da cavidade, ℎ~•€•‡•‡‰ > 22, a saber por raciocínio idêntico ao anterior. Um limite superior na altura da cavidade também é necessário para garantir que o modo de ressonância acústica dominante seja o modo radial x projetado. Isto requer ℎ~•€•‡•‡‰ < , onde y é o comprimento de onda acústico na frequência de operação do transdutor.

[0135] Estas limitações sobre a altura da cavidade hcavidade também têm relação com outras encarnações desta invenção que podem não ser planas, podem não ter a mesma configuração de dimensões ou podem até mesmo não ter um modo de ressonância similar pretendido. Como antes, a profundidade de penetração viscosa limitará a finura da dimensão mais fina da estrutura disponível, dissipando mais da energia como calor à medida que a profundidade de penetração viscosa for atingida como o limite mínimo das dimensões internas da estrutura ou cavidade. Outros modos finos gerados também exigirão que sua dimensão mais fina tenha limitações substancialmente similares a fim de alcançar o modo correto limitado pela estrutura, já que cada modo pretendido terá requisitos dimensionais específicos. Afastar-se muito desses requisitos pode causar um salto no modo ressonante excitado e, assim, afetar negativamente a eficiência obtida com a adição da estrutura afinada, conforme descrito anteriormente neste documento.

[0136] As figuras 17 e 18 se referem a transdutores que utilizam uma encarnação longitudinal alternativa da estrutura de correspondência acústica, na qual o raio da cavidade acústica é menor que a altura da cavidade acústica. A figura 17A mostra uma visão aximétrica de um transdutor. Um atuador, 1710, acoplado a uma extremidade de um tubo oco, 1750, em seu perímetro. Uma placa de travamento, 1720, em seguida, acopla-se com a extremidade oposta do tubo. Uma cavidade acústica, 1740, é formada pela combinação do atuador, tubo, e placa de bloqueio. Há uma pequena abertura, 1730, na placa de bloqueio para permitir que as ondas de pressão irradiem para o meio circundante. O movimento oscilatório longitudinal do atuador (movimento indicado por 1715) gera ondas de pressão longitudinais na cavidade. A frequência destas oscilações de pressão pode ser ajustada para que uma ressonância acústica longitudinal seja excitada na cavidade, aumentando sua amplitude. Esta frequência ressonante dependerá principalmente da altura da cavidade, o raio da cavidade terá um efeito menor.

[0137] A Figura 17B mostra uma visão aximétrica de um transdutor. Um atuador cilíndrico oco, 1760, acoplado a uma base, 1770, em uma extremidade. Uma placa de bloqueio, 1720, em seguida, acopla-se com a extremidade oposta do atuador. Uma cavidade acústica, 1740, é formada pela combinação do atuador, da base e da placa de bloqueio. Há uma pequena abertura, 1730, na placa de bloqueio para permitir que as ondas de pressão irradiem para o meio circundante. O movimento radial do atuador indicado por 1765 gera ondas de pressão longitudinais na cavidade. A frequência destas oscilações de pressão pode ser ajustada para que uma ressonância acústica longitudinal seja excitada na cavidade, aumentando sua amplitude. Esta frequência ressonante dependerá principalmente da altura da cavidade, o raio da cavidade terá um efeito menor. Esta configuração tem a vantagem de proporcionar ao atuador uma área de superfície maior que permite uma saída acústica maior do que a configuração mostrada na Figura 17A.

[0138] A Figura 17C mostra como a amplitude das oscilações de pressão 1784 na cavidade varia ao longo do eixo longitudinal 1782, desde o atuador até a abertura, para dois casos: (A) com a placa de bloqueio presente 1786 (B) sem a placa de bloqueio presente 1788. Em ambos os casos, uma ressonância acústica de primeira ordem é excitada onde a amplitude das oscilações de pressão reduz monotonicamente da extremidade fechada para a extremidade aberta do tubo. Entretanto, a amplitude é materialmente maior para o caso em que a placa de bloqueio está presente, e notadamente na abertura onde as ondas de pressão irradiam para o meio circundante. O atuador pode ser um atuador piezoelétrico de modo de espessura, onde, uma vez acionado, seu movimento é aproximadamente uniforme e em fase através de sua área. É este movimento que gera ondas de pressão longitudinais na cavidade.

[0139] A figura 18A mostra uma visão aximétrica de um transdutor. Um atuador, 1810, acoplado a uma extremidade de um tubo oco, 1850, em seu perímetro. Uma placa de travamento, 1820, em seguida, acopla-se com a extremidade oposta do tubo. Uma cavidade acústica, 1840, é formada pela combinação do atuador, tubo, e placa de bloqueio. Há duas pequenas aberturas, 1830 e 1860, na placa de bloqueio para permitir que as ondas de pressão irradiem para o meio circundante. Neste caso, e em contraste com a figura 17, o movimento do atuador excita uma ressonância acústica de ordem mais alta na cavidade.

[0140] A figura 18B é um gráfico 1870 que mostra como a fase das oscilações de pressão varia ao longo de três eixos paralelos, A, B e C. Ao longo de cada eixo, a pressão é mais alta perto do atuador, mas está fora de fase com a pressão na extremidade oposta do tubo. Não há abertura posicionada ao longo do eixo B, pois a pressão irradiada de uma abertura nesta posição estaria fora de fase com a pressão irradiada das aberturas 1830 e 1860, o que causaria interferência destrutiva e reduziria a saída de pressão total do transdutor.

[0141] A fase de oscilações de pressão varia nas direções longitudinal e radial. No sentido radial, a uma dada altura z, a pressão no centro da cavidade está fora de fase com a pressão próxima à circunferência interna do tubo, como mostrado no gráfico 1880 da Figura 18C.

[0142] A Figura 18D mostra o perfil de velocidade 1890 de um atuador que é em forma de mode-conjunto com a ressonância acústica descrita,

onde a fase das oscilações do atuador varia ao longo de seu raio; em fase no centro, e fora de fase perto de seu perímetro. Neste caso, um atuador piezoelétrico de modo de flexão poderia ser usado para gerar tal perfil de velocidade.

[0143] A figura 19A mostra um transdutor composto por um atuador e uma estrutura correspondente que é uma combinação da placa de bloqueio e estruturas finas de filme correspondente. A película fina, 1950, é espaçada a uma curta distância do atuador, 1910, para formar uma cavidade acústica selada, 1940. A placa de bloqueio 1930 está espaçada a uma curta distância do lado oposto do filme fino, para formar uma cavidade acústica separada, 1960 com abertura de 1920. A combinação das duas estruturas correspondentes pode melhorar a eficiência da transmissão acústica do transdutor.

[0144] Da mesma forma, a Figura 19B mostra um transdutor compreendendo um atuador e uma estrutura correspondente que é uma combinação da placa de bloqueio 1930 e estruturas correspondentes de filme fino 1950. Entretanto, nesta encarnação, as posições da placa de bloqueio 1930 e da película fina 1950 são invertidas, de modo que é a placa de bloqueio 1930 que está mais próxima do atuador, e a película fina 1950 irradia pressão diretamente para o meio circundante. A película fina é posicionada a uma curta distância da placa de bloqueio 1930 por um elemento espaçador, 1970.

[0145] A figura 19C mostra dois transdutores vizinhos 1992, 1194, cada um com a mesma configuração da figura 19B, mas com uma película fina contínua 1950 compartilhada entre os dois transdutores. Isto pode ser vantajoso se as matrizes de transdutores estiverem sendo fabricadas, já que a película fina 1950 poderia ser laminada à matriz de transdutores como uma montagem final sem requerer processamento adicional.

[0146] A Figura 20A mostra um transdutor que compreende um atuador, 2010, e a estrutura correspondente da placa de bloqueio. A placa de bloqueio, 2020, tem uma espessura que é aproximadamente um quarto do comprimento de onda das oscilações de pressão no meio acústico. Por exemplo, este meio pode ser ar. Portanto, a abertura, 2030, tem um comprimento igual a um quarto de um comprimento de onda. Uma ressonância acústica longitudinal poderia ser excitada na abertura, além da ressonância radial excitada na cavidade, 2040, formada pelo atuador e pela placa de bloqueio. Esta ressonância longitudinal adicional poderia amplificar ainda mais a saída de pressão.

[0147] A Figura 20B mostra dois transdutores 2061, 2062, cada um compreendendo um atuador e uma estrutura de bloqueio, com uma placa perfurada separada, 2060, disposta na frente de ambos os transdutores. A placa perfurada adicional pode atuar como uma estrutura de correspondência adicional e melhorar ainda mais a eficiência da transmissão acústica. Também pode atuar como uma barreira de proteção contra, por exemplo, danos acidentais aos transdutores, ou entrada de sujeira neles.

[0148] A Figura 20C mostra um transdutor composto por um atuador e uma estrutura correspondente que é uma combinação da placa de bloqueio 2020 e estruturas correspondentes da placa perfurada 2060. A chapa perfurada 2060 está espaçada a uma curta distância do atuador 2010. A placa de bloqueio 2020 está espaçada a uma curta distância do lado oposto da placa perfurada, formando uma cavidade 2040 com uma abertura 2030. A combinação das duas estruturas correspondentes pode melhorar a eficiência da transmissão acústica do transdutor.

[0149] A figura 21 mostra dois atuadores 2109, 2110, dispostos um perto do outro, com uma película fina contínua, 2150, posicionada na frente deles, e uma placa perfurada contínua, 2160, posicionada na frente deles. A combinação das duas estruturas correspondentes pode melhorar a eficiência da transmissão acústica do(s) transdutor(es). Além disso, como tanto a película fina quanto a placa perfurada são compartilhadas por múltiplos atuadores, a facilidade de montagem das matrizes de transdutores pode ser melhorada.

[0150] 2. Vantagens da Placa de Bloqueio

[0151] A frequência de operação da estrutura da placa de bloqueio depende em grande parte das dimensões no plano (4~•€•‡•‡‰ •,–0:k—:, ) e é relativamente invariante em relação às dimensões de espessura ( ℎ~•€‡•‡‰ , ℎ’“Š”ˆ‰•Š ). (Para as típicas camadas/estruturas correspondentes, é a espessura que é o parâmetro crítico). Isto permite que a estrutura correspondente com a placa de bloqueio tenha uma espessura menor e, portanto, nesta incorporação, um perfil inferior ao de outras camadas correspondentes em uma ampla faixa de frequência. A estrutura de correspondência com a placa de bloqueio pode ser fabricada com técnicas convencionais de fabricação e com tolerâncias típicas, novamente em contraste com outras camadas/estruturas de correspondência mais convencionais. Não é intuitivo que a adição de uma placa de bloqueio possa melhorar a saída acústica, dado que uma grande fração da área de propagação do elemento transdutor é bloqueada pela própria placa.

[0152] As vantagens da estrutura acústica, incluindo a placa de bloqueio em relação às estruturas alternativas de correspondência detalhadas acima, são descritas abaixo.

[0153] 1. As camadas de correspondência convencionais são x normalmente próximas de (onde y denota o comprimento de onda primário requerido do transdutor acústico) grosso, enquanto a nova estrutura acústica, incluindo a placa de bloqueio aqui descrita, pode melhorar a eficiência da transmissão com uma estrutura mais fina. Além disso, as camadas convencionais de correspondência de impedância exigem processos de fabricação complexos para produzir os materiais de baixa impedância acústica, enquanto a nova estrutura acústica aqui descrita pode ser fabricada utilizando processos convencionais, por exemplo, usinagem, moldagem por injeção, gravura. Além disso, os materiais de baixa impedância acústica normalmente carecem de robustez, enquanto a estrutura necessária para implementar esta invenção pode ser fabricada a partir de materiais de engenharia mais rígidos e robustos, como o alumínio.

[0154] 2. A placa de bloqueio pode alcançar melhorias de desempenho com uma estrutura mais fina do que uma placa com um conjunto regular de furos de sub-comprimento de onda, como descrito em Toda, particularmente em baixas frequências ultrassônicas.

[0155] 3. No caso da camada fina de correspondência do filme descrita em Toda, o desempenho depende fortemente das dimensões paralelas à direção da propagação. Isto pode ser limitador em altas frequências (≫80 kHz), onde o espaçamento da película fina do elemento transdutor requer tolerâncias apertadas que não são razoavelmente alcançáveis. Entretanto, a placa de bloqueio e a estrutura de suporte podem ser fabricadas com tolerâncias típicas da indústria em pelo menos usinagem e gravura. Além disso, os filmes finos de polímero carecem de robustez, enquanto a placa de bloqueio com sua estrutura de suporte pode ser fabricada a partir de uma única peça de um material de engenharia mais rígido e robusto, como o alumínio.

[0156] 4. A estrutura acústica descrita pode alcançar as mesmas ou maiores melhorias de desempenho com uma estrutura mais fina do que uma buzina acústica, particularmente em baixas frequências ultrassônicas.

[0157] 5. Os ressonadores Helmholtz são limitados pela exigência de que as dimensões do ressonador devem ser substancialmente menores do que o comprimento de onda na frequência de operação. Isto requer um elemento transdutor substancialmente sub-comprimento de onda, o que limita a potência de saída e restringe quais elementos transdutores podem ser usados com este conceito de correspondência. A estrutura de suporte e a placa de bloqueio que forma a cavidade nesta encarnação não precisam ser substancialmente sub- comprimento de onda em diâmetro, de modo que possam acomodar elementos transdutores maiores. Uma das diferenças entre o projeto anterior e um ressonador Helmholtz é que este projeto aciona uma ressonância acústica que não tem pressão espacialmente uniforme (no caso desta invenção deve abrigar um modo acústico escolhido que tem uma pressão acústica substancialmente não uniforme com variação de pressão radial) que então tem uma abertura/tubo na extremidade mais distante. Isso já foi demonstrado em seções anteriores como sendo generalizável a qualquer estrutura com pressão não uniforme (tubo, esfera, buzina, etc.). Isto engloba qualquer volume fechado com uma estrutura de modo e uma abertura.

[0158] III. RESUMO DE EXEMPLOS DE MODALIDADES DA

INVENÇÃO

[0159] Uma modalidade da invenção é uma estrutura de correspondência acústica que compreende uma cavidade que, em uso, contém um fluido, tendo a cavidade uma forma substancialmente plana. A cavidade é definida por duas paredes finais que limitam a dimensão substancialmente plana e uma parede lateral que limita a cavidade e substancialmente perpendicular às paredes finais, com a cavidade tendo uma área Acavidade dada pela área transversal média na dimensão plana na cavidade entre as paredes finais. A parede lateral da cavidade pode ser circular ou pode ter outra forma, caso em que o raio efetivo da parede lateral é definido como: rcavidade = (Acavidade/π)½. Pelo menos uma abertura é colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais; onde a altura da cavidade hcavidade é definida como a separação média das paredes das extremidades, e rcavidade and hcavidade, satisfazem a desigualdade: rcavidade é maior do que hcavidade. Em operação, um elemento transdutor atuando em uma das paredes das extremidades da cavidade gera oscilações acústicas no fluido da cavidade; e, em uso, as oscilações acústicas no fluido da cavidade causam ondas de pressão que se propagam para um meio acústico circundante.

[0160] Uma outra modalidade da invenção é uma camada de correspondência acústica que compreende: uma cavidade que, em operação, contém um fluido, a cavidade tendo uma forma substancialmente plana com duas paredes finais que delimitam a dimensão substancialmente plana e uma área Acavidade dada pela área transversal média na dimensão plana da cavidade entre as paredes finais. Uma das paredes das extremidades pode ser formada por um elemento transdutor e outra pode ser formada por uma placa de bloqueio. A cavidade tem um raio de parede lateral efetivo definido como: rcavidade = (Acavidade /π)½ e a altura da cavidade hcavidade é definida como a separação média das paredes das extremidades. Em operação, a cavidade suporta uma frequência ressonante de oscilação acústica no fluido, na qual a frequência determina um comprimento de onda definido por y = w+ , onde c é a velocidade do som no fluido, onde em que hcavidade é substancialmente menor que meio comprimento de onda, em que rcavidade é substancialmente igual ou maior que meio comprimento de onda, e pelo menos uma abertura é colocada em pelo menos uma das paredes de extremidade e laterais, pelo menos um elemento de transdução acústica está localizado em pelo menos uma das paredes finais e laterais. A cavidade acústica resultante restringe o meio acústico na cavidade para induzir um modo ressonante que melhora substancialmente a transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio fora da abertura.

[0161] Uma outra modalidade da invenção é uma camada de correspondência acústica que compreende: uma cavidade que, em operação, contém um fluido, a cavidade tem uma forma substancialmente tubular, duas paredes das extremidades que delimitam as extremidades da dimensão tubular, onde uma linha central é definida como uma linha dentro da cavidade que conecta o centro geométrico de uma parede das extremidades ao centro geométrico da outra parede das extremidades e atravessa a cavidade de tal forma que maximiza sua distância do limite mais próximo excluindo as paredes das extremidades em cada ponto ao longo de seu comprimento, uma área Acavidade dada pela área transversal média da cavidade entre as paredes das extremidades onde as seções transversais são tomadas com uma normal ao longo da linha central, onde a cavidade tem um raio de parede lateral efetivo definido como rcavidade: rcavidade = (Acavidade/π)½; onde a altura da cavidade hcavidade é definida como o comprimento da linha de centro, onde, em operação, a cavidade suporta uma frequência ressonante de oscilação acústica no fluido onde a frequência determina + um comprimento de onda definido por y = w , onde c é a velocidade do som no fluido em que rcavidade é substancialmente inferior a meio comprimento de onda, em que a hcavidade é substancialmente igual ou maior que meio comprimento de onda. Pelo menos uma abertura é colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais e pelo menos um elemento transdutor acústico é colocado em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais. A cavidade acústica resultante restringe o meio acústico na cavidade para induzir um modo ressonante que melhora substancialmente a transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio fora da abertura.

[0162] Uma outra incorporação da invenção é uma camada de correspondência acústica que compreende: uma placa de bloqueio presente no caminho de transferência de energia acústica para o meio a granel; onde, em operação, a presença da placa de bloqueio excita um modo acústico; onde pelo menos um eixo tem uma dimensão que é substancialmente inferior à metade do comprimento de onda na frequência ressonante na cavidade, e; onde pelo menos um eixo tem uma dimensão que é substancialmente igual ou superior à metade do comprimento de onda na frequência ressonante na cavidade.

[0163] Em qualquer uma das encarnações acima, o elemento transdutor pode ser um atuador que provoca o movimento oscilatório de uma ou ambas as paredes finais em uma direção substancialmente perpendicular aos planos das paredes finais.

[0164] As modalidades abaixo referem-se aos modos de cavidade longitudinal e outros (não radial).

[0165] Uma incorporação é uma estrutura de correspondência acústica que compreende: uma cavidade que, em operação, contém um fluido, a cavidade tem uma forma substancialmente tubular, duas paredes finais que delimitam as extremidades da dimensão tubular, onde uma linha central é definida como uma linha dentro da cavidade que conecta o centro geométrico de uma parede final ao centro geométrico da outra parede final e atravessa a cavidade de tal forma que maximiza sua distância do limite mais próximo excluindo as paredes finais em cada ponto ao longo de seu comprimento.

[0166] A área da cavidade Acavidade dada pela área transversal média da cavidade entre as paredes finais, onde as seções transversais são tomadas com uma normal ao longo da linha de centro, onde a cavidade tem um raio de parede lateral efetivo rcavidade definido como: rcavidade = (Acavidade /π)½; onde a altura da cavidade hcavidade é definida como o comprimento da linha de centro, onde, em operação, a cavidade suporta uma frequência ressonante de oscilação acústica no fluido; onde a frequência determina um comprimento de onda definido por + y = w , onde c é a velocidade do som no fluido, em que rcavidade é substancialmente menor que meio comprimento de onda, e hcavidade é substancialmente igual ou maior que meio comprimento de onda. Pelo menos uma abertura é colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais, e pelo menos um elemento transdutor acústico é colocado em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais. A cavidade acústica resultante restringe o meio acústico na cavidade para induzir um modo ressonante que melhora substancialmente a transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio fora da abertura.

[0167] Uma outra incorporação é uma estrutura de correspondência acústica que compreende: uma placa de bloqueio presente no caminho de transferência de energia acústica para o meio a granel; onde, em operação, a presença da placa de bloqueio excita um modo acústico; onde pelo menos um eixo tem uma dimensão que é substancialmente menor que meio comprimento de onda na frequência ressonante na cavidade, e; onde pelo menos um eixo tem uma dimensão que é substancialmente igual ou maior que meio comprimento de onda na frequência ressonante na cavidade.

[0168] V. CONCLUSÃO

[0169] Embora as descrições anteriores revelem valores específicos, quaisquer outros valores específicos podem ser usados para alcançar resultados similares. Além disso, as várias características das encarnações anteriores podem ser selecionadas e combinadas para produzir numerosas variações de sistemas tácteis melhorados.

[0170] Na especificação anterior, foram descritas encarnações específicas. Entretanto, uma das habilidades comuns na arte aprecia que várias modificações e mudanças podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção, como exposto nas reivindicações abaixo. Assim, a especificação e os números devem ser considerados de forma ilustrativa e não restritiva, e todas essas modificações devem ser incluídas no escopo dos ensinamentos atuais.

[0171] Além disso, neste documento, termos relacionais como primeiro e segundo, superior e inferior, e similares, podem ser utilizados apenas para distinguir uma entidade ou ação de outra entidade ou ação sem necessariamente exigir ou implicar qualquer relação ou ordem real entre tais entidades ou ações. Os termos "compreende", "compreende", "tem", "tem", "tem", "inclui", "incluindo", "contém", "contém" ou qualquer outra variação dos mesmos, destinam-se a cobrir uma inclusão não exclusiva, de modo que um processo, método, artigo ou aparelho que compreende, tem, inclui, contém uma lista de elementos não inclui apenas esses elementos, mas pode incluir outros elementos não expressamente listados ou inerentes a tal processo, método, artigo ou aparelho. Um elemento procedido por "compreende ...a", "tem ...a", "inclui ...a", "contém ...a" não exclui, sem mais restrições, a existência de elementos idênticos adicionais no processo, método, artigo ou aparelho que compreende, tem, inclui, contém o elemento. Os termos "a" e "an" são definidos como um ou mais, a menos que explicitamente declarado em contrário neste documento. Os termos "substancialmente", "essencialmente", "aproximadamente", "sobre" ou qualquer outra versão do mesmo, são definidos como sendo próximos ao que se entende por uma de habilidade comum na arte. O termo "acoplado" como usado neste documento é definido como conectado, embora não necessariamente de forma direta e não necessariamente mecânica. Um dispositivo ou estrutura que é "configurado" de uma certa maneira é configurado pelo menos dessa maneira, mas também pode ser configurado de maneiras que não estão listadas.

[0172] O Resumo da Divulgação é fornecido para permitir que o leitor possa verificar rapidamente a natureza da divulgação técnica. É submetido com o entendimento de que não será utilizado para interpretar ou limitar o escopo ou significado das alegações.

Além disso, na descrição detalhada anterior, pode-se ver que várias características estão agrupadas em várias encarnações com o objetivo de racionalizar a divulgação.

Este método de divulgação não deve ser interpretado como refletindo uma intenção de que as encarnações reivindicadas exigem mais características do que as expressamente recitadas em cada reivindicação.

Ao contrário, como as seguintes alegações refletem, o assunto inventivo está em menos do que todas as características de uma única encarnação divulgada.

Claims (25)

REIVINDICAÇÕES:

1. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA que compreende: uma cavidade que, em uso, contém um fluido, a cavidade tem uma forma substancialmente plana; duas paredes das extremidades que limitam a forma substancialmente plana da cavidade; uma parede lateral que limita a cavidade e substancialmente perpendicular às paredes das extremidades; a estrutura que define uma área Acavidade dada pela área transversal média na dimensão plana na cavidade entre as paredes das extremidades, onde a cavidade tem um raio de parede lateral efetivo rcavidade definido como: rcavidade = (Acavidade /π)½; e em pelo menos uma abertura colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais, onde pelo menos uma abertura está localizada em uma parede das extremidades a uma distância menor que rcavidade/2 da parede lateral; onde a altura da cavidade hcavidade é definida como a separação média das paredes das extremidades; onde rcavidade e hcavidade, satisfazem a desigualdade: rcavidade é maior que hcavidade; onde, em operação, um elemento transdutor atuando em uma das paredes da extremidade da cavidade gera oscilações acústicas no fluido da cavidade; e onde, em uso, as oscilações acústicas no fluido da cavidade causam ondas de pressão que se propagam para um meio acústico circundante.

2. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, em operação, a cavidade suporta uma frequência ressonante de oscilação acústica no fluido, na qual: a frequência ressonante determina um comprimento de onda definido por = , onde c é a velocidade do som no fluido; onde hcavidade é substancialmente menor que a metade desse comprimento de onda e onde rcavidade é substancialmente igual ou maior que a metade desse comprimento de onda; pelo menos uma abertura é colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais; e pelo menos um elemento transdutor acústico está localizado em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais; de tal forma que a cavidade acústica resultante restringe o meio acústico na cavidade para induzir um modo ressonante que melhora substancialmente a transferência de energia acústica do elemento transdutor para o meio fora da abertura.

3. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, na qual o transdutor contém um atuador que provoca o movimento oscilatório de pelo menos uma das paredes finais em uma direção substancialmente perpendicular aos planos das paredes finais.

4. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, em que a forma é uma de: circular, elíptica, quadrada, forma poligonal, com uma proposta de pelo menos 2.

5. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, na qual a soma das áreas da(s) abertura(s), Aabertura e Acavidade satisfazem a desigualdade: Acavidade /Aabertura é maior que 2.

6. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, onde rcavidade/hcavidade é maior que 5.

7. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, na qual o fluido contido na cavidade é o ar e a velocidade do som está entre 300m/s e 400m/s.

8. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da hcavidade2/rcavidade ser maior que 10-8 metros.

9. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, em uso, a menor frequência ressonante de oscilações de pressão radial na cavidade está na faixa de 200Hz - 2MHz.

10. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA caracterizado por compreender: uma cavidade que, em uso, contém um fluido, tendo a cavidade uma forma substancialmente plana; duas paredes das extremidades que limitam a forma substancialmente plana da cavidade;

uma parede lateral que limita a cavidade e substancialmente perpendicular às paredes das extremidades; a estrutura que define uma área Acavidade dada pela área transversal média na dimensão plana na cavidade entre as paredes das extremidades, onde a cavidade tem um raio de parede lateral efetivo rcavidade definido como rcavity = (Acavity /π)½; e em pelo menos uma abertura colocada em pelo menos uma das paredes das extremidades e paredes laterais, onde pelo menos uma abertura está localizada em uma parede das extremidades a uma distância menor que rcavidade/2 da parede lateral; onde a altura da cavidade hcavidade é definida como a separação média das paredes das extremidades; onde rcavidade e hcavidade, satisfazem a desigualdade: rcavidade é maior que hcavidade; onde, em operação, um elemento transdutor atuando em uma das paredes da extremidade da cavidade gera oscilações acústicas no fluido da cavidade; e onde, em uso, as oscilações acústicas no fluido da cavidade causam ondas de pressão que se propagam para um meio acústico circundante; e um atuador, no qual, em uso, a frequência de movimento oscilatório do atuador está dentro de 30% da frequência de ressonância mais baixa das oscilações acústicas radiais na cavidade.

11. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do movimento da parede final do atuador er em forma de modo-conjunto com a oscilação de pressão na cavidade.

12. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do atuador provocar o movimento de uma parede final com um perfil de deslocamento aproximado a uma função Bessel.

13. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de, em uso, as oscilações de pressão acústica na cavidade terem um antinodo de pressão localizado a uma distância de rcavidade/4 do centro da cavidade.

14. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de, em uso, a(s) abertura(s) na parede da cavidade conecta(m) o volume interno da cavidade a um meio acústico circundante.

15. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato da(s) abertura(s) estar(em) localizada(s) em uma parede final formada por uma placa de bloqueio apoiada em sua borda e espaçada do elemento transdutor pela parede lateral e localizada entre a cavidade e um meio acústico circundante.

16. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do atuador estar localizado entre a cavidade e um meio acústico circundante e a(s)

abertura(s) estão localizadas em uma parede final formada por uma face do atuador.

17. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do deslocamento do atuador seguir uma forma de flexão quando acionado.

18. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do movimento da borda do atuador ser limitado pelo suporte do atuador.

19. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do movimento do centro do atuador ser irrestrito.

20. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do elemento transdutor ser um de: um atuador piezoelétrico, um atuador eletromagnético, um atuador eletrostático, um atuador magnetostrictivo, um elemento transdutor termoacústico.

21. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do movimento do suporte do atuador ser restringido por uma placa de bloqueio.

22. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma estrutura de película fina que se encaixa entre o elemento transdutor e a placa de bloqueio.

23. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma estrutura de película fina que se encaixa entre a placa de bloqueio e o meio acústico externo.

24. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma estrutura perfurada de chapa correspondente, contendo aberturas de aproximadamente λ/4 de altura posicionadas entre o elemento transdutor e a chapa de bloqueio.

25. ESTRUTURA DA PLACA DE BLOQUEIO PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DA TRANSMISSÃO ACÚSTICA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma estrutura perfurada de chapa correspondente contendo aberturas de aproximadamente λ/4 de altura posicionadas entre a chapa de bloqueio e o meio acústico externo.