BRPI0901475A2 - sistema e método de anticongelamento/descongelamento e estrutura de avião que incorpora este sistema - Google Patents
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Abstract
SISTEMA E MéTODO DE ANTICONGELAMENTO/DESCONGELAMENTO E ESTRUTURA DE AVIãO QUE INCORPORA ESTE SISTEMA. A presente invenção refere-se a um sistema e a um método de anticongelamento/descongelamento que utiliza ondas de ultrassom para uma superfície externa de uma estrutura provavelmente a ser congelada, tal como uma asa ou uma nacele de motor de um avião, e tal estrutura que incorpora este sistema. Um sistema de acordo com a invenção compreende uma pluralidade de transdutores piezoelétricos (10) com os quais a estrutura está equipada, oposta a esta superfície externa (2), e este sistema é tal que este compreende um meio de escanear pelo menos uma matriz (16) de malhas elementares (i, j) predefinidas nesta superfície em relação a uma disposição uniforme de um grupo destes transdutores, este meio de escaneamento sendo capaz de focalizar as ondas emitidas por todos os ou alguns dos transdutores do ou de cada grupo sobre estas malhas uma após a outra, através de um meio de somatório de sinal acoplado a este meio de escaneamento e capaz de produzir, para cada malha, um somatório dos sinais obtidos dos transdutores que emitem estas ondas.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA EMÉTODO DE ANTICONGELAMENTO/DESCONGELAMENTO E ESTRU-TURA DE AVIÃO QUE INCORPORA ESTE SISTEMA".
A presente invenção refere-se a um sistema de anticongelamento/descongelamento que utiliza ondas de ultrassom para uma superfície ex-terna de uma estrutura provavelmente a ser congelada, tal como uma asa deavião ou uma nacele de motor, uma tal estrutura que incorpora este sistemae um método de anticongelamento/descongelamento implementado por estesistema.
A utilização de ondas de ultrassom para descongelar as asas deavião, as pás de helicóptero ou as neceles de motor de avião especificamen-te é conhecida. O documento DE-A-10 2004 060 675 descreve um dispositi-vo e um método que utiliza transdutores piezoelétricos dispostos atrás dobordo de ataque de uma asa de avião para tratar do descongelamento daúltima, com uma freqüência de trabalho escolhida de acordo com a rigidezda estrutura desta asa.
Também conhecida do documento WO-A-2007/095935 é a utili-zação de uma rede bidimensional de transdutores incorporados dentro deuma asa de avião o qual emite ultrassons para medir, através de um esca-neamento da superfície congelada da asa e da detecção das ondas de ul-trassom refletidas pelas bordas desta superfície, a espessura da camada degelo que cobre esta asa.
Uma principal desvantagem dos sistemas de descongelamentoconhecidos para estas estruturas de avião reside notadamente no consumode energia não-otimizado a qual é requerida para impedir o congelamentoe/ou descongelar satisfatoriamente a cada instante todas as áreas relevan-tes da superfície externa destas estruturas.
Um objetivo da presente invenção é propor um sistema anticon-gelamento que utiliza ondas de ultrassom para uma superfície externa deuma estrutura provavelmente a ser congelada, tal como uma asa de aviãoou uma nacele de motor, este sistema compreendendo uma pluralidade detransdutores piezoelétricos com os quais a estrutura está equipada faceandoesta superfície, o sistema corrigindo esta desvantagem.
Para este fim, um sistema de anticongelamento de acordo com ainvenção compreende um meio de escanear pelo menos uma matriz de ma-lhas elementares predefinidas nesta superfície externa relativas a uma dis-posição regular de um grupo destes transdutores, este meio de escanea-mento sendo capaz de focalizar as ondas emitidas por todos os ou algunsdos transdutores do ou de cada grupo sobre estas malhas uma após a outra,através de um meio de somatório de sinal acoplado a este meio de escane-amento e capaz de produzir, para cada malha, um somatório dos sinais obti-dos dos transdutores que emitem estas ondas.
Será notado que este meio de somatório e de escaneamento daou de cada matriz de malhas elementares torna possível proteger contra ogelo e/ou efetivamente descongelar esta estrutura, com um consumo de e-nergia que é significativamente reduzido em comparação com os sistemasde anticongelamento/descongelamento existentes.
Vantajosamente, o sistema de anticongelamento de acordo coma invenção pode compreender uma rede formada por uma pluralidade des-tas matrizes, cada uma, compreendendo uma multiplicidade das malhas, porexemplo, presentes em um número entre 500 e 5000 por matriz.
De acordo com outra característica da invenção, este meio desomatório pode ser capaz de recalcular a cada instante o comprimento deonda e a fase de cada sinal emitido por cada transdutor do ou de cada grupodentro da ou de cada matriz associada, de modo que este meio de escane-amento focaliza em um modo sincronizado sobre cada malha a soma dasondas emitidas com uma amplitude máxima para a onda resultante.
De acordo com outra característica da invenção, os ditos trans-dutores podem vantajosamente estar montados sobre uma face interna ou"pele" da dita estrutura a qual é oposta à dita superfície externa. Como umavariante, estes poderiam estar incorporados nesta estrutura, dentro de umalojamento dedicado para a última.
De acordo com uma modalidade preferida da invenção, o ou ca-da grupo de transdutores associados a ou cada matriz de malhas compre-ende duas séries de transdutores respectivamente dispostos faceando e o-postos a duas bordas periféricas paralelas da dita superfície externa que sãoexternas à matriz correspondente.
Opcionalmente, de acordo com este exemplo da invenção, cadauma, das séries de transdutores pode compreender uma pluralidade de pa-res de transdutores uniformemente espaçados em uma direção da matrizcorrespondente, um dos dois transdutores de cada par sendo designado pa-ra substituir o outro transdutor caso o último falhe.
De acordo com outra característica da invenção, cada transdutordo ou de cada grupo é vantajosamente alimentado por um gerador elétricopor meio de cabos que podem estar alojados na dita estrutura, e está conec-tado a uma memória acoplada a um computador designado para calcular osparâmetros da onda a ser enviada para cada malha, todos os transdutoresestando ligados a um e o mesmo dispositivo de gerenciamento eletrônicocapaz de controlar este meio de escaneamento de acordo com seqüênciasde escaneamento determinadas.
De preferência, o sistema de acordo com a invenção compreen-de pelo menos um dispositivo para medir a temperatura da dita superfícieexterna o qual está acoplado no dito dispositivo de gerenciamento, para de-finir as ondas utilizadas na seqüência de escaneamento.
Também de preferência, o sistema de acordo com a invençãotambém compreende um meio de amortecimento acústico que é pelo menoscapaz de evitar a propagação das ditas ondas emitidas de uma das matrizespara as outras matrizes adjacentes. Este dito meio de amortecimento podevantajosamente compreender tiras de amortecimento de separação entre asmatrizes as quais estão de preferência, cada uma, baseada em um elastô-mero viscoelástico, tal como o "Deltane", e as quais estão respectivamentedispostas opostas a limites entre as matrizes, entre uma face interna da ditaestrutura oposta à dita superfície externa e uma placa de suporte, de prefe-rência metálica.
Ainda mais de preferência, este meio de amortecimento podetambém compreender margens de amortecimento as quais estão de prefe-rência, cada uma, baseadas em um elastômero viscoelástico, tal como o"Deltane", e as quais estão dispostas opostas a uma área periférica da ditasuperfície externa que circunda ambas as ou cada matriz e os transdutoresassociados, estas margens de amortecimento sendo capazes de evitar areflexão por efeito de borda das ditas ondas emitidas em cada matriz.
De acordo com uma modalidade da invenção, o ou cada grupode transdutores pode vantajosamente compreender transdutores reversíveisos quais são sucessivamente capazes de emitir e receber as ditas ondas,especificamente para detectar por tempo de ida e volta a presença de áreascongeladas sobre a ou cada matriz.
O sistema de anticongelamento de acordo com a invenção podetambém ser utilizado como um sistema de descongelamento, então tambémsendo capaz de descongelar sucessivamente as ditas áreas congeladas a-pós a detecção das últimas por tempo de ida e volta, pelo menos um dostransdutores operando como emissor e os outros como receptores, este sis-tema compreendendo um meio de armazenamento de sinal emitido acopla-do a um meio de compressão e inversão de sinal armazenado, o dito meiode escaneamento sendo capaz de refocalizar estes sinais invertidos e com-primidos na direção das ditas áreas congeladas.
Geralmente, cada um dos transdutores utilizado no sistema deanticongelamento/descongelamento de acordo com a invenção pode vanta-josamente ser um transdutor piezoeletrico de múltiplas camadas com baseem um material cerâmico.
Uma estrutura de avião de acordo com a invenção, provável deser congelada sobre a sua superfície externa e tal como uma superfície deasa ou de nacele de motor, está caracterizada pelo fato de que esta incorpo-ra um sistema de anticongelamento como aqui acima definido.
De acordo com um exemplo da invenção, onde esta estrutura deavião forma uma asa de avião, cada grupo de transdutores associado a oucada matriz pode vantajosamente compreender duas séries de transdutoresrespectivamente dispostos sobre os lados de superfície superior e de super-fície inferior opostos a duas bordas periféricas paralelas da dita superfícieexterna as quais são externas a esta matriz, os transdutores de cada sérieestando uniformemente espaçados em uma direção longitudinal da estruturae estando acopladas a respectivamente dois coletores de fonte de alimenta-ção elétrica de superfície superior e superfície inferior.
De acordo com a invenção, o método de anticongelamento queutiliza ondas de ultrassom para uma superfície externa de uma estruturaprovavelmente a ser congelada, tal como uma asa ou uma nacele de motorde um avião, este um método utilizando uma pluralidade de transdutorespiezoelétricos com os quais a estrutura está equipada adjacente a esta su-perfície, é tal que este principalmente compreende:
- uma emissão de ondas em deslocamento, em pelo menos umamatriz de malhas elementares predefinidas nesta superfície externa em rela-ção a uma disposição uniforme de um grupo destes transdutores, por todosou alguns dos últimos,
- um somatório, para cada malha desta matriz, de sinais obtidosdos transdutores que emitem estas ondas e representativos dos últimos, e
- pelo menos um escaneamento desta matriz, para focalizar asondas em deslocamento resultantes emitidas destas malhas uma após aoutra.
Em outras palavras, cada uma, das malhas da ou de cada matrizé protegida do gelo uma após a outra, enviando sincronizadamente atravésdo grupo de transdutores associado ondas em deslocamento de amplitudemais baixa mas com um comprimento de onda e uma fase que são recalcu-lados a cada instante para provocar um máximo de energia sobre a malha (i,j) no instante t então sobre a malha (i+1, j+1) no instante t+1, e assim pordiante. Este modo de operação é vantajosamente menos consumidor de e-nergia.
De acordo com outra característica da invenção, é possível exe-cutar cada escaneamento da ou de cada matriz em um modo sincronizadorecalculando a cada instante o comprimento de onda e a fase dos ditos si-nais para maximizar a energia vibratória sobre cada malha com uma ampli-tude total máxima para o sinal resultante, de preferência correspondendo aum deslocamento gerado sobre estas malhas igual a ou maior do que 1 ^m.
Vantajosamente, é possível escolher as dimensões da ou decada matriz e o número dos transdutores dentro de cada grupo associado deacordo com o período de escaneamento máximo desejado.
De preferência, os transdutores emitem pacotes de ondas focali-zadas sobre cada malha da ou de cada matriz a ser tratada, as freqüênciasdas quais estão, por exemplo, entre 100 kHz e 5 MHz. Cada transdutor utili-zado pode vantajosamente exibir uma espessura, medida de acordo com aespessura da estrutura, a qual é da ordem de um meio-comprimento de on-da de ultrassom.
Também de preferência, a temperatura da dita superfície externaé medida para escolher as ondas da seqüência de escaneamento para cadatransdutor.
De preferência, entre os pares adjacentes de matrizes, as ondasemitidas em uma destas são amortecidas para evitar a sua propagação paraa matriz adjacente e/ou as ondas emitidas em cada matriz são amortecidaspara evitar a reflexão por efeito de borda, ao redor desta matriz e dos trans-dutores correspondentes.
Como uma variante, é possível, por outro lado, utilizar a reflexãopor efeito de borda, ao redor de cada matriz e dos transdutores correspon-dentes, para gerar as ondas estacionárias.
Como anteriormente indicado, é possível vantajosamente proverpares de transdutores uniformemente espaçados em uma direção de cadamatriz, um dos transdutores de cada par sendo utilizado para substituir ooutro transdutor caso o último falhe. Neste contexto, testes são vantajosa-mente executados antes de colocar o anticongelamento em serviço (por e-xemplo, antes de cada decolagem do avião no caso de uma asa de avião aser protegida do gelo), estes testes consistindo em:
- emitir um sinal com um transdutor de emissão a ser testado Xtincluído em um par de transdutores (Xt, Yt) associados a ou cada matriz, to-dos os outros transdutores (Xk) (k diferente de t) do grupo correspondentesendo utilizados em um modo de recepção e, neste caso, em- verificar para ver se pelo menos um destes transdutores Xk nomodo de recepção não recebe este sinal, de preferência utilizando a técnicade tempo de ida e volta para refinar a localização da fonte de emissão pelostransdutores no modo de recepção, e
- ter a implementação do anticongelamento mudada para o outrotransdutor de emissão Yt devido à falha do transdutor Xt.
De acordo com outra característica da invenção, é também pos-sível implementar um descongelamento da dita superfície externa pela técni-ca de tempo de ida e volta, para a ou cada matriz de malhas:
- tendo uma onda emitida para pelo menos um transdutor utiliza-do no modo de emissão associado a esta matriz, esta onda encontrandouma singularidade provocada por um ponto de formação de gelo sobre estamatriz,
- captando, por todos ou alguns dos outros transdutores associ-ados a esta mesma matriz e utilizados no modo de recepção, o sinal repre-sentativo desta onda que encontrou a sua singularidade, e armazenandoeste sinal em uma memória interna, e
- invertendo e comprimindo este sinal para refocalizar a ondaque corresponde a este sinal invertido e comprimido na direção da dita sin-gularidade, para descongelar sucessivamente os pontos de gelo conformeestes formam, após estes terem sido localizados.
Outras características, benefícios e detalhes da presente inven-ção emergirão da leitura da descrição seguinte de diversas modalidades e-xemplares da invenção, dadas como ilustração não-limitante, a dita descri-ção sendo dada com referência aos desenhos anexos, nos quais:
a figura 1 é uma vista esquemática parcial de uma estrutura deasa de avião que ilustra, como exemplo, uma área da superfície externa des-ta estrutura a ser protegida de congelamento ou ser descongelada,
a figura 2 é uma vista plana desenvolvida da estrutura da figura1 também ilustrando uma disposição de acordo com a invenção de duas sé-ries de transdutores piezoelétricos em cada lado da e ao longo desta área,
a figura 3 é uma vista em perfil esquemática parcial da estruturadas figuras 1 e 2, notadamente que mostra a montagem de acordo com ainvenção destes transdutores sobre uma face interna da estrutura,
a figura 4 é um diagrama de blocos simplificado que mostra osacoplamentos funcionais entre os elementos componentes principais do sis-tema de anticongelamento/descongelamento de acordo com a invenção,para cada um dos transdutores,
a figura 5 é uma vista esquemática parcial desenvolvida, como afigura 2, da dita área a ser protegida de congelamento ou a ser descongela-da, que mostra a sua divisão, de acordo com a invenção, em matrizes de malhas elementares, cada uma, associada a um grupo de transdutores,
a figura 6 é uma vista esquemática que ilustra, para uma dasmatrizes da figura 5, a focalização sobre cada malha de ondas emitidas deacordo com a invenção pelos transdutores do grupo associado,
a figura 7 é uma vista esquemática que ilustra, para uma dasmatrizes da figura 5, a operação do sistema de anticongelamento de acordocom a invenção no modo de descongelamento, pela técnica de tempo de idae volta,
a figura 8 é uma vista esquemática que ilustra, para uma dasmatrizes da figura 5, a operação do sistema de anticongelamento de acordocom a invenção em modo redundante através de pares de transdutores, e
a figura 9 é uma vista esquemática parcial em corte transversalda estrutura provida com o sistema de acordo com a invenção, ao longo doplano IX-IX da figura 1, que mostra a montagem sobre uma face interna des-ta estrutura do meio de amortecer acusticamente as ondas emitidas de umamatriz para outra.
A figura 1 mostra um exemplo típico da geometria da área 1 aser protegida de congelamento ou a ser descongelada sobre uma superfícieexterna 2 de uma estrutura de avião 3, tal como uma asa de avião ou umapá de helicóptero, utilizando o sistema de anticongelamen-to/descongelamento 4 de acordo com a invenção (diagramaticamente repre-sentado na figura 4). Esta área 1 permite como o seu eixo geométrico desimetria longitudinal, a linha de bordo de ataque 5 da asa ou da pá e esten-de-se sobre cada lado deste eixo geométrico sobre a superfície superior 6 ea superfície inferior 7 da asa, por exemplo.
As figuras 2 e 3 mostram a disposição preferida de acordo com ainvenção de duas séries 8 e 9 de transdutores piezoelétricos 10 (isto é,transdutores que podem operar somente no modo de emissão, no modo deanticongelamento, ou também no modo de recepção, no modo de desconge-lamento) em cada lado desta área 1 e sobre a face interna 11 da estrutura 3oposta à sua superfície externa 2 a ser tratada. Cada transdutor 10 está pro-jetado para exibir dimensões mínimas, com uma espessura da ordem demeio-comprimento de onda de ultrassom, e é de preferência do tipo de múl-tiplas camadas com base em materiais cerâmicos.
Estas duas séries 8 e 9 de transdutores estão assim dispostassimetricamente uma à outra em relação à linha de bordo de ataque 5, nesteexemplo na direção longitudinal da estrutura 3. Os transdutores 10 de uma eda mesma série 8, 9 estão separados em pares, por exemplo, por 20 cm, eestão supridos por cabos de suprimento de energia elétrica (não-ilustrados)situados dentro da estrutura 3 (na parte inferior da asa de avião ou da pá dehelicóptero, por exemplo). De acordo com o tamanho da estrutura 3 e por-tanto o número de transdutores 10, é possível prever utilizar um coletor desuprimento de energia de superfície inferior e um coletor de superfície supe-rior (não-visível).
Como ilustrado na figura 4, cada transdutor 10 está essencial-mente ligado, por um lado, a um gerador elétrico 12 através dos cabos aci-ma mencionados e, por outro lado, a uma memória independente 13 acopla-da a algoritmos de computação capazes de calcular a natureza da onda aser emitida (esta memória independente 13 é utilizada para implementar atécnica de tempo de ida e volta aqui abaixo descrita). Mais ainda, os trans-dutores 10 estão todos ligados a um dispositivo de gerenciamento eletrônico14 comum capaz de controlar o meio de escaneamento, tornando possívelfocalizar, através de um meio de somatório de sinal acoplado a este meio deescaneamento, as ondas emitidas pelos transdutores 10 para as medidaselementares (i, j) predefinidas na área 1 a ser tratada (ver figuras 5 e 6).Mais ainda, o sistema 4 de acordo com a invenção também van-tajosamente inclui um ou mais dispositivos 15 para medir a temperatura dasuperfície externa 2, porque a temperatura influencia a propagação das on-das dentro do material. As temperaturas medidas por este(s) dispositivo(s)15 podem assim constituir os dados de entrada para escolher as ondas daseqüência de escaneamento para cada transdutor 10.
Como ilustrado na figura 5, a área 1 a ser tratada é inicialmentedividida em pelo menos uma matriz 16 de malhas elementares (i, j) (somentequatro matrizes 16 no exemplo não-limitante desta figura, tendo em menteque seria possível prover mais ou menos matrizes 16), uma malha assimsendo identificada por suas coordenadas (i, j), com i sendo um inteiro quevaria de 1 a n e j sendo um inteiro que varia de 1 a m. No caso de uma asade avião ou de uma pá de helicóptero, esta área 1 pode, por exemplo, exibiruma largura na ordem de 20 cm, e um comprimento que pode estender-se adiversos metros. A ou cada matriz 16 está assim virtualmente subdividida emmalhas (i, j) de pequena área de superfície (por exemplo, 1 cm2) oposta à-quela da estrutura 3. Se n for utilizado para denotar o número de colunas em o número de filas, as n colunas estendem-se na direção transversal aobordo de ataque 5 e as m linhas na direção paralela a esta borda 5.
As malhas de n x m (i, j) estão assim vantajosamente agrupadasjuntas em matrizes 16 na direção longitudinal, cada matriz 16 sendo formadafaceando um grupo de transdutores piezoelétricos 10, os quais estão subdi-vididos em uma parte de, cada uma, das acima mencionadas duas séries 8e 9. Por exemplo, cada matriz 16 pode compreender 1200 malhas (2 na di-reção transversal, ou sobre uma largura de 20 cm, e 60 na direção longitudi-nal, ou sobre uma largura de 60 cm). Assim, tal matriz 16 da área 1 a sertratada será protegida do gelo somente através dos transdutores 10 dispos-tos faceando diretamente esta matriz 16, e as matrizes 16 de malhas (i, j)serão portanto tratadas independentemente pelo sistema de anticongela-mento/descongelamento 4 de acordo com a invenção.
Como pode ser visto na figura 6, onde a ou cada matriz 16 estásituada dentro do campo de ação de x transdutores Ti a T6 (seis destas nes-te exemplo não-limitante, ou três transdutores Ti a T3 no lado de superfíciesuperior e três outros T4 a T6 no lado de superfície inferior), o meio de esca-neamento acima mencionado torna possível implementar as seqüências deescaneamento para a ou cada matriz 16 de malhas (i, j) no modo de anti-congelamento, focalizando as ondas emitidas pelos transdutores Ti a T6 dogrupo correspondente destas malhas (i, j) uma após a outra, através do ditomeio de somatório de sinal acoplado o qual está projetado para produzir pa-ra cada malha (i, j) um somatório dos sinais obtidos dos transdutores Ti a T6que emitem estas ondas. Este meio de somatório está projetado para recal-cular a cada instante o comprimento de onda e a fase dos sinais emitidospor cada transdutor Ti a T6 de cada grupo dentro da matriz 16 associada, demodo que este meio de escaneamento focalize sincronizadamente sobrecada malha (i, j) a soma das ondas emitidas com uma amplitude máximapara a onda resultante.
Segue agora uma descrição mais detalhada da implementaçãodo método de anticongelamento por meio do sistema de anticongelamen-to/descongelamento 4 de acordo com a invenção utilizado especificamenteno modo de anticongelamento, assumindo uma matriz 16, por exemplo, de20 x 60 malhas (i, j), ou 1200 malhas.
Ao invés de proteger a matriz 16 em questão do gelo pela utili-zação destes transdutores Ti a T6 para enviar as ondas (estacionárias ouem deslocamento) que têm energia suficiente para descongelar a cada ins-tante a superfície correspondente desta matriz 16 em todos os pontos, umaescolha é feita de acordo com a presente invenção de proteger, cada uma,das malhas (i, j) da matriz 16 do gelo uma após a outra, enviando sincroni-zadamente através destes seis transdutores Ti a T6 ondas de menor ampli-tude mas com um comprimento de onda e uma fase que serão recalculadosa cada instante para provocar uma energia máxima sobre a malha (i, j) noinstante t então sobre a malha (i+1, j+1) no instante t+1, e assim por diante.
Este modo de operação notadamente oferece o benefício de consumir me-nos energia.
Por exemplo, se o desejo for tratar a malha (i, j) utilizando quatrotransdutores (denotados Ti a T4) enviando estas ondas, então:
- Ik é utilizado para denotar a distância entre a malha (i, j) e otransdutor Tk (a distância h para k=1 está representada na figura 6);
- A,k é utilizado para denotar o comprimento de onda da ondaenviada pelo transdutor Tk (função da velocidade das ondas dentro do mate-rial em questão, por exemplo, igual a aproximadamente 5000 m/s em umaestrutura de titânio 3);
- <(>k denota a fase da onda enviada pelo transdutor Tk e Ak a suaamplitude máxima.
Tomando o instante no qual as amplitudes estão no máximo (etodas ao mesmo tempo), a experiência mostra que a amplitude Ak é insufici-ente para assegurar o anticongelamento, devido a um deslocamento geradosobre as malhas (i, j) o qual é menos do que um mícron. O seguinte aplica-se:
Uk (x, t0) = Ak cos(x/Xk +<j>k)
(x sendo a distância para o transdutor Tk).
A condição desejada para uma situação de anticongelamentosobre a malha (i, j) é dada por:
[lk - fahJ2n] /Xk = E ([lk - ck V2tt] />*)para todos os k no instante t0) onde E representa a parte inteira.
Sobre a malha (i, j), a amplitude Uy resultante das ondas em des-locamento obtidas é portanto:
Uij = Zk Ak,
a amplitude esta vez sendo suficiente para assegurar o anticongelamentoutilizando o método inventivo.
De acordo com o posicionamento dos transdutores Tk e os pa-râmetros das ondas injetadas para assegurar o não-congelamento da malha(i, j) (amplitude, comprimento de onda, fase), outras malhas (i, j) podem pos-sivelmente estar em uma situação de não-congelamento.
Preferência é dada à utilização de pacotes de ondas enviadospor cada transdutor Tk e já focalizado sobre a malha (i, j) a ser tratada, o quetorna possível despender menos energia elétrica.Assim, de acordo com a geometria escolhida para a área 1 a sertratada, as seqüências de escaneamento de anticongelamento tornam pos-sível otimizar o período de escaneamento. Para dar uma idéia das ordens demagnitude, é possível estimar que cada escaneamento de acordo com ainvenção dura aproximadamente um milissegundo, o período de um escane-amento completo de cada matriz 16 de malhas (i, j) então sendo menor doque 1200/1000 = 1,2 segundo. Como este período precisa ser tão curtoquanto possível para assegurar uma boa operação no modo de anticonge-lamento, as dimensões de cada matriz 16 e o número de transdutores Tkpode ser dimensionado de acordo com o período de escaneamento máximodesejado.
Para levar em conta a vida útil limitada dos transdutores piezoe-létricos Tk, é vantajosamente possível escolher utilizar estes transdutores Tkcom redundância, como ilustrado na figura 8. Comparado com a modalidadeexemplar aqui acima descrita, cada transdutor Tk é neste caso substituídopor um par Ck de transdutores Xk e Yk, dos quais somente um dos transduto-res operará (a figura 8 assim ilustra, com referência ao exemplo da figura 6,seis pares de transdutores Ci (Xt ,Yi), C2 (X2 ,Y2), C3 (X3 ,Y3), C4 (X4 ,Y4), C5(X5 ,Y5) e C6 (X6 ,Y6)).
Assim, antes que o sistema 4 de acordo com a invenção ser colocadoem serviço (por exemplo, antes de cada decolagem de avião), é pos-sível utilizar uma fase de teste emitindo qualquer sinal com um dos transdu-tores Xt, todos os outros transdutores Xk (k sendo diferente de t) então es-tando no modo de recebimento. Se nenhum dos transdutores no modo derecepção receber um sinal, então o transdutor Xt será declarado ter falhadoe o sistema 4 de acordo com a invenção mudará para anticongelamento pa-ra o outro transdutor Yt do par de transdutores Ct. A técnica de tempo de idae volta (aqui abaixo detalhada na parte de descongelamento) pode ser utili-zada para refinar a localização da fonte S pelos transdutores no modo derecepção.
Quando colocado em serviço, e de modo a limitar o consumo deenergia elétrica e preservar a vida útil dos transdutores Tk, é vantajosamentepossível escolher acoplar o sistema 4 de acordo com a invenção somente nas condições de congelamento. Para este fim, é possível utilizar este sistema 4 em modo de detecção pela utilização de um número menor de trans-dutores Tk e/ou transdutores dedicados (que geram uma energia mais fraca) os quais operam de acordo com a técnica de tempo de ida e volta. Os testes de presença de gelo regulares podem assim ser executados. O benefício de monitorar a presença de gelo com uma rede dedicada é que esta conserva a vida útil dos transdutores Tk de anticongelamento.
Como ilustrado nas figuras 5 e 9, as matrizes 16 de malhas (i, j) adjacentes estão vantajosamente separadas umas das outras por um meio de amortecimento acústico 17, 18 que são pelo menos capazes de evitar a propagação das ondas de uma matriz 16 para outra e o qual compreende tiras de amortecimento 17 com base em um elastômero viscoelástico, tal como o "Deltane". Estas tiras de amortecimento 17 são limites opostos respectivamente dispostos entre as matrizes 16, entre a face interna 11 da estrutura 3 oposta à superfície externa 2 a ser tratada e uma placa de suporte metálica 19, feita de titânio, por exemplo. Para uma estrutura que tem 2,5 mm de espessura, a espessura a de cada tira de amortecimento de "Deltane" 17 tem, por exemplo, 0,5 mm de espessura e a espessura b da placa de suporte de titânio 19 é, por exemplo, também de 0,5 mm. Deste modo, as matrizes 16 são administradas independentemente umas das outras quando implementando o anticongelamento e o descongelamento de acordo com a invenção.
De preferência, estes meios de amortecimento 17, 18 também compreendem margens 18 (visíveis na figura 5) as quais estão também baseadas em um elastômero viscoelástico, tal como o "Deltane", e as quais estão dispostas opostas a uma área periférica da área 1 a ser tratada circundando tanto as matrizes 16 quanto os transdutores 10, estas margens de amortecimento 18 sendo projetadas para evitar a reflexão por efeito de borda das ondas emitidas em cada matriz 16. É assim possível simplificar a administração das ondas de anticongelamento dentro de cada matriz 16.
Como uma variante, seria ao contrário possível utilizar a reflexãopor efeito de borda, ao redor de cada matriz 16 e dos transdutores 10 correspondentes, para gerar ondas estacionárias nos mesmos.
De acordo com uma característica importante da invenção, é também possível utilizar o sistema de anticongelamento 4 para descongelar a superfície externa 2 da estrutura de avião 3, no caso de congelamento excessivo, de modo a contentar-se com o modo de anticongelamento. Neste caso, o modo de descongelamento é selecionado vantajosamente implementando a técnica de tempo de ida e volta. Ao contrário do modo de anticongelamento anteriormente descrito, o objetivo aqui é localizar os pontos de formação de gelo e tratá-los conforme estes aparecem.
Referindo à figura 7, o princípio de tempo de ida e volta está baseado na natureza multimodal e dispersiva das ondas de ultrassom. Este consiste em "ouvir" os sinais que vêm de uma fonte S, captando estes sinais utilizando um transdutor piezoelétrico Tk e armazenando-os em uma memória interna. Estes sinais podem então ser invertidos (isto é, no sentido de uma cronologia inversa) e re-emitidos após a inversão. Pode ser visto que a onda assim retornada e re-emitida utiliza o mesmo percurso retornando que esta utilizou ao sair e é refocalizada sobre o ponto de origem S. Isto implica em utilizar os transdutores reversíveis Tk, isto é, os transdutores que podem funcionar sucessivamente em modo de recepção e em modo de emissão. O tempo de ida e volta está baseado na singularidade de resposta de acordo com o lugar de emissão. Mais ainda, uma escolha é vantajosamente feita para comprimir a onda recebida antes de re-emiti-la, para concentrar a energia sobre este ponto de origem S. O tempo de ida e volta pode assim ser explorado para produzir o mapa das assinaturas acústicas de uma superfície anteriormente "não-sonificada":
A operação do sistema 4 de acordo com a invenção no modo de descongelamento é portanto como segue:
- na ou em cada matriz 16 de malhas (i, j), um ou mais transdutor(es) Ti que atua(m) como emissor(es) emite(m) uma onda de ultrassom,
- esta onda "atravessa" o percurso da singularidade S provocado pelo acúmulo local de gelo sobre a superfície externa 2 a ser tratada da es-trutura 3,
- os outros transdutores T2 a T6 da matriz 16, os quais então o-peram no modo de recepção, recebem um sinal que origina desta onda, e
- este sinal recebido é invertido e comprimido para retornar para a singularidade S, a energia devidamente refocalizada tornando possível efetivamente soltar o gelo da estrutura 3.
Será novamente notado que o sistema 4 de acordo com a invenção também torna possível reduzir o consumo de energia no modo de des-congelamento, comparado com os sistemas de descongelamento existentes.
Claims (29)
1. Sistema de anticongelamento (4) que utiliza ondas de ultras-som para uma superfície externa (2) de uma estrutura (3) provavelmente a ser congelada, tal como uma asa ou uma nacele de motor de um avião, este sistema compreendendo uma pluralidade de transdutores piezoelétricos (10, Tr, Xk, Yk) com os quais a estrutura está equipada faceando esta superfície externa, caracterizado pelo fato de que este compreende um meio de esca-near pelo menos uma matriz (16) de malhas elementares (i, j) predefinidas nesta superfície relativa a uma disposição regular de um grupo destes transdutores, este meio de escaneamento sendo capaz de focalizar as ondas e-mitidas por todos os ou alguns dos transdutores do ou de cada grupo sobre estas malhas uma após a outra, através de um meio de somatório de sinal acoplado a este meio de escaneamento e capaz de produzir, para cada malha, um somatório dos sinais obtidos dos transdutores que emitem estas ondas.
2. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que este meio de somatório é capaz de recalcular a cada instante o comprimento de onda e a fase de cada sinal e-mitido por cada transdutor (10, Tk, Xk, Yk) do ou de cada grupo dentro da ou de cada matriz (16) associada, de modo que este meio de escaneamento focaliza em um modo sincronizado sobre cada malha (i, j) a soma das ondas emitidas com uma amplitude máxima para a onda resultante.
3. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os ditos transdutores (10, Tk, Xk, Yk) estão montados sobre uma face interna (11) da dita estrutura (3) a qual é oposta à dita superfície externa (2).
4. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o ou cada grupo de transdutores (10, Tk, Xk, Yk) associados a ou cada matriz (16) de malhas (i, j) compreende duas séries (8 e 9) de transdutores respectivamente dispostos faceando e opostos a duas bordas periféricas paralelas da dita superfície externa (2) que são externas à matriz correspondente.
5. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que cada uma das duas séries (8 e 9) dos transdutores (10, Tk, Xk, Yk) compreende uma pluralidade de pares (Ck) de transdutores uniformemente espaçados em uma direção da matriz (16) correspondente, um dos dois transdutores (Yk) de cada par sendo designado para substituir o outro transdutor (Xk) caso o último falhe.
6. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que cada transdutor (10, Tk, Xk, Yk) do dito ou cada grupo é alimentado por um gerador elétrico (12) por meio de cabos alojados na dita estrutura (3), e está conectado a uma memória (13) acoplada a um computador designado para calcular os parâmetros da onda a ser enviada para cada malha (i, j), todos os transdutores estando ligados a um e o mesmo dispositivo de gerenciamento eletrônico (14) capaz de controlar estes meios de escaneamento de acordo com seqüências de escaneamento determinadas.
7. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que este compreende pelo menos um dispositivo (15) para medir a temperatura da dita superfície externa (2) o qual está acoplado no dito dispositivo de gerenciamento (14), para definir as ondas utilizadas em cada seqüência de escaneamento.
8. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que este também compreende um meio de amortecimento acústico (17, 18) que é pelo menos capaz de evitar a propagação das ditas ondas emitidas de uma das matrizes (16) para as outras matrizes adjacentes.
9. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito meio de amortecimento (17, 18) compreende tiras de amortecimento de separação (17) entre as matrizes (16), as quais estão de preferência cada uma baseada em um elastômero viscoelástico, tal como o "Deltane", e as quais estão respectivamente dispostas opostas a limites entre as matrizes, entre uma face interna (11) da ditaestrutura (3) oposta à dita superfície externa (2) e uma placa de suporte (19), de preferência metálica.
10. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o dito meio de amortecimento (17, 18) também compreende margens de amortecimento (18), as quais estão de preferência, cada uma, baseadas em um elastômero viscoelástico, tal como o "Deltane", e as quais estão dispostas opostas a uma área periférica da dita superfície externa (2) que circunda ambas as ou cada matriz (16) e transdu-tores (10, Tk, Xk, Yk) associados, estas margens de amortecimento sendo capazes de evitar a reflexão por efeito de borda das ditas ondas emitidas em cada matriz.
11. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o ou cada grupo de transdutores (10, Tk, Xk) Yk) compreende transdutores reversíveis os quais são sucessivamente capazes de emitir e receber as ditas ondas, especificamente para detectar por tempo de ida e volta a presença de áreas congeladas (S) sobre a ou cada matriz (16).
12. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que este também é capaz de descongelar sucessivamente as ditas áreas congeladas (S) após a detecção das últimas por tempo de ida e volta, pelo menos um dos transdutores (10, Tk, Xk, Yk) que opera como emissor e os outros como receptores, este sistema compreendendo um meio de armazenamento de sinal emitido acoplado a um meio de compressão e inversão de sinal armazenado, o dito meio de escaneamento sendo capaz de refocalizar estes sinais invertidos e comprimidos na direção das ditas áreas congeladas.
13. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que cada um dos transdutores (10,Tk, Xk, Yk) é um transdutor piezoelétrico de múltiplas camadas com base em um material cerâmico.
14. Sistema de anticongelamento (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que estecompreende uma rede formada por uma pluralidade de matrizes (16) cada uma compreendendo uma multiplicidade de malhas (i, j), as últimas estando, por exemplo, presentes em um número entre 500 e 5000 em cada matriz.
15. Estrutura de avião (3) provável de ser congelada sobre a sua estrutura externa (2), tal como uma superfície de asa ou de nacele de motor, caracterizada pelo fato de que esta incorpora um sistema de anticongela-mento (4) como definido em uma das reivindicações precedentes.
16. Estrutura de avião (3) que forma uma asa de avião de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que cada grupo de transdutores (10,Tk, Xk, Yk) associado a ou cada matriz (16) compreende duas séries (8 e 9) de transdutores respectivamente dispostos sobre os lados de superfície superior (6) e de superfície inferior (7) opostos a duas bordas periféricas paralelas da dita superfície (2), as quais são externas a esta matriz, os transdutores de cada série estando uniformemente espaçados em uma direção longitudinal da estrutura e estando acoplados a respectivamente dois coletores de fonte de alimentação elétrica de superfície superior e superfície inferior.
17. Método de anticongelamento que utiliza ondas de ultrassom para uma superfície externa (2) de uma estrutura (3) provavelmente a ser congelada, tal como uma asa ou uma nacele de motor de um avião, este método utilizando uma pluralidade de transdutores piezoelétricos (10,Tk, Xk, Yk) com os quais a estrutura está equipada adjacente a esta superfície, caracterizado pelo fato de que este principalmente compreende:- uma emissão de ondas em deslocamento, em pelo menos uma matriz (16) de malhas elementares (i, j) predefinidas nesta superfície externa em relação a uma disposição uniforme de um grupo destes transdutores, por todos ou alguns dos últimos,- um somatório, para cada malha desta matriz, de sinais obtidos dos transdutores que emitem estas ondas e representativos dos últimos, e- pelo menos um escaneamento desta matriz, para focalizar asondas em deslocamento resultantes emitidas destas malhas uma após a outra.
18. Método de anticongelamento de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que cada escaneamento da ou de cada matriz (16) é executado em um modo sincronizado recalculando a cada instante o comprimento de onda e a fase dos ditos sinais para maximizar a energia vibratória sobre cada uma das malhas (i, j) com uma amplitude total máxima para o sinal resultante, de preferência correspondendo a um deslocamento gerado sobre estas malhas igual a ou maior do que 1 ^m.
19. Método de anticongelamento de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que as dimensões da ou de cada matriz (16) e o número dos transdutores (10,Tk, Xk, Yk) dentro de cada grupo associado são escolhidos de acordo com o período de escaneamento máximo desejado.
20. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, caracterizado pelo fato de que os transdutores (10,Tk, Xk, Yk) emitem pacotes de ondas focalizados sobre cada malha (i, j) da ou de cada matriz (16) a ser tratada, as freqüências das quais estão entre 100kHze5MHz.
21. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizado pelo fato de que a temperatura da dita superfície externa (2) é medida para escolher as ondas da seqüência de escaneamento para cada transdutor (10,Tk, Xk, Yk).
22. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade das matrizes (16) é definida sobre a dita superfície externa (2), a qual cada matriz compreende uma multiplicidade de malhas (i, j), por exemplo, presentes em um número entre 500 e 5000 em cada matriz.
23. Método de anticongelamento de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que, entre os pares adjacentes de matrizes (16), as ondas emitidas em uma destas são amortecidas para evitar a sua propagação para a matriz adjacente.
24. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 23, caracterizado pelo fato de que as ondas emitidasem cada matriz (16) são amortecidas para evitar a reflexão por efeito de borda, ao redor desta matriz e dos transdutores (10,Tk, Xk, Yk) correspondentes.
25. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 23, caracterizado pelo fato de que a reflexão por efeito de borda, ao redor de cada matriz e dos transdutores (10,Tk, Xk, Yk) correspondentes, é utilizada para gerar as ondas estacionárias.
26. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 25, caracterizado pelo fato de que pares (Ck) de transdutores (10,Tk, Xk, Yk) estão providos, uniformemente espaçados em uma direção da matriz (16) correspondente, um dos dois transdutores de cada par sendo utilizado para substituir o outro transdutor caso o último falhe.
27. Método de anticongelamento de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que testes são executados antes de implementar o anticongelamento, que consistem em:- emitir um sinal com um transdutor de emissão a ser testado incluído em um par (Ck) de transdutores (1,Tk, Xk, Yk) associados a ou cada matriz, todos os outros transdutores do grupo correspondente sendo utilizados em um modo de recepção e, neste caso, em- verificar para ver se pelo menos um destes transdutores (Xk) no modo de recepção não recebe este sinal, de preferência utilizando a técnica de tempo de ida e volta para refinar a localização da fonte de emissão pelos transdutores no modo de recepção, e- ter a implementação do anticongelamento mudada para o outro transdutor de emissão (Yk) devido à falha do transdutor (Xk).
28. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 27, caracterizado pelo fato de que é também implementado um descongelamento da dita superfície externa (2) pela técnica de tempo de ida e volta, para a ou cada matriz (16) de malhas (i, j);- tendo uma onda emitida para pelo menos um transdutor (Ti) utilizado no modo de emissão associado a ou cada matriz, esta onda encon-trando uma singularidade provocada por um ponto de formação de gelo (S) sobre esta matriz,- captando, por todos ou alguns dos transdutores (T2 a T6) associados a esta mesma matriz e utilizados no modo de recepção, o sinal representativo desta onda que encontrou a sua singularidade, e armazenando este sinal em uma memória interna, e- invertendo e comprimindo este sinal para refocalizar a onda que corresponde a este sinal invertido e comprimido na direção da dita singularidade, para descongelar sucessivamente os pontos de gelo conforme estes formam, após estes terem sido localizados.
29. Método de anticongelamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 28, caracterizado pelo fato de que cada um dos transdutores (10,Tk, Xk, Yk) exibe uma espessura, medida na direção da espessura da estrutura (3), a qual é da ordem de um meio-comprimento de onda de ultrassom.
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