ES2251457T3 - Proyector de frecuencia de resonancia sintonizable. - Google Patents

Abstract

Un proyector de frecuencia sintonizable para el acoplamiento entre señales eléctricas y las ondas acústicas correspondientes en un ambiente expuesto al proyector, el proyector (10, 300, 400, 500, 700) incorporando: - un medio de transducción para el acoplamiento entre las señales y las ondas acústicas correspondientes - un medio de sintonización piezoelétrico para sintonizar una frecuencia de resonancia del medio de transducción. el medio de transducción comprendiendo uno o más elementos de transducción (20a, 20d, 340, 420, 520, 620, 720, 770) y el medio de sintonización comprendiendo uno o más elementos de sintonización (20b, 20c, 330, 410, 510, 610, 710, 760), los elementos estando acoplados mutuamente de manera mecánica y siendo operables para vibrar como una estructura compuesta, donde el medio de transducción y el medio de sintonización están incorporados en una o más paredes (16a, 16b, 320, 415, 530, 710, 720, 760, 770) de una cavidad (106), la o las paredes aislando al menos parcialmente la cavidad del ambiente, caracterizado porque los elementos vibran en un modo de vibración de flexión o un modo de vibración radial de manera que una o más paredes sean operables para vibrar en al menos uno de un modo de vibración de flexión o un modo de vibración radial para comprimir y expandir de manera cíclica la cavidad.

Description

Proyector de frecuencia de resonancia sintonizable.

La presente invención está relacionada con un proyector de frecuencia sintonizable para el acoplamiento entre señales eléctricas y las vibraciones acústicas correspondientes, en particular, pero no exclusivamente, con un proyector de frecuencia sintonizable que emplea modos de vibración radial o de flexión y apropiado para uso en ambientes acústicos.

Los proyectores forman una categoría de transductores que son operables para ser estimulados en vibración mecánica mediante señales eléctricas y de esta manera emiten ondas acústicas. Sin embargo, los proyectores son también operables para recibir ondas acústicas y generar señales eléctricas correspondientes en respuesta. Los proyectores típicamente emplean materiales electroestrictivos polarizados hechos por el hombre tales como titanato de plomo zirconato (LZT). Tales materiales electroestrictivos son comúnmente referidos como "materiales piezoeléctricos".

Un tipo conocido de transductor capaz del acoplamiento entre ondas acústicas y señales eléctricas asociadas comprende un disco metálico unido a un disco LZT polarizado. El disco metálico incorpora una primera y segunda caras mayores que son planas y mutuamente paralelas. De igual forma, el disco LZT comprende una tercera y cuarta caras mayores que son también mutuamente paralelas. El disco LZT está unido mediante adhesivo o por soldadura en una de sus caras mayores a una de las caras mayores del disco metálico para formar una estructura concéntrica compuesta. Ambas tercera y cuarta caras del disco LZT están metalizadas para proporcionar los primer y segundo electrodos respectivamente. Una señal eléctrica alternativa aplicada entre los primer y segundo electrodos genera un campo eléctrico alternativo a través del disco LZT el cual cambia cíclicamente la tensión dentro del disco, provocando de esta forma que éste y el disco metálico al cual está acoplado vibren. De manera contraria, las ondas acústicas que acoplan al disco LZT y metálico resultan en cambios de tensión dentro del disco LZT provocando de esta forma una señal eléctrica alternativa correspondiente a ser generada en los electrodos.

La estructura compuesta está soportada en operación en su extremo periférico y exhibe modos de resonancia mientras que su eficiencia para el acoplamiento entre las ondas acústicas y las señales eléctricas correspondientes es mejorada en comparación con la operación fuera de resonancia. La ecuación 1 proporciona una expresión para los modos de resonancia:

Ec. 1\nu_{n} = \frac{1}{2 \pi \sqrt (M_{n}C_{n})}

donde

\nu_{n} = frecuencia resonante de un modo n;

M_{n} = masa resonante efectiva colectiva de la estructura en el modo n; y

C_{n} = elasticidad efectiva colectiva de la estructura en el modo n.

Un modo útil de resonancia para la estructura corresponde a la conversión momentánea de los discos en cóncavo y convexo cuando se flexionan; esto será referido como su modo de flexión de resonancia.

El tipo conocido de transductor descrito anteriormente presenta el problema de que su resonancia puede exhibir factores Q_{m} de resonancia mecánica relativamente altos, por ejemplo en exceso de 10, lo que limita una frecuencia de banda ancha a través de la cual el transductor funciona más eficientemente. En la práctica, la banda ancha es inversamente proporcional al factor Q_{m}, por lo tanto no es posible actualmente obtener una eficiencia mejorada a través de un rango amplio de frecuencia que esté muy en exceso de las bandas anchas asociadas con las resonancias.

En una publicación "Transductor Sonar Sintonizable" por Steel y otros, Electronic Letters 3, Julio 1986 Vol.22 No. 14 pp. 758-759, un transductor es descrito comprendiendo en secuencia un primer disco de cerámica LZT referido como "cerámica de accionamiento" y un segundo disco de cerámica LZT referido como "cerámica de control". Los discos de cerámica están mutuamente unidos en sus caras colindantes por medio de adhesivo epoxi. Además, los discos son soportados por una región de fondo de epoxi/hierro sólida.

El primer disco LZT funciona como un elemento de accionamiento para excitar las vibraciones mecánicas, mientras que el segundo disco LZT funciona como un elemento de rigidez variable cuyo mecanismo de rigidez puede ser variado dependiendo de la carga eléctrica conectada al mismo. Controlando la rigidez del segundo disco, la frecuencia resonante fundamental del transductor puede ser sintonizada a través de un rango de 2.6 octavos.

En el transductor, el primer disco LZT es operable para vibrar en un modo longitudinal o grueso, específicamente el disco momentáneamente se engruesa y se afina en respuesta a una señal de accionamiento eléctrica aplicada al mismo. Esto es conocido como un "modo longitudinal" o "modo grueso" de operación. El primer disco LZT es operable para emitir ondas de presión acústicas en un medio que rodea al transductor.

El transductor descrito en la publicación sería considerado por una persona versada en la materia como óptimo debido a que el transductor puede ser sintonizado para operar en su resonancia fundamental a través de un rango de frecuencia relativamente amplio de 2.6 octavos.

En contraste con el transductor, el inventor ha apreciado que es factible extender la banda ancha de operación de un proyector mientras que también se asegura que el mismo proporcione una eficiencia de acoplamiento mejorada asociada con la operación en resonancia, el proyector incorporando una cavidad que es cíclicamente comprimida y enrarecida cuando el proyector está vibrando en un modo radial o de flexión.

De acuerdo a un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un proyector de frecuencia sintonizable para el acoplamiento entre señales eléctricas y ondas acústicas correspondientes en un ambiente expuesto al proyector, el proyector incorporando un medio de transducción para el acoplamiento entre las señales y las ondas acústicas correspondientes y un medio de sintonización para sintonizar una frecuencia resonante del medio de transducción, el medio de transducción y el medio de sintonización incorporados en una o más paredes de una cavidad, la única o más paredes al menos aislando parcialmente la cavidad del medio ambiente, y la única o más paredes operables para vibrar en al menos uno de un modo de vibración de flexión y un modo de vibración radial para comprimir y expandir cíclicamente la cavidad.

La invención proporciona la ventaja de que el proyector exhibe modos de resonancia cuyas frecuencias resonantes son capaces de ser barridas para equiparar la frecuencia de las señales eléctricas aplicadas al proyector o generadas en el proyector, mejorando de esta forma la eficiencia de operación del proyector.

Al menos uno del medio de transducción y el medio de sintonización son preferiblemente fabricados de materiales activos tales como uno o más de titanato de plomo zirconato, titanato de plomo, titanato de bario o metaniobato de plomo. Además, el novato de magnesio plomo en combinación con titanato de plomo es también usable, estos estando en su forma cerámica o cristalina. Además, el cuarzo cristalino o u material magnetoestrictivo tal como níquel o un material patentado Terfenol D pueden ser usados.

Para los propósitos de describir la invención, una cavidad es definida como una región llena de fluido al menos parcialmente rodeada por paredes asociadas, el fluido siendo uno o más gases (por ejemplo incluyendo aire), un vapor, un líquido, un sólido comprimible o una mezcla de los mismos. Además, un modo de flexión de vibración es definido como un modo de vibración en el que un miembro es excitado en vibración como una consecuencia de la tensión diferencial cíclica generada a través del miembro provocándole flexionarse; este modo de flexión no incluye deflexión del miembro por la aplicación de una fuerza directa al mismo como en un modo de vibración longitudinal o grueso. Además, un modo radial de vibración es definido como un modo de vibración de un miembro sustancialmente de forma circular, por ejemplo un cilindro o un aro, donde éste se expande de manera radial cíclicamente y se contrae.

Un aro es definido como un miembro circular cuyo radio y altura están en una proporción que no excede 1.5.

Convenientemente, el medio de transducción comprende uno o más elementos de transducción y el medio de sintonización incorpora uno o más elementos de sintonización, los elementos están acoplados mutuamente de manera mecánica y son operables para vibrar como una estructura compuesta en un modo de vibración de flexión o un modo de vibración radial. Esto proporciona la ventaja de que el medio de sintonización es efectivo en la sintonización del medio de transducción.

Ventajosamente, la rigidez mecánica del medio de sintonización es modificable en respuesta a una carga eléctrica o un potencial eléctrico aplicado al medio de sintonización. Tal modificación es beneficiosa debido a que permite la sintonización rápida del medio de transducción bajo control electrónico.

Los elementos son componentes frágiles cuyos bordes abruptos pueden romperse cuando vibran fuertemente y cuyos bordes abruptos pueden desconcharse durante el montaje. Es por lo tanto beneficioso asegurarse de que los elementos incorporen bordes periféricos que sean redondos. Tal forma redonda contrarresta los problemas de bordes rotos y mellados.

Convenientemente, el uno o más elementos de transducción comprenden una cerámica LZT Navy Tipo I o III y el uno o más elementos de transducción comprenden una cerámica LZT Navy Tipo VI de acuerdo a la norma MIL-STD-1376 de los Estados Unidos. Estas cerámicas proporcionan propiedades mecánicas y de transducción que se adaptan bien para el proyector.

Cuando se opera en el modo de vibración de flexión, al menos una pared de la cavidad incorpora ventajosamente una placa de refuerzo sobre la cual los elementos están mecánicamente montados. La placa de refuerzo proporciona un soporte práctico para los elementos y es suficientemente elástica para vibrar en un modo de flexión.

Convenientemente, la placa de refuerzo es fabricada de un acero para herramientas de alta resistencia o un acero obtenido por envejecimiento martensítico, por ejemplo acero martensítico Aeromet-100. Estos aceros proporcionan la ventaja de ser capaces de soportar presiones asociadas a la operación del proyector en ambientes acuáticos a profundidades de varios cientos de metros. Alternativamente, la placa de refuerzo puede ser fabricada de una aleación de aluminio, latón o bronce, u otro material conveniente.

Para mejorar la capacidad de soportar presión del proyector, la placa de refuerzo puede ser de un grosor no uniforme. Convenientemente, la placa de refuerzo es circular y engruesa hacia un ápice en la región central de la placa para equilibrar la distribución de la tensión a través de los elementos y contrarresta las concentraciones de tensión que limitan la ejecución profunda y la amplitud de la señal de accionamiento permisible del proyector.

Para obtener una mayor amplitud de las ondas acústicas en un medio que rodea el proyector, una pluralidad de las paredes pueden incorporar el medio de transducción y el medio de sintonización, las paredes son acopladas a través de un elemento separador, el elemento separador y las paredes son operables de manera que cooperen para cerrar la cavidad.

Convenientemente, el elemento separador es fabricado de un metal. Para lograr mejorar la robustez y contrarrestar la corrosión, el metal es preferiblemente un acero inoxidable. Alternativamente, el separador puede ser fabricado de un material aislante. Convenientemente, el material aislante es un polímero reforzado con fibra.

Ventajosamente, el elemento separador incorpora una protuberancia para el acoplamiento sobre uno o más soportes de las placas de refuerzo que soporta el medio de transducción y el medio de sintonización, la protuberancia opera para proporcionar una montura de borde anular para las placas de refuerzo. La incorporación de la protuberancia proporciona una manera conveniente de construir el proyector y formar su cavidad.

Para simplificar la construcción del proyector y de esta manera reducir potencialmente su costo de fabricación, los elementos pueden estar unidos mutuamente de manera directa y también unidos directamente a su placa de refuerzo asociada, la placa de refuerzo funcionando como una primera conexión eléctrica a los elementos y una interfase entre los elementos funcionando para proporcionar una segunda conexión común entre los elementos.

De acuerdo a un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un proyector cuyas paredes están sustancialmente en la forma de una estructura en forma de aro o cilíndrica que comprende el medio de transducción y el medio de sintonización.

Convenientemente, la estructura es operable para vibrar en un modo de vibración radial. Una estructura en forma de aro o cilíndrica es una forma geométrica robusta capaz de vibrar de manera radial y también capaz de soportar elevadas presiones asociadas con la operación del proyector en ambientes acuáticos a profundidades de varios cientos de metros.

Ventajosamente, los elementos del medio de transducción comprenden una cerámica LZT Navy Tipo I o III y los elementos del medio de sintonización comprenden una cerámica LZT Navy Tipo VI. Estas cerámicas LZT se adaptan bien para el uso en el proyector de acuerdo al segundo aspecto de la invención.

Convenientemente, para los propósitos de hacer conexiones eléctricas, los elementos del medio de transducción son dispuestos en pares colindantes, y los elementos del medio de sintonización son también dispuestos en pares colindantes. Las conexiones eléctricas pueden ser hechas a los elementos en interfases donde los elementos de cada par colindan mutuamente.

Ventajosamente, los elementos encierran la cavidad dentro del proyector. Tapas extremas son convenientemente incorporadas a los extremos de la estructura para formar la cavidad dentro de la estructura. Para prevenir que los elementos entren en corte eléctrico, las tapas extremas son preferiblemente fabricadas de un material aislante.

Alternativamente, la estructura en forma de aro o cilíndrica puede estar abierta en sus extremos e incorporar un elemento centralmente localizado, por ejemplo un tubo aislante hueco, montado de manera concéntrica adentro y separado por un espacio anular. El uso del elemento montado de manera concéntrica proporciona la ventaja de incrementar la sensibilidad de transducción de la estructura, y proporciona una montura para una pluralidad de transductores cilíndricos o en forma de aros configurados en una serie lineal.

Realizaciones de la invención serán descritas ahora, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los siguientes diagramas en los que:

La Figura 1 es una vista en planta de un proyector de acuerdo a una primera realización de la invención;

La Figura 2 es una vista en sección transversal a través del proyector mostrado en la Figura 1;

La Figura 3 es una vista en sección transversal a través de un proyector de acuerdo a una segunda realización de la invención;

La Figura 4 es una ilustración en vista lateral de un proyector de acuerdo a una tercera realización de la invención;

La Figura 5 es una ilustración en vista lateral de un proyector de acuerdo a una cuarta realización de la invención incluyendo un tubo concéntrico hueco;

La Figura 6 es una ilustración de una vista en planta del proyector mostrado en la Figura 4;

La Figura 7 es una ilustración de un proyector de acuerdo a una quinta realización de la invención incluyendo tubos huecos concéntricos;

La Figura 8 es una ilustración de un proyector de acuerdo a una sexta realización de la invención incluyendo elementos en forma de aros concéntricos; y

La Figura 9 es una ilustración esquemática de una vibración en modo radial del proyector mostrado en la Figura 5.

Con referencia ahora a la Figura 1, es mostrado un proyector flexor de frecuencia sintonizable indicado por 10 comprendiendo un separador cilíndrico 12, una placa de refuerzo circular 16 que incorpora un borde de labio periférico 14 acoplable en el separador 12, y un disco de cerámica LZT 20. El separador 12, la placa 16 y el disco 20 están alineados mutuamente de manera concéntrica. El disco 20 está montado en una cara mayor dirigida hacia afuera de la placa de refuerzo 16.

Una estructura interna del proyector 10 es ilustrada en una vista en sección transversal indicada por 100 en la Figura 2. Esta vista en sección trasversal 100 es tomada con respecto a la línea A-B en la Figura 1.

Aunque no está ilustrado en la Figura 1, el proyector 10 incorpora un total de dos placas de refuerzo 16a, 16b y cuatro discos de cerámica 20a, 20b, 20c, 20d. Además, el proyector 10 es simétrico en relación a un plano que intercepta el separador 12 por la mitad, el plano siendo paralelo a las superficies mayores expuestas de las placas 16 y los discos 20.

Las placas de refuerzo 16a, 16b son fabricadas a partir de un acero martensítico, por ejemplo Aeromet 100, aunque acero para herramientas de alta resistencia, una aleación de aluminio, latón o bronce son alternativamente empleables para reducir los costos.

De forma muy importante, las placas de refuerzo 16a, 16b son de grosor no uniforme, específicamente ellas engruesan progresivamente hacia su centro axial para formar ápices no expuestos 102a, 102b respectivamente. Este engrosamiento progresivo permite que el proyector 10 funcione con presiones externas aplicadas al mismo que serían por otra parte capaces de provocar fallo por fractura o despolarización de los discos 20 si las superficies mayores de las placas de refuerzo 16a, 16b estuvieran todas mutuamente paralelas.

El separador 12 incorpora una protuberancia anular orientada hacia adentro 104 sobre la que los labios 14a, 14b de las placas 16a, 16b acoplan respectivamente. La protuberancia 104 en cooperación con las placas 16a, 16b forma una cavidad llena de fluido 106 en una región central del proyector 10. La cavidad 106 puede ser, por ejemplo, llenada con aire, un vapor, un líquido o un sólido comprimible.

Los discos de cerámica 20b, 20c están unidos de manera adhesiva o soldados a las caras mayores orientadas hacia fuera de las placas 16a, 16b respectivamente. De igual forma, los discos de cerámica 20a, 20d están unidos de manera adhesiva o soldados a los discos de cerámica 20b, 20c respectivamente. Los discos 20 tienen bordes periféricos redondos; esto proporciona un beneficio de hacer estas partes menos propensas al daño, por ejemplo por melladuras durante el montaje.

Ventajosamente, los discos de cerámica 20a, 20d son designados para ser discos de transducción operables para sentir las ondas acústicas y proporcionar las señales correspondientes, o para generar vibraciones acústicas en respuesta a una excitación eléctrica aplicada a los mismos. Ellos son fabricados de una cerámica LZT Navy Tipo I, si el proyector 10 es operado de una manera de accionamiento por pulso. Alternativamente, los discos 20a, 20d pueden ser fabricados de una cerámica LZT Navy Tipo III si el proyector 10 es operado en una forma de ondas continuas. Las cerámicas LZT Navy Tipo I y Navy Tipo III son definidas en una norma MIL-STD-1376 de los Estados Unidos "Material de Cerámica Piezoeléctrica y Pautas de Medición para Transductores Sonares" Versión B, 1995.

Ventajosamente, los discos de cerámica 20b, 20c son designados para ser discos de sintonización operables para proporcionar una rigidez eléctricamente modificable. Ellos son fabricados de una cerámica relativamente más suave Navy Tipo VI ("suave") de acuerdo a la norma MIL-STD-1376.

La Tabla 1 proporciona una indicación de algunas características de las cerámicas Navy Tipo I, II, III y VI que distingue mutuamente éstas por las condiciones de carga de corto circuito y circuito abierto.

TABLA 1

Elasticidad	Carga eléctrica	Cerámica	Cerámica	Cerámica	Cerámica
		Navy Tipo I	Navy Tipo II	Navy Tipo III	Navy Tipo VI
S^{E}_{33}(pm^{2}/N)	corto circuito	15.5	18.8	13.5	20.8
S^{D}_{33}(pm^{2}/N)	circuito abierto	7.9	9.4	8.5	9.0
Cambio		96%	100%	59%	131%

Los datos en la Tabla 1 son tomados a partir de la información proporcionada por una compañía Morgan Matroc que fabrica partes de cerámicas LZT.

La cerámica Navy Tipo VI es sustancialmente diferente de las cerámicas Navy Tipo I y III con relación a la elasticidad. Las cerámicas Navy Tipo II y VI exhiben un cambio proporcionalmente mayor en la constante de elasticidad entre las condiciones de cortocircuito y circuito abierto comparado con las cerámicas Navy Tipo I y III; este cambio hace que la cerámica Navy Tipo VI sea particularmente apropiada para el uso en la sintonización del proyector 10.

Los discos de cerámica LZT Navy Tipo VI exhiben una rigidez mecánica S_{33} que puede ser variada en un rango desde sustancialmente 20.8 pm^{2}/N a 9.0 pm^{2}/N según si la carga eléctrica aplicada a los discos es variada de circuito abierto a cortocircuito respectivamente; esto corresponde con un cambio de rigidez del 131%.

Los discos 20a, 20b, 20c, 20d son sustancialmente de 5.5 mm de grosor y 75 mm de diámetro. Además, los discos 20a, 20b, 20c, 20d están polarizados en una dirección normal a sus superficies mayores y metalizados sobre estas superficies para proporcionar dos conexiones eléctricas por cada disco 20. Además, los discos 20b, 20c son conectados a impedancias de carga variable respectiva en el equipo eléctrico que puede ser variado en un rango de una carga sustancialmente capacitiva a una carga sustancialmente inductiva. Alternativamente, los discos 20b, 20c están conectados a una fuente de señal de accionamiento que es operable para modificar su rigidez mecánica efectiva.

Cuando el proyector 10 es operable como un transmisor, los discos 20a, 20d están conectados a una fuente de señal de accionamiento incluida en el equipo eléctrico para excitar la vibración mecánica en el proyector 10 para la proyección desde allí como ondas acústicas. Alternativamente, cuando el proyector 10 es operable como un hidrófono, los discos 20a, 20d están conectados a la entrada de los amplificadores incluidos en el equipo eléctrico para generar una señal recibida de la salida de los amplificadores. La fuente y las impedancias de carga variable son operables para excitar el proyector 10 en una frecuencia específica y proporciona cargas variables como para sintonizar la resonancia del proyector 10 a una frecuencia específica, asegurando de esta forma una eficiencia mejorada para convertir la señal de accionamiento en vibración mecánica dentro del proyector 10.

La operación del proyector 10 será ahora descrita con referencia a las Figuras 1 y 2.

Cuando el proyector 10 está siendo empleado como un transmisor, el equipo eléctrico emite la señal de accionamiento que excita los discos 20a, 20d en vibración. El equipo simultáneamente aplica una carga de impedancia, o una señal de accionamiento de amplitud desplazada y una fase subsidiaria desplazada, a los discos 20b, 20c para sintonizarlos y a sus placas de refuerzo asociadas 16a, 16b y a los discos 20a, 20d de manera que su frecuencia de resonancia compuesta coincida con un componente de señal principal en la señal de accionamiento. Las placas 16a, 16b vibran en respuesta a la señal de accionamiento en un modo de flexión, haciéndose de esta forma alternativamente cóncavas y convexas de manera cíclica. En contraste al arte anterior descrito arriba, los discos 20 no vibran en un modo longitudinal. El fluido dentro de la cavidad 106, por ejemplo aire, gas, vapor o sólido comprimible tal como espuma, comprimiéndose y rarificándose alternativamente de manera cíclica ya que las ondas acústicas están acopladas principalmente desde los discos 20a, 20d a un medio que rodea el proyector 10; el medio puede ser agua salada en un ambiente acuático por ejemplo. Los discos 20 cuando son ensamblados en el proyector 10 pueden estar recubiertos con una capa de polímero flexible tal como poliuretano para protegerlos del medio.

Cuando el proyector 10 está siendo empleado como un hidrófono para sentir las ondas acústicas recibidas allí, los discos 20a, 20d funcionan como sensores para generar una señal eléctrica para el equipo eléctrico y los discos 20b, 20c operan para sintonizar el proyector 10 a un rango de frecuencia de interés. El proyector 10 puede de esta forma, por ejemplo, estar hecho para operar como un hidrófono de frecuencia de barrido que es capaz de recibir y procesar ondas acústicas moduladas reflejadas a partir de una peligrosa colisión u obstáculo en la proximidad del hidró-
fono.

En una primera versión alternativa del proyector 10 operando como un hidrófono, la función de los discos 20 es modificada, específicamente los discos 20b, 20c funcionan como sensores para generar una señal eléctrica para el equipo eléctrico y los discos 20a, 20d operan para sintonizar el proyector 10 a un rango de frecuencia de interés.

En una segunda versión alternativa del proyector 10 operando como un transmisor, en vez de conectar los discos 20b, 20c a la impedancia variable, los discos 20b, 20c son conectados al equipo eléctrico pero reciben una señal de accionamiento que está desplazada en fase y desplazada en amplitud con relación a la señal de accionamiento aplicada a los discos 20a, 20d; tal disposición alternativa es operable para excitar el proyector 10 en una frecuencia específica y sintonizar su resonancia a la frecuencia específica en respuesta al ajuste del desplazamiento de fase y el desplazamiento de amplitud relativa.

En una tercera versión alternativa del proyector 10 operando como un transmisor, la función de los discos 20 es modificada, específicamente los discos 20b, 20c son discos de transducción e implementados usando cerámica LZT Navy Tipo I y los discos 20a, 20d son discos de sintonización e implementados usando cerámica LZT Navy Tipo VI.

En una cuarta versión alternativa del proyector 10, los separadores de aislamiento pueden ser incluidos para aislar mutuamente los discos de cerámica 20. Los separadores de aislamiento pueden ser fabricados de alúmina cerámica que proporciona propiedades sustancialmente aislantes. Preferiblemente, los separadores de aislamiento son sustancialmente de 85 mm de diámetro y 1 mm de grosor con bordes periféricos redondos para contrarrestar las melladuras. Los separadores de aislamiento tienen ventajosamente cada uno un diámetro que es varios mm más grande que los discos 20 para asegurar el aislamiento eléctrico efectivo, especialmente cuando señales de accionamiento de una amplitud de varios miles de voltios son aplicadas a los discos 20.

En el proyector 10, los discos 20 están polarizados en una dirección normal a sus caras mayores. Si es usado un material electroestrictivo no polarizado para los discos 20, campos eléctricos de polarización magnética son requeridos en la dirección normal a sus caras mayores para la operación. Alternativamente, si un material magnetoestrictivo es usado para los discos 20, campos magnéticos de polarización son aplicados con líneas de campo en dirección normal a sus caras mayores.

Será apreciado que variaciones del proyector 10 y versiones alternativas del mismo descritas pueden ser hechas sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, en diseños simplificados, las placas de refuerzo 16a, 16b pueden ser hechas de un grosor uniforme para simplificar su fabricación, ahorrando potencialmente de esta forma los costos pero degradando su robustez.

Además, las proyecciones radiales en dirección hacia adentro 104 pueden ser perfiladas en el lugar donde ellas acoplan sobre las placas 16a, 16b de manera de proporcionar una forma de arista anular de acoplamiento. Una disposición tal proporciona la ventaja de modificar la elasticidad efectiva de las placas de refuerzo 16a, 16b permitiendo de esta forma que las mismas sean sintonizadas en la fabricación del proyector 10 por el ajuste fino del diámetro de la arista anular.

Aunque en la Figura 2 los discos 20 son mostrados todos con dimensiones similares, es entendido que ellos pueden ser hechos con dimensiones mutuamente diferentes en una versión modificada del proyector 10.

Aunque el proyector 10 es ilustrado como una estructura simétrica en la Figura 2 e incorpora una pluralidad de placas de refuerzo 16, una versión simplificada del proyector 10 puede incorporar una placa de refuerzo simple como es ilustrado en la Figura 3 para reducir los costos.

Con referencia a la Figura 3, es mostrada una vista en sección transversal a través de un proyector de acuerdo a una segunda realización de la invención. El proyector es indicado por 300 y comprende un cuerpo cilíndrico indicado por 310, una placa de refuerzo circular 320, un primer disco de cerámica LZT 330, un segundo disco de cerámica LZT 340 y una capa de pasivación 350. Acero martensítico Aeromet-100 puede, por ejemplo, ser usado para fabricar la placa de refuerzo 320. La capa 350 incorpora material de poliuretano flexible para proteger los discos 330, 340 y la placa 320 de un ambiente que rodea el proyector 300, por ejemplo agua de mar. El cuerpo 310 es fabricado de un polímero reforzado con fibra eléctricamente aislante e incluye un paso dirigido hacia afuera 360 y una cara extremo rígida 370. Los discos 330, 340 son fabricados de cerámicas Navy Tipo VI y Navy Tipo I o III respectivamente.

La placa 320 es de un grosor no uniforme de una manera idéntica a las placas 16 para formar un ápice central 380. La placa 320 es acoplable sobre el paso 360 para formar una cavidad 390. Los discos 340, 330 están soldados o unidos al disco 330 y a la placa 320 respectivamente sobre una superficie mayor de los mismos distante de la cavidad 390. Las conexiones eléctricas C_{1}, C_{2} son hechas a una primera cara del disco 340 y a la placa de refuerzo 320 respectiva-
mente.

En operación, el disco 330 funciona como un elemento de control cuya rigidez mecánica es eléctricamente variable dependiendo de la carga eléctrica conectada al mismo o una señal eléctrica aplicada al mismo. Además, el disco 340 funciona como un elemento de accionamiento cuando el proyector 300 está siendo usado para emitir ondas acústicas y como un sensor cuando el proyector 300 está siendo usado como un hidrófono. Los discos 330, 340 y la placa 320 forman una estructura resonante cuya frecuencia de resonancia puede ser alterada eléctricamente para sintonizar el proyector 300 a una frecuencia de operación deseada.

El proyector 300 tiene el beneficio de incorporar pocas partes y es por lo tanto capaz de ser menos costoso de fabricar.

En una versión alternativa del proyector 300, los discos 330, 340 son fabricados de cerámicas Navy Tipo I o II y Navy Tipo VI respectivamente. En operación, el disco 340 funciona como un elemento de sintonización cuya rigidez mecánica es eléctricamente variable dependiendo de una carga eléctrica conectada al mismo o de una señal eléctrica aplicada al mismo. Además, el disco 330 funciona como un elemento de accionamiento cuando la versión alternativa del proyector 300 está siendo usada para emitir ondas acústicas y como un sensor cuando el proyector 300 está siendo usado como un hidrófono.

Aunque el proyector 300 es mostrado en la Figura 3 con sus discos 330, 340 de dimensiones similares, ellos pueden ser de dimensiones mutuamente diferentes en una versión modificada del proyector 300.

Con referencia ahora a la Figura 4, es mostrada una ilustración en vista lateral de un proyector de acuerdo a una tercera realización de la invención. El proyector es indicado por 400 e incorpora dieciséis elementos de cerámica LZT alargados, por ejemplo un elemento de sintonización 410 y un elemento de transducción 420, soldados o unidos juntos para formar una estructura cilíndrica indicada por 415. El elemento de sintonización 410 y otros elementos de sintonización de la estructura 415 marcados con "C" son fabricados de cerámica LZT Navy Tipo VI. Además, el elemento de transducción 420 y otros elementos de transducción de la estructura 415 marcados con "D" son fabricados de cerámica LZT Navy Tipo I o III. El proyector 400 también incorpora una primera tapa extremo 430 y una segunda tapa extremo 440 que son fabricadas de un metal tal como aleación de aluminio. Alternativamente las tapas extremas 430, 440 pueden ser fabricadas de un material aislante, por ejemplo un polímero reforzado con fibra. Las tapas extremas 430, 440 proporcionan soporte a los elementos en sus bordes ahuecados 450, 460 respectivamente. Además, las tapas extremas 430, 440 son también elásticas, permitiéndole de esta forma a la estructura 415 vibrar en operación predominantemente en un modo radial. En la práctica, la flexión ligera de los elementos ocurrirá también en correspondencia con un modo de vibración de flexión. En la estructura 415, los elementos de transducción y los elementos de sintonización son dispuestos en pares colindantes de manera circunferencial alrededor de la estructura 415. El proyector 400 incluye una cavidad interna rodeada por los elementos LZT y las tapas extremas 430, 440; esta cavidad puede ser llenada con uno o más gases, por ejemplo aire, o alternativamente llenada con un vapor o un sólido comprimible.

Aunque el proyector 400 incluye dieciséis elementos, este puede ser modificado para incluir un número diferente de elementos, por ejemplo ocho elementos, doce elementos o veinte elementos, específicamente todos los elementos múltiplos de cuatro.

Aunque los elementos del proyector 400 son mostrados teniendo dimensiones similares en la Figura 4, ellos pueden ser de dimensiones mutuamente diferentes en una versión modificada del proyector 400.

En la Figura 5, es mostrada una vista ortogonal de un proyector de acuerdo a una cuarta realización de la invención. El proyector es indicado por 500 e incorpora dieciséis elementos de cerámica LZT alargados, por ejemplo un elemento de sintonización 510 y un elemento de transducción 520, soldados o unidos juntos para formar una estructura cilíndrica indicada por 530. El elemento de sintonización 510 y otros elementos de sintonización de la estructura 530 marcados con "C" son fabricados de cerámica LZT Navy Tipo VI. Además, el elemento de transducción 520 y otros elementos de transducción de la estructura 530 marcados con "D" son fabricados de cerámica LZT Navy Tipo I o III. El proyector 500 también incorpora un tubo hueco aislante 540 montado de manera concéntrica dentro de la estructura 530 y separado de esa por un espacio de aire, el espacio estando en el orden de 3 a 8 mm de ancho. El tubo 540 es fabricado de un material de poliuretano relativamente rígido, por ejemplo un material de poliuretano patentado vendido bajo una marca "Tufset". El espacio de aire desempeña una función similar a las tapas extremas 430, 440 del proyector 400, específicamente aumentar un factor Q_{m} de calidad de resonancia mecánica del proyector 500 por encima de aquel que se obtiene si el proyector 500 estuviera desprovisto del tubo 540 y empleado en un ambiente acuático con agua rodeando completamente los elementos.

En versiones alternativas del proyector 500, el tubo 540 es sustituido con otros tipos de elementos centralmente montados.

Lograr un factor Q_{m} de calidad de resonancia relativamente alto en el proyector 500 es deseable para aumentar su sensibilidad de transducción. Tal aumento es importante para una operación eficiente del proyector 500 en el que solamente la mitad de los elementos son empleados para los propósitos de transducción, la otra mitad de los elementos siendo usados para propósitos de sintonización.

Con referencia ahora a la Figura 6, es mostrada una ilustración de una vista en planta del proyector 400. La vista es indicada por 600. Los elementos están polarizados en una dirección circunferencial alrededor de la estructura 415 de manera que las interfases donde los elementos colindan funcionen como puntos de conexión eléctrica para el proyector 400. Como se mencionó anteriormente, los elementos de transducción existen como pares colindantes en el proyector 400. Igualmente, los elementos de sintonización existen allí también como pares colindantes. Donde los elementos de sintonización colindan en pares, por ejemplo los elementos de control 610a, 610b, se forman puntos de conexión para que las señales de sintonización sean aplicadas. Igualmente, donde los elementos de transducción colindan en pares, por ejemplo los elementos de transducción 620a, 620b, se forman puntos de conexión para que las señales de accionamiento sean aplicadas cuando el proyector 400 está funcionando como un transmisor, o para conectar las entradas de los amplificadores cuando el proyector 400 está funcionando como un hidrófono.

Con referencia ahora a la Figura 7, es mostrado un proyector indicado por 700 de acuerdo a una quinta realización de la invención. El proyector 700 incluye un tubo de cerámica exterior 710 y también un tubo de cerámica interior 720. Los tubos 710, 720 están polarizados de manera radial. Las superficies interior y exterior de los tubos 710, 720 están metalizadas para proporcionar regiones de electrodos en los tubos 710, 720. Además, el tubo interior 720 tiene un diámetro exterior que equipara con un diámetro interior del tubo exterior 710, permitiendo de esta forma que el tubo interior 720 esté unido por soldadura o adhesivo conductivo, por ejemplo usando un adhesivo epoxi conductivo, dentro del tubo exterior 710 para formar un ensamble concéntrico. Las conexiones eléctricas T_{1}, T_{2}, T_{3} son hechas para la región del electrodo dentro del tubo interior 720, para las regiones de los electrodos en una interfase entre los tubos 710, 720, y para la región del electrodo en la parte exterior del tubo 710 respectivamente. La conexión T_{2} sirve como una conexión común para los dos tubos 710, 720.

Uno de los tubos 710, 720 es designado un tubo de transducción y el otro es designado un tubo de sintonización. El tubo de transducción comprende cerámica LZT Tipo I o Tipo III mientras que el tubo de sintonización comprende cerámica LZT Tipo VI. Cuando el proyector 700 es usado para emitir ondas acústicas en un medio que rodea el proyector 700, el tubo de transducción es accionado por una señal eléctrica alternante aplicada entre la conexión T_{2} y la otra conexión del tubo de transducción, por ejemplo la conexión T_{3} cuando el tubo 710 es el tubo de transducción; igualmente, una versión modificada en amplitud y desplazada en fase de la señal eléctrica es aplicada a la otra conexión del tubo de transducción para sintonizar el proyector 700, por ejemplo la conexión T_{1} cuando el tubo 720 es el tubo de sintonización.

En operación, el proyector vibra en un modo 1-3, específicamente sus tubos 710, 720 están polarizados de manera radial y vibran de una manera radial. En contraste, el proyector 400 vibra en un modo 3-3, específicamente sus elementos están polarizados de manera circunferencial y la estructura 415 vibra de una manera radial.

En la Figura 8, es mostrado indicado por 750 un proyector de acuerdo a una sexta realización de la invención, el proyector 750 se semeja al proyector 700 excepto en que los tubos 710, 720 son reemplazados por aros concéntricos correspondientes 760, 770 como es ilustrado.

En operación, los proyectores 400, 700, 750 vibran en un modo de expansión y contracción radial como es ilustrado en la Figura 9. Cuando las señales de accionamiento o sintonización son aplicadas a los elementos del proyector 400, esto provoca que los mismos se ensanchen o afinen en una dirección de polarización para cada elemento; cuando esto sucede, la estructura 415 experimenta una variación cíclica de su diámetro como es ilustrado. En una primera etapa (a), la estructura 415 es de un diámetro nominal. En una segunda etapa (b), en respuesta a una señal de accionamiento aplicada a la estructura 415, la estructura 415 se expande de manera radial. En una tercera etapa (c), la estructura 415 se contrae a su diámetro nominal. En una cuarta etapa (d), en respuesta a una señal de accionamiento aplicada a la estructura 415, la estructura 415 se contrae de manera radial. En una quinta etapa (e), la estructura 415 se relaja a su diámetro nominal. Las etapas (a) a (e) son repetidas de una manera cíclica cuando el proyector 400 está operando y vibrando. La incorporación de los elementos de sintonización en el proyector 400 permite que la sintonización de frecuencia sea acometida de manera que la frecuencia de resonancia de la estructura 415 sea equiparada con una señal de accionamiento aplicada a la misma, mejorando de esta forma la eficiencia de operación del proyector 400. Los proyectores 700, 750 vibran de una manera cíclica similar al proyector 400.

Será apreciado que modificaciones pueden ser hechas a los proyectores 400, 700, 750 sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, una cavidad formada dentro de la estructura 415 por las tapas extremas 430, 440 y los elementos puede ser llenada con uno o más gases, por ejemplo aire, un líquido, un vapor o un sólido comprimible tal como espuma.

Es permitido para las cavidades de los proyectores 400, 700, 750 ser llenadas con agua cuando operan los proyectores 400, 700, 750 en un ambiente acuático, las cavidades pueden ser ventiladas al ambiente acuático; en el caso del proyector 400, este reduce el diferencial de presión estática a través de la estructura 415 y de esta manera le permite funcionar en profundidades mayores sin riesgo de ruptura.

Para simplificar el ensamblaje del proyector 400, la estructura 415 puede ser sustituida con un resonador cerámico cilíndrico unitario que ha sido polarizado de manera circunferencial. Cuando una pieza monolítica cilíndrica de cerámica es empleada, los elementos son formados imprimiendo electrodos en la pieza; tal impresión puede ser lograda usando la impresión por estarcido de tintas metálicas conductivas o por evaporación al vacío de metal a través de una plantilla de estampar conforme en la pieza o por pintado a mano usando una brocha. Tal resonador unitario es una pieza de cerámica y tiene la ventaja de ser más barata de fabricar que un transductor de duela de barril, por ejemplo la estructura 415.

Además, la estructura 415 puede ser truncada para ser de forma tipo aro o alargada en forma de un cilindro alargado o cilindro ahusado. Adicionalmente, el proyector 400 puede ser recubierto con una capa de poliuretano flexible para protegerlo del ambiente que lo rodea y aislar eléctricamente las conexiones eléctricas hechas a los elementos disturbantes del ambiente.

Será apreciado que modificaciones pueden ser hechas a los proyectores 10, 300, 400, 500, 700, 750 sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las cerámicas Tipo Navy fabricadas de LZT pueden, si se requiere, ser reemplazadas por materiales activos alternativos que exhiban al menos una de las propiedades electroestrictiva y magnetoestrictiva. Tales materiales activos alternativos pueden incluir uno o más de titanato de plomo, titanato de bario o metaniobato de plomo. Además, el niobato de magnesio plomo en combinación con titanato de plomo es también usable, el niobato y titanato estando tanto en forma cerámica o cristalina. Además, el cuarzo cristalino o un material magnetoestrictivo tal como níquel o un material patentado Terfenol D puede ser usado.

Además, las estructuras 415, 530 y los proyectores 700, 750 no necesitan tener sección transversal circular pero pueden ser modificados para tener una o más de las siguientes formas de secciones transversales alternativas: elíptica, rectangular o poligonal. Una forma poligonal es especialmente apropiada cuando son construidos proyectores relativamente grandes. Igualmente, las placas 16, 320 y los discos 20, 330, 340 en los proyectores 10, 300 pueden ser de otros perfiles diferentes del circular como es ilustrado en las Figuras 1, 2 o 3, por ejemplo también elíptico, rectangular o poligonal.

Claims (28)

1. Un proyector de frecuencia sintonizable para el acoplamiento entre señales eléctricas y las ondas acústicas correspondientes en un ambiente expuesto al proyector, el proyector (10, 300, 400, 500, 700) incorporando:

- un medio de transducción para el acoplamiento entre las señales y las ondas acústicas correspondientes

- un medio de sintonización piezoelétrico para sintonizar una frecuencia de resonancia del medio de transducción.

el medio de transducción comprendiendo uno o más elementos de transducción (20a, 20d, 340, 420, 520, 620, 720, 770) y el medio de sintonización comprendiendo uno o más elementos de sintonización (20b, 20c, 330, 410, 510, 610, 710, 760), los elementos estando acoplados mutuamente de manera mecánica y siendo operables para vibrar como una estructura compuesta, donde el medio de transducción y el medio de sintonización están incorporados en una o más paredes (16a, 16b, 320, 415, 530, 710, 720, 760, 770) de una cavidad (106), la o las paredes aislando al menos parcialmente la cavidad del ambiente, caracterizado porque los elementos vibran en un modo de vibración de flexión o un modo de vibración radial de manera que una o más paredes sean operables para vibrar en al menos uno de un modo de vibración de flexión o un modo de vibración radial para comprimir y expandir de manera cíclica la cavidad.

2. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 1 donde el medio de transducción y el medio de sintonización funcionan explotando al menos un fenómeno electroestrivo o magnetoestrictivo que ocurre en uno o más de los siguientes materiales incorporados en al menos uno de los medios: titanato de plomo zirconato, titanato de plomo, titanato de bario, metaniobato de plomo, niobato de magnesio plomo en combinación con titanato de plomo tanto en forma cerámica o cristalina, níquel y cuarzo cristalino.

3. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 1 o 2 donde la rigidez mecánica del medio de sintonización es modificable en respuesta a una carga eléctrica o una señal eléctrica aplicada al medio de sintonización.

4. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 3 donde los elementos del medio de transducción están eléctricamente aislados de manera mutua de las paredes por miembros de aislamiento, los elementos y los miembros de aislamiento estando mecánicamente acoplados de manera mutua de forma que vibre como una estructura compuesta.

5. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 4 donde los miembros de aislamiento son fabricados de una cerámica de alúmina aislante.

6. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 4 o 5 donde los miembros de aislamiento se extienden más allá de los elementos para mejorar el aislamiento eléctrico mutuo de los elementos del medio de transducción.

7. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 4, 5 o 6 donde al menos uno de los elementos y los miembros de aislamiento incorporan bordes periféricos que son redondeados para contrarrestar las melladuras.

8. Un proyector de acuerdo a cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 7 donde la al menos una pared con cavidad incorpora una placa de refuerzo (16, 320) sobre la cual los elementos están mecánicamente montados.

9. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 8 donde la placa de refuerzo (16, 320) es fabricada de un acero martensítico, un acero para herramientas de alta resistencia, una aleación de aluminio, latón o bronce.

10. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 8 o 9 donde la placa de refuerzo (16, 320) es de un grosor no uniforme para mejorar su capacidad de soportar presión.

11. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 10 donde la placa de refuerzo (16, 320) es circular y engruesa hacia un ápice (102, 380) en la región central de la placa.

12. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 1, 2 o 3 donde una pluralidad de paredes incorporan el medio de transducción y el medio de sintonización, las paredes estando acopladas a través de un elemento separador (12), donde el elemento separador y las paredes cooperan para cerrar la cavidad.

13. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 12 donde el elemento separador (12) es fabricado de un metal.

14. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 13 donde el metal es acero inoxidable.

15. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 12 donde el elemento separador (12) es fabricado de un material aislante o un polímero.

16. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 15 donde el material aislante es un polímero reforzado con fibra.

17. Un proyector de acuerdo a cualquiera de las Reivindicaciones 12 a 16 donde el elemento separador (12) incorpora una protuberancia 104 para el acoplamiento sobre una o más placas de refuerzo que soporta el medio de transducción y el medio de sintonización, la protuberancia proporcionando de esta forma una montura de borde anular para las placas de refuerzo.

18. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 17 donde los elementos (20, 330, 340) están unidos mutuamente de manera directa y también directamente unidos a su placa de refuerzo asociada, la placa de refuerzo funcionando como una primera conexión eléctrica a los elementos.

19. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 1, 2 o 3 donde las paredes están sustancialmente en forma de una estructura en aro o cilíndrica que comprende el medio de transducción (420, 520, 620, 720, 770) y el medio de sintonización (410, 510, 610, 710, 760).

20. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 19 donde el medio de transducción (720) y el medio de sintonización (710) son implementados como tubos montados de manera concéntrica.

21. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 19 donde el medio de transducción (770) y el medio de sintonización (760) son implementados como aros montados de manera concéntrica.

22. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 20 o 21 donde los tubos o aros están polarizados de manera radial.

23. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 19 donde los elementos del medio de transducción (420, 520, 620) están dispuestos en pares colindantes, y los elementos del medio de sintonización (410, 510, 610) están también dispuestos en pares colindantes.

24. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 23 donde las conexiones eléctricas a los elementos son hechas en las interfases donde los elementos de cada par colindan mutuamente.

25. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 19, 23 o 24 donde tapas extremas (430, 440) son incorporadas a los extremos de la estructura en forma de aro o cilíndrica para formar la cavidad dentro de la estructura en forma de aro o cilíndrica.

26. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 25 donde las tapas extremas (430, 440) son fabricadas de un metal.

27. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 19, 23 o 24 donde un elemento, centralmente localizado está incorporado de manera concéntrica dentro de la estructura en forma de aro o cilíndrica y separada de allí por un espacio que proporciona la cavidad.

28. Un proyector de acuerdo a la Reivindicación 27 donde el elemento centralmente localizado comprende un tubo aislante hueco.