FR2650766A1 - PRODUCTION OF ELECTROMECHANICALLY ELECTRICALLY EXCITED RESONATORS SERVED BY MAGNETOSTRICTIVE EFFECT - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à la réalisation de résonateurs électromécaniques très performants destinés à engendrer un flux intense d'ultrasons de puissance. The present invention relates to the production of very efficient electromechanical resonators intended to generate an intense flow of power ultrasound.
Dans la technique actuelle, la conversion de énergie électrique en énergie mécanique acoustique se fait au moyen de dispositifs appelés transducteurs (ou traducteurs). In the current technique, the conversion of electrical energy into acoustic mechanical energy is done by means of devices called transducers (or translators).
Dans le cas des ultrasons de puissance, on utilise souvent, comme transducteurs, des résonateurs électromécaniques composites, constitués par un ensemble de masses métalliques, généralement de nature et/ou de forme différentes, mises en vibration à des fréquences comprises entre 15 et 50 kHz, au moyen d'un effet lié au courant électrique tel que la piézoélectricité (ou la magnétostriction, etc,..), comme il décrit dans le brevet britannique n 86878. In the case of power ultrasound, composite electromechanical resonators are often used as transducers, constituted by a set of metallic masses, generally of different nature and / or shape, vibrated at frequencies between 15 and 50 kHz , by means of an effect linked to the electric current such as piezoelectricity (or magnetostriction, etc.), as described in British patent n 86878.
Donc, ce type de résonateur acousto-mécanique, encore appelé sonotrode, peut être considéré comme l'association d'un dipôle électrique d'excitation en interaction avec un résonateur mécanique. Therefore, this type of acousto-mechanical resonator, also called sonotrode, can be considered as the association of an electric excitation dipole in interaction with a mechanical resonator.
Actuellement les dispositifs les plus efficaces sont généralement basés sur l'excitation piézoélectrique et vibrent sur un mode longitudinal (ondes de compression); la longueur du résonateur doit correspondre à un nombre entier de quart de longueur d'onde ( deux ou plus). Currently the most efficient devices are generally based on piezoelectric excitation and vibrate in a longitudinal mode (compression waves); the length of the resonator must correspond to an integer of quarter wavelength (two or more).
En outre, la qualité vibratoire d'ùn résonateur, c'est-à-dire son aptitude à être le siège d'un système d'ondes stationnaires de résonance, exige que des conditions aux limites très strictes soient satisfaites, aux interfaces en contact avec l'excitation électrique ainsi qu'aux extrémités libres. In addition, the vibrational quality of a resonator, that is to say its ability to be the seat of a standing wave system of resonance, requires that very strict boundary conditions be satisfied, at the interfaces in contact. with electrical excitation as well as at free ends.
De plus, le plan de fixation du résonateur sur son support, ou dans son boîtier de protection, doit coïncider avec un plan nodal de vibrations.In addition, the plane of attachment of the resonator on its support, or in its protective case, must coincide with a nodal vibration plane.
Lorsque ces différentes conditions sont réalisées et que le résonateur est alimenté par un courant sinusoïdal à sa fréquence de résonance, il est le siège de vibrations de très grande amplitude (quelques dizaines de micromètres) avec des flux d'énergie acousto-mécaniques tres importants (quelques dizaines de watts/cm2 dans le résonateur). When these different conditions are met and the resonator is powered by a sinusoidal current at its resonant frequency, it is the site of very large amplitude vibrations (a few tens of micrometers) with very high acousto-mechanical energy flows ( a few tens of watts / cm2 in the resonator).
Malheureusement, avec de telles puissances, ce type de dispositifs est le siège d'un échauffement important dû principalement aux frottements internes visco-élastiques dans les parties métalliques où le déplacement particulaire est le plus grand c'est-à-dire au voisinage des ventres des vibrations de déplacements (qui correspondent à des noeuds de contraintes). Unfortunately, with such powers, this type of device is the seat of significant heating due mainly to internal visco-elastic friction in the metal parts where the particle displacement is greatest, that is to say in the vicinity of the bellies displacement vibrations (which correspond to constraint nodes).
Cette perte d'énergie acousto-mécanique, sous forme de chaleur, limite l'énergie ultrasonore utilisable et ltéchauffement entraîne un glissement notable de la fréquence de résonance, de l'ordre de quelques dizaines de hertz. This loss of acousto-mechanical energy, in the form of heat, limits the ultrasonic energy that can be used and the heating results in a significant sliding of the resonance frequency, of the order of a few tens of hertz.
Enfin, les vibrations des masses métalliques ne sont plus sinusoïdales. Leur étude par analyse de Fourier montre l'apparition d'harmoniques en proportion considérable, parfois jusqu'à l'ordre dix. Le dipôle d'excitation électrique ne peut plus être considéré comme passif car il perturbe le courant d'alimentation qui ne reste plus sinusoïdal. Finally, the vibrations of the metallic masses are no longer sinusoidal. Their study by Fourier analysis shows the appearance of harmonics in considerable proportion, sometimes up to order ten. The electrical excitation dipole can no longer be considered passive because it disturbs the supply current which no longer remains sinusoidal.
Par ailleurs les aptitudes vibratoires des sonotrodes peuvent être profondément affectées par les propriétés mécaniques (impédance acoustique, amortissement, etc...) des milieux insonifiés car elles agissent sur les conditions aux limites, à l'interface d'émission des ultrasons et modifie les aptitudes vibratoires à la résonance. Tout se passe comme si la longueur de la partie en contact avec le milieu extérieur était augmentée. Furthermore, the vibratory aptitudes of the sonotrodes can be deeply affected by the mechanical properties (acoustic impedance, damping, etc.) of the insonified media because they act on the boundary conditions, at the ultrasonic emission interface and modify the vibrational resonance skills. Everything happens as if the length of the part in contact with the external environment was increased.
Enfin, dans l'état actuel de la technique, il n'existe aucun dispositif d'asservissement permettant de rechercher l'amplitude maximale des vibrations en fonction du milieu insonifié, tandis que les asservissements en fréquence reposent sur la recherche d'un maximum de l'amplitude du courant électrique d'alimentation et ne fonctionnent pas aux fortes puissances, pour lesquelles il apparaît un écart notable entre la fréquence fondamentale de résonance mécanique et la- fréquence correspondant à un maximum du courant électrique. Finally, in the current state of the art, there is no servo-control device enabling the maximum amplitude of the vibrations to be sought as a function of the sound-insulated medium, while frequency servo-controls are based on the search for a maximum the amplitude of the electric supply current and do not operate at high powers, for which a notable difference appears between the fundamental frequency of mechanical resonance and the frequency corresponding to a maximum of the electric current.
La présente invention concerne la réalisation de résonateurs électromécaniques de puissance du type de ceux décrits précédemment. Elle a pour but d'augmenter considérablement l'amplitude vibratoire du résonateur ainsi que la puissance ultrasonore utile délivrée
- par l'utilisation d'un automatisme d'asservissement double (de la fréquence du courant électrique d'alimentation et en fonction des propriétés mécaniques des milieux insonifiés) qui permet d'entretenir les vibrations les plus intenses, quelles que soient les conditions d'utilisation
- par l'emploi de dispositifs de fixation du résonateur, conçus'pour que le plan de fixation coïncide avec un plan nodal, en suivant les déplacements éventuels de ce dernier afin de remplir les conditions permettant la plus grande amplitude vibratoire,
- par le choix de matériaux appropriés, ayant de très faibles coefficients d'amortissement et de frottements internes, de façon que les très grandes amplitudes vibratoires obtenues n'occasionnent pas des pertes d'énergie rédhibitoires dans le résonateur, sous forme de chaleur. (En ce qui concerne les matériaux métalliques, un certain nombre d'aTliages contenant des éléments comme le nickel, le cobalt, le chrome, le fer, etc remplissent ces conditions.)
L'automatisme d'asservissement utilisé par l'invention est fondé sur le phénomène de magnétostriction dont les matériaux ferromagnétiques sont l'objet, de sorte que l'asservissement proposé repose sur le seul paramètre véritable, c'est-à-dire l'amplitude de la vibration mécanique qui anime les masses métalliques du résonateur.The present invention relates to the production of electromechanical power resonators of the type described above. Its purpose is to considerably increase the vibratory amplitude of the resonator as well as the useful ultrasonic power delivered
- by the use of a double automatic control system (of the frequency of the electric supply current and according to the mechanical properties of the soundproof environments) which allows to maintain the most intense vibrations, whatever the conditions 'use
- by the use of resonator fixing devices, designed so that the fixing plane coincides with a nodal plane, following the possible displacements of the latter in order to fulfill the conditions allowing the greatest vibration amplitude,
- By the choice of suitable materials, having very low damping coefficients and internal friction, so that the very large vibrational amplitudes obtained do not cause unacceptable energy losses in the resonator, in the form of heat. (With regard to metallic materials, a number of alloys containing elements such as nickel, cobalt, chromium, iron, etc. fulfill these conditions.)
The automatic control used by the invention is based on the phenomenon of magnetostriction of which the ferromagnetic materials are the object, so that the proposed control is based on the only real parameter, that is to say the amplitude of the mechanical vibration which drives the metallic masses of the resonator.
En effet il est bien connu qu'un barreau d'un matériau ferromagnétique s'aimante lorsqu'il subit un effort longitudinal de traction; I'aimantation s'inverse pour une compression. C'est l'effet Villari. Indeed, it is well known that a bar of ferromagnetic material is magnetized when it undergoes a longitudinal tensile force; The magnetization reverses for compression. It's the Villari effect.
Dans ces conditions, si un solénoïde entoure le barreau, le -courant, induit par la variation de flux magnétique due à la variation d'aimantation, représente la déformation du barreau avec une fidélité très satisfaisante. Le solénoïde joue ainsi le rôle de capteur de vibrations mécaniques. Under these conditions, if a solenoid surrounds the bar, the current, induced by the variation in magnetic flux due to the variation in magnetization, represents the deformation of the bar with very satisfactory fidelity. The solenoid thus plays the role of mechanical vibration sensor.
Pour appliquer cette propriété au cas de- résonateurs mécaniques, il est possible soit de rapporter une ou plusieurs petites régles de matériau ferromagnétique à la surface de la masse métallique résonnante, soit de constituer cette dernière par un matériau magnétostrictif massif. To apply this property to the case of mechanical resonators, it is possible either to add one or more small rules of ferromagnetic material to the surface of the resonant metallic mass, or to constitute the latter by a massive magnetostrictive material.
Un capteur, constitué d'une petite bobine de quelques dizaines à quelques centaines de spires, placé autour de la masse ferromagnétique vibrante, permet d'obtenir une force électromotrice de l'ordre du dixième de volts. A sensor, consisting of a small coil of a few tens to a few hundred turns, placed around the vibrating ferromagnetic mass, makes it possible to obtain an electromotive force of the order of a tenth of volts.
Alors l'asservissement en fréquence est obtenu très simplement car les vibrations du résonateur induisent, dans la bobine, un courant de même fréquence qui est amplifié avant de revenir alimenter l'excitation électrique du résonateur, avec la bonne fréquence. En réalité, il faut préamplifier ce courant, le filtrer pour sélectionner la fréquence de pilotage (en général la fréquence fondamentale mais éventuellement un de ses harmoniques) et le remettre en phase avant de l'envoyer sur l'amplificateur de puissance. Then the frequency control is obtained very simply because the vibrations of the resonator induce, in the coil, a current of the same frequency which is amplified before returning to supply the electrical excitation of the resonator, with the right frequency. In reality, it is necessary to preamplify this current, filter it to select the driving frequency (in general the fundamental frequency but possibly one of its harmonics) and put it back in phase before sending it to the power amplifier.
Ce type d'asservissement en fréquence s'applique à toutes les réalisations de résonateurs concernées par l'invention. This type of frequency control applies to all the embodiments of resonators concerned by the invention.
L'asservissement en fonction des propriétés mécaniques des milieux insonifiés (impédance acoustique et amortissement) est plus complexe et présente un certain nombre de variantes possibles. En effet, lorsque la surface plane émettrice d'ultrasons entre en contact avec un milieu solide ou liquide, elle ne reste pas un noeud de contraintes. En outre, il y a une légère dérive de la fréquence de résonance accompagnée d'un petit déplacement des plans ventraux et nodaux. Controlling as a function of the mechanical properties of the insonified media (acoustic impedance and damping) is more complex and presents a certain number of possible variants. Indeed, when the plane surface emitting ultrasound comes into contact with a solid or liquid medium, it does not remain a stress node. In addition, there is a slight drift in the resonant frequency accompanied by a small displacement of the ventral and nodal planes.
il est possible de compenser cette modification en agissant sur la face libre de la masse dite amortisseur et/ou en déplaçant le plan de fixation du résonateur sur son support. it is possible to compensate for this modification by acting on the free face of the mass called damper and / or by moving the fixing plane of the resonator on its support.
Ainsi, dans le cas d'un résonateur, symétrique ou non, utilisé de façon dissymétrique (une seule de ses deux faces fournit la puissance ultrasonore), la masse cylindrique non émettrice, ou amortisseur, filetée extérieurement, peut recevoir une bague métallique, filetée intérieurement et dentée extérieurement, jouant le rôle de masselotte. Un petit moteur électrique, dont l'axe porte une vis sans fin s'engrenant sur les dentures extérieures de la bague, permet de contrôler la rotation de cette dernière et donc sa position par rapport à l'amortisseur. Thus, in the case of a resonator, symmetrical or not, used asymmetrically (only one of its two faces provides ultrasonic power), the non-emitting cylindrical mass, or damper, externally threaded, can receive a metal ring, threaded internally and externally toothed, playing the role of flyweight. A small electric motor, the axis of which carries an endless screw meshing with the external teeth of the ring, makes it possible to control the rotation of the latter and therefore its position relative to the shock absorber.
Au lieu d'utiliser le déplacement d'une masselotte pour modifier les conditions aux limites, on peut agir sur la face libre de l'amortisseur par un puissant couplage magnétique ajustable, éventuellement renforcé par l'emploi de matériaux magnétiques finement divisés, sous forme de poudres ou de liquides (ferro-fluides). Instead of using the displacement of a counterweight to modify the boundary conditions, one can act on the free face of the shock absorber by a powerful adjustable magnetic coupling, possibly reinforced by the use of finely divided magnetic materials, in the form powders or liquids (ferro-fluids).
Une seule bobine permet de réaliser ce double asservissement. Toutefois il peut être utile ou même nécessaire d'utiliser plusieurs capteurs. Parfois il est important de comparer les amplitudes des vibrations dans deux tranches symétriques par rapport à un noeud de déplacement ou encore de contrôler l'existence et la position de ce dernier. Ainsi il est possible d'utiliser trois bobines, l'une pour l'asservissement en fréquence et deux autres, par exemple en opposition de phase, pour contrôler le déplacement de la masselotte de réglage. A single coil allows this double servoing to be carried out. However, it may be useful or even necessary to use several sensors. Sometimes it is important to compare the amplitudes of the vibrations in two symmetrical sections with respect to a displacement node or to control the existence and the position of the latter. Thus it is possible to use three coils, one for frequency slaving and two others, for example in phase opposition, to control the movement of the adjustment weight.
Dans tous les cas, un problème décisif se pose : pour utiliser le résonateur, il est nécessaire de le fixer sur un support ou à l'intérieur d'un boîtier de protection ou encore de le suspendre. Or la fixation doit se faire impérativement au niveau d'un plan nodal de vibrations sous peine de diminuer de façon considérable l'amplitude vibratoire. In all cases, a decisive problem arises: to use the resonator, it is necessary to fix it on a support or inside a protective case or even to suspend it. However, the fixation must be made at the level of a nodal plane of vibrations, otherwise the vibration amplitude will be considerably reduced.
Trois procédés de fixation peuvent remplir ces conditions. Three fixing methods can fulfill these conditions.
- Le mode de fixation préférentiel est le plus simple mais ne s'applique qu'à une excitation piézoélectrique contrairement aux deux autres. Il, consiste à intercaler, entre les céramiques, une plaque métallique de quelques millimètres d'épaisseur qui sera désignée dorénavant par la dénomination plaque centrale. Elle permet une fixation facile sur n'importe quel support. Cette plaque coïncide exactement avec un noeud de vibrations, quand son épaisseur est petite, que le résonateur est symétrique et qu'il est utilisé de façon symétrique; ou encore qu'il est bien réglé, suivant l'invention. - The preferential fixing method is the simplest but only applies to a piezoelectric excitation unlike the other two. It consists of interposing, between the ceramics, a metal plate a few millimeters thick which will henceforth be designated by the name central plate. It allows easy fixing on any support. This plate exactly coincides with a vibration node, when its thickness is small, that the resonator is symmetrical and that it is used symmetrically; or that it is properly adjusted, according to the invention.
- Le second type de fixation consiste à fixer le résonateur par l'une des masses métalliques au niveau d'un plan nodal de vibration. A cette fin, la masse concernée possède un filetage qui se visse dans un trou taraudé pratiqué dans une plaque de fixation. - The second type of fixing consists in fixing the resonator by one of the metallic masses at the level of a nodal vibration plane. To this end, the mass concerned has a thread which is screwed into a tapped hole made in a fixing plate.
Afin de limiter le contact au voisinage immédiat du plan nodal, sans diminuer la rigidité de la liaison, la plaque est amincie sur les bords du trou. Ainsi, une légère rotation produit un déplacement du résonateur suivant son axe de révolution et permet de ramener le plan nodal dans le plan du support.In order to limit contact in the immediate vicinity of the nodal plane, without reducing the rigidity of the connection, the plate is thinned on the edges of the hole. Thus, a slight rotation produces a displacement of the resonator along its axis of revolution and makes it possible to bring the nodal plane back into the plane of the support.
La recherche de cette coïncidence est une des fonctions d'asservissement dévolues au comparateur qui bloque ensuite le résonateur dans la position optimale.The search for this coincidence is one of the control functions devolved to the comparator, which then blocks the resonator in the optimal position.
- Le troisième type de liaison est réservé à des réalisations plus simples de l'invention, limitées au seul asservissement en fréquence et destinées plus spécialement à produire des actions physico-chimiques dans des fluides, par cavitation ultr-asonore. - The third type of connection is reserved for simpler embodiments of the invention, limited to only frequency control and more specifically intended to produce physicochemical actions in fluids, by ultra-asonore cavitation.
Il consiste à utiliser un boîtier de suspension, constitué de deux plaques métalliques parallèles placées entre masses métalliques et excitation électrique, et qui entoure complètement cette dernière. Ce boîtier possède un dispositif de suspension souple, par un axe ou un anneau par exemple. It consists in using a suspension box, consisting of two parallel metal plates placed between metallic masses and electrical excitation, and which completely surrounds the latter. This box has a flexible suspension device, by an axis or a ring for example.
Il possède deux tubulures, servant de passage aux différents conducteurs électriques et permettant~ la circulation d'un courant gazeux. Ce dernier crée une surpression interdisant toute infiltration de liquide et assure un refroidissement efficace. It has two pipes, serving as a passage for the various electrical conductors and allowing the circulation of a gaseous current. The latter creates an overpressure preventing any infiltration of liquid and ensures effective cooling.
L'invention et ses différentes réalisations seront mieux comprises en se référant aux figures 1 à 8
Les figures 1 et 2 représentent lé principe de l'asservissement par bobine(s) captant le champ de magnétostriction.The invention and its various embodiments will be better understood by referring to Figures 1 to 8
Figures 1 and 2 show the principle of servo-control by coil (s) capturing the magnetostriction field.
La figure 3 montre le cas d'inclusion superficielles de matériaux ferromagnétiques. Figure 3 shows the case of surface inclusion of ferromagnetic materials.
La figure 4 montre le réglage par déplacement d'une masselotte. Figure 4 shows the adjustment by displacement of a counterweight.
La figure 5 schématise un exemple de réalisation préférentielle avec asservissement en fréquence, réglage magnétique et fixation de la plaque centrale, sur un épaulement à l'intérieur du boîtier de protection. Figure 5 shows schematically a preferred embodiment with frequency control, magnetic adjustment and fixing of the central plate, on a shoulder inside the protective housing.
Les figures 6 et 7 schématisent le principe de fixation par plaque porteuse, assujettie à rester en coïncidence avec un plan nodal. Figures 6 and 7 show schematically the principle of fixing by carrier plate, subject to remain in coincidence with a nodal plane.
La figure 8 représente une réalisation de l'invention, limitée au seul asservissement en fréquence et munie d'un boîtier de suspension assurant l'isolement électrique. FIG. 8 represents an embodiment of the invention, limited to the only frequency control and provided with a suspension box ensuring electrical isolation.
Dans la réalisation d'un modèle simple de résonateur la masse 30 (amortisseur) est constituée d'un matériau dense, tandis que la masse 40 (émetteur) est constituée d'un matériau de faible masse volumique, de façon à être animée de déplacements particulaires de plus grande amplitude, au niveau du plan 41 qui peut être éventuellement une extrémité libre, émettrice d'ultrasons. (Par exemple, pour un résonateur vibrant à 20 kHz, la longueur entre les interfaces 31 et 41 est de l'ordre du décimètre.)
Cependant rien n'empêche d'utiliser des masses identiques pour constituer un résonateur symétrique.In the production of a simple resonator model, the mass 30 (damper) is made of a dense material, while the mass 40 (emitter) is made of a material of low density, so as to be driven by displacements particles of greater amplitude, at the plane 41 which may possibly be a free end, emitting ultrasound. (For example, for a resonator vibrating at 20 kHz, the length between interfaces 31 and 41 is of the order of a decimeter.)
However, nothing prevents the use of identical masses to constitute a symmetrical resonator.
Dans une réalisation plus élaborée, la masse 40 est prolongée au-delà du plan 41, par un transformateur de vitesse afin d'obtenir des déplacements de l'ordre du millimètre; Ainsi, 420 schématise un transformateur de vitesse exponentiel dans lequel 41 et 44 représentent les traces de deux plans ventraux de vibrations tandis que 43 correspond à un plan nodal. Les bobines 60, 61 et 62 permettent d'effectuer des comparaisons de phase. In a more elaborate embodiment, the mass 40 is extended beyond the plane 41, by a speed transformer in order to obtain displacements of the order of a millimeter; Thus, 420 diagrams an exponential speed transformer in which 41 and 44 represent the traces of two ventral planes of vibrations while 43 corresponds to a nodal plane. The coils 60, 61 and 62 allow phase comparisons to be made.
L'excitation électrique est représentée en 3. Elle peut être magnétostrictive ou piézoélectrique. Dans ce dernier cas, l'assemblage des céramiques piézoélectriques 3, précontraintes par serrage entre les masses 30 et 40, est effectué selon l'une des techniques connues de l'art actuel (vis centrale > vis périphériques, etc...). The electrical excitation is represented in 3. It can be magnetostrictive or piezoelectric. In the latter case, the assembly of the piezoelectric ceramics 3, prestressed by clamping between the masses 30 and 40, is carried out according to one of the techniques known in the current art (central screw> peripheral screws, etc.).
Les contacts électriques sont assurés par la rondelle 8 (en cuivre au béryllium) et la plaque 9 qui, dans la réalisation préférentielle, sert à fixer le résonateur sur l'épaulement 76 solidaire du boîtier de protection 75. En outre, la plaque 9 permet d'assurer une refroidissement efficace des céramiques 3.. The electrical contacts are provided by the washer 8 (made of beryllium copper) and the plate 9 which, in the preferred embodiment, serves to fix the resonator on the shoulder 76 secured to the protective housing 75. In addition, the plate 9 allows to ensure efficient cooling of the ceramics 3 ..
L'asservissement, sur Tequel repose l'invention, consiste à utiliser un matériau ferromagnétique pour- constituer les deux masses 30 et 40 ou simplementl"une d'entre elles, par exemple la masse 30. The control, on Tequel based on the invention, consists in using a ferromagnetic material to form the two masses 30 and 40 or simply one of them, for example the mass 30.
Si l'utilisation massive d'un matériau ferromagnétique présente un inconvénient, on peut simplement rapporter des barreaux ferromagnétiques 300 selon quelques une des génératrices de la masse 30 et/ou de la masse 40. If the massive use of a ferromagnetic material has a drawback, one can simply add ferromagnetic bars 300 according to some of the generators of the mass 30 and / or of the mass 40.
La bobine 60 comporte quelque dizaines à quelques centaines de spires et capte les variations du flux magnétique dues au changement de l'aimantation magnétostrictive de la masse 30 selon son état vibratoire. The coil 60 comprises a few tens to a few hundred turns and captures the variations in the magnetic flux due to the change in the magnetostrictive magnetization of the mass 30 according to its vibrational state.
Le courant 20, induit dans la bobine 60, présente un déphasage par rapport au courant 27 alimentant l'excitation électrique 3. The current 20, induced in the coil 60, has a phase shift relative to the current 27 supplying the electrical excitation 3.
C'est pourquoi il est préamplifiét filtré puis remis en phase dans l'amplificateur-déphaseur 1 avant d'être envoyé dans l'amplificateur de puissance 2 qui alimente I'excitation électrique 3. This is why it is filtered preamplifier and then put back in phase in the phase-shift amplifier 1 before being sent to the power amplifier 2 which supplies the electrical excitation 3.
La chaîne 60, 1, 2 et 3 permet d'entretenir indéfiniment le résonateur sur sa fréquence de résonance, instantanément dés la mise sous tension, sans réglage préalable ni contrôle.The chain 60, 1, 2 and 3 makes it possible to maintain the resonator indefinitely on its resonant frequency, instantly upon power-up, without prior adjustment or control.
D'autre part, une partie du courant induit dans la bobine 60 est envoyée sur un comparateur électronique 4, comportant éventuellement une microprogrammation. Ce comparateur 4 a pour but de commander l'appareil de réglage 5 qui agit sur l'extrémité libre 3 1 de la masse 30, afin de ramener les vibrations à leur maximum d'amplitude. On the other hand, part of the current induced in the coil 60 is sent to an electronic comparator 4, possibly including microprogramming. The purpose of this comparator 4 is to control the adjustment device 5 which acts on the free end 3 1 of the mass 30, in order to reduce the vibrations to their maximum amplitude.
Dans l'une des réalisations possibles, l'appareil de réglage 5 est constitué par un moteur électrique (non représenté) dont l'axe 51 entraîne la vis sans fin 52. L'hélice 521 entraîne l'engrenage extérieur 531 de la bague métallique 53 qui comporte un filet intérieur 532. Cette bague 53 peut se visser sur le filet extérieur 301 de la masse 30. Le déplacement, sous T'action du moteur, de la bague 53 par rapport à la masse 30 permet d'ajuster les conditions aux limites au niveau de l'interface 31. In one of the possible embodiments, the adjusting device 5 is constituted by an electric motor (not shown) whose axis 51 drives the worm 52. The propeller 521 drives the external gear 531 of the metal ring 53 which has an internal thread 532. This ring 53 can be screwed onto the external thread 301 of the mass 30. The movement, under the action of the motor, of the ring 53 relative to the mass 30 makes it possible to adjust the conditions at the limits at interface 31.
Dans une autre réalisation, la- masse 30 constitue l'armature d'un circuit magnétique constitué par les pièces 549, 550 et 551, de forte perméabilité magnétique. Ce circuit magnétique, fixé au boîtier de protection 75 par l'intermédiaire d'un bloc de caoutchouc dur 54, est magnétisé par la bobine 552 qui reçoit du comparateur un courant d'asservissement 554. Ce dispositif permet d'exercer une action très énergique sur la masse 30. L'effet peut encore être renforcé par l'emploi de matériaux magnétiques finement divisés 555, placés dans l'entrefer 556.557 est un second entrefer, annulaire, tandis que 553 représente une ligne d'induction. In another embodiment, the mass 30 constitutes the armature of a magnetic circuit constituted by parts 549, 550 and 551, of high magnetic permeability. This magnetic circuit, fixed to the protective housing 75 via a block of hard rubber 54, is magnetized by the coil 552 which receives from the comparator a servo current 554. This device makes it possible to exert a very energetic action. on the mass 30. The effect can be further reinforced by the use of finely divided magnetic materials 555, placed in the air gap 556.557 is a second air gap, annular, while 553 represents an induction line.
Le second type de fixation se compose de la plaque porteuse 70, d'épaisseur 10 à 12 millimètres, percée d'un trou taraudé 72. The second type of attachment consists of the carrier plate 70, 10 to 12 millimeters thick, pierced with a tapped hole 72.
La plaque est amincie aux abords 7 1 du trou, jusqu'à une épaisseur de 3 à 5 millimètres au niveau du filetage 72.The plate is thinned around 7 1 of the hole, to a thickness of 3 to 5 millimeters at the level of the thread 72.
Le trou taraudé 72 peut recevoir les filetages 301 de la masse cylindrique 30 ou 401 de la masse 40. The tapped hole 72 can receive the threads 301 of the cylindrical mass 30 or 401 of the mass 40.
Dans ce cas, la masse 30 et/ou la masse 40 sont éventuellement prolongées d'une tranche de métal correspondant à une demie longueur d'onde.In this case, the mass 30 and / or the mass 40 are optionally extended by a metal wafer corresponding to a half wavelength.
Dans certaines réalisations, il peut être utile d'utiliser plusieurs bobines captrices 60, 61, 62, 63 et 64 dont les courants induits respectifs 20, 21, 22, 23 et 24, seront analysés par une version élaborée du comparateur 4. Ce comparateur 4 commandera, par l'intermédiaire de l'appareil de réglage 5, I'action sur la face 31 de la masse 30 et la rotation du résonateur afin de rechercher, par de petits déplacements transversaux, la coïncidence du plan médian 700 de la plaque porteuse 70 avec le plan nodal. Lorsque celle-ci est réalisée, le résonateur est verrouillé par le système de blocage 73. In certain embodiments, it may be useful to use several captive coils 60, 61, 62, 63 and 64, the respective induced currents 20, 21, 22, 23 and 24 of which will be analyzed by an elaborate version of the comparator 4. This comparator 4 will control, via the adjustment device 5, the action on the face 31 of the mass 30 and the rotation of the resonator in order to seek, by small transverse displacements, the coincidence of the median plane 700 of the plate carrier 70 with the nodal plane. When this is done, the resonator is locked by the blocking system 73.
Ces courants peuvent simultanément être utilisés pour caractériser les vibrations et leur propagation. These currents can simultaneously be used to characterize the vibrations and their propagation.
Dans une autre réalisation, la fixation se fait par l'intermédiaire d'un boîtier 90 comportant un dispositif de suspension 92 fixé au deux plaques parallèles 91 qui prennent appui sur les épaulements 94 que présentent les tasses 30 et 40 dans ce type de réalisation . L'assemblage et la précontrainte sont assurés par la vis de serrage 95 et la rondelle d'appui 96. 98 représente une bague d'isolement électrique. Deux tubulures 93. dont une seule est représentée, permettent le passage des conducteurs électriques et la mise sous pression par circulation du courant gazeux 97. In another embodiment, the fixing is done by means of a housing 90 comprising a suspension device 92 fixed to the two parallel plates 91 which bear on the shoulders 94 which the cups 30 and 40 have in this type of embodiment. The assembly and prestressing are ensured by the clamping screw 95 and the support washer 96. 98 represents an electrical isolation ring. Two pipes 93. of which only one is shown, allow the passage of the electrical conductors and the pressurization by circulation of the gas stream 97.
Pour faciliter le dessin, seule l'excitation par disques de céramiques piézoélectriques a été représenté, mais tout ce qui précède est valable, en principe, pour une excitation magnétostrictive. To facilitate the drawing, only the excitation by piezoelectric ceramic discs has been shown, but all of the above is valid, in principle, for magnetostrictive excitation.
En-conclusion, l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, associés à l'emploi de capteurs appropriés, permet
- d'obtenir des courants caractérisant l'état vibratoire du
système en ses différents points,
- de suivre toute dérive de la fréquence de résonance Fo,
- de compenser les excursions des plans nodaux et ventraux, de façon à conserver les conditions requises pour la résonance optimale. L'emploi de matériaux métalliques -à trés faible coefficient de frottements internes, améliore considérablement le rendement mécanique. Ainsi, l'invention permet de réaliser des résonateurs trés performants qui constituent des sources d'ultrasons trés intenses, stables en fréquence et en puissance. In conclusion, the use of ferromagnetic materials, associated with the use of appropriate sensors, allows
- to obtain currents characterizing the vibratory state of the
system at its different points,
- to follow any drift of the resonant frequency Fo,
- to compensate for the excursions of the nodal and ventral planes, so as to maintain the conditions required for optimal resonance. The use of metallic materials - with very low internal friction coefficient, considerably improves the mechanical efficiency. Thus, the invention makes it possible to produce very efficient resonators which constitute very intense sources of ultrasound, stable in frequency and in power.
I1 faut bien noter que, en plus des usages habituels des sonotrodes, ces résonateurs de puissance, asservis en fréquence et animés de fortes vibrations mécaniques, rendent possible l'étude d'une onde de compression de très grande amplitude (plus proche de l'onde de choc que de la vibration sinusoïdale) et des propriétés des matériaux sous l'effet d'une telle sollicitation non linéaire (amortissement non linéaire, visco-élasticité; frottements internes, fatigue etc...). It should be noted that, in addition to the usual uses of sonotrodes, these power resonators, frequency controlled and driven by strong mechanical vibrations, make it possible to study a compression wave of very large amplitude (closer to the shock wave than sinusoidal vibration) and properties of materials under the effect of such non-linear stress (non-linear damping, visco-elasticity; internal friction, fatigue, etc.).
Ainsi l'invention permet également l'étude de certains matériaux, de leur fatigue et ae leur vieillissement sous des contraintes de l'ordre de la centaine de mégapascals, à des fréquence variant entre 10 kHz et 100 kHz. Thus, the invention also allows the study of certain materials, their fatigue and their aging under constraints of the order of a hundred megapascals, at frequencies varying between 10 kHz and 100 kHz.
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