WO1991001814A1 - Manufacture of electromechanical resonators which are electrically excited and piloted by the magnetostrictive effect - Google Patents

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WO1991001814A1
WO1991001814A1 PCT/FR1990/000609 FR9000609W WO9101814A1 WO 1991001814 A1 WO1991001814 A1 WO 1991001814A1 FR 9000609 W FR9000609 W FR 9000609W WO 9101814 A1 WO9101814 A1 WO 9101814A1
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vibrations
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André BILLMANN
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Billmann Andre
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    • B06B2201/50Application to a particular transducer type
    • B06B2201/58Magnetostrictive transducer

Definitions

  • the present invention relates to the production of very efficient electromechanical resonators intended to generate an intense flow of power ultrasound.
  • transducers or translators
  • composite electromechanical resonators are often used as transducers, constituted by a set of metallic masses, generally of different nature and / or shape, set in vibration at frequencies between 10 and 90 kHz, by means of an effect linked to electric current such as piezoelectricity (or magnetostriction, etc.). Therefore, this type of acousto-mechanical resonator, also called sonotrode, can be considered as the association of an electrical excitation dipole _n interaction with a mechanical resonator made up of metallic masses, whether or not symmetrical.
  • the most effective 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).
  • a resonator intended to supply power ultrasound has an asymmetrical structure: the mass emitting ultrasound is called the front mass; the other mass is called rear mass or shock absorber.
  • the vibrational quality of such a resonator that is to say its aptitude to be the seat of a system of on s of stationary resonance, requires that very strict boundary conditions be satisfied, mainly at the interfaces. in contact with the electrical excitation as well as at the free ends, but also at the level of the plane of attachment of the resonator on its support or in its protective case, plane which must coincide strictly with a nodal plane c vibrations.
  • the resonator 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 / cm 2 in the resonator). It is even possible to increase the amplitude of the vibrations by using displacement amplifiers (for example conical or exponential). Unfortunately, this type of ultrasonic generator has several faults.
  • the dipole of electric excitation has a nonlinear response.
  • the current state of the art there is no servo-control device making it possible to search for the maximum amplitude of the vibrations as a function of the sound-insulated medium, while most frequency servo-controls rely on the search for a maximum of the amplitude of the electric supply current and malfunction at high powers, because if there then appears a noticeable difference between the fundamental frequency ntale of mechanical resonance and the frequency corresponding to a maximum of the electric current.
  • 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 power of this useful ultrasonic delivered, whatever the conditions of use:
  • the automatic control systems used by the invention are based on the phenomenon of magnetostriction of which the ferromagnetic materials are the seat, so that these automatic control systems are based on the only veritable parameter, namely the amplitude of the mechanical vibrations whose masses metal of the resonator are the seat.
  • a bar of a ferromagnetic material is magnetized when it undergoes a longitudinal tensile force; the magnetization reverses for compression. It is the effect V i lari.
  • a sensor consisting of a small coil of several hundred turns placed around the vibrating ferromagnetic mass, makes it possible to obtain an electromotive force of a few tenths of volts.
  • the frequency control is obtained automatically because the free vibration of the resonator induces, in the coil, a current which is amplified before returning to supply the electrical excitation of the resonator, at the frequency which gives the greatest amplitude.
  • the driving frequency in general the fundamental frequency but possibly one of its harmonics
  • This type of frequency control is used in all of the embodiments of resonators concerned by the invention.
  • This apparent elongation depends on the mechanical properties of the insonified medium (acoustic impedance and damping) and it is all the greater the denser or more absorbent the medium. In addition, it causes a small displacement of the ventral and nodal planes accompanied by a slight frequency drift.
  • an electric motor the axis of which carries a pinion meshing with the external teeth of the two rings, makes it possible to control the rotation of the assembly of the two rings and therefore their position;
  • a micro-piston or a deformable tube with oleo-pneumatic control, makes it possible to block the two rings on the thread and make them integral with the vibrating masses,
  • shock absorber either by a tube, closed at one end, screwed onto the vibrating mass called shock absorber and blocking on its thread using a micro-piston with oleo-pneumatic control
  • mercury or gallium can be introduced into it in greater or lesser quantity by an oleo device pneumatic,
  • the search for the maximum amplitude of vibrations is controlled by an electronic device hereinafter referred to as a comparator which analyzes the signals coming from one or more sensor-coils and detects any reduction in amplitude.
  • each of the servos can be either suspended or activated manually.
  • a fundamental problem arises: to use the resonator, it is necessary to fix it on a support or inside a protection box or to suspend it.
  • the fixation must be made at the level of a nodal plane of vibrations, otherwise the vibration amplitude will be considerably reduced.
  • the preferred fixing method is the simplest but only applies to a piezoelectric excitation unlike two others. 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 or that it is properly adjusted, according to the invention.
  • the second type of fixation consists in fixing the resonator by one of the metallic masses at the level of a nodal vibration plane.
  • the mass concerned has a thread which is screwed into a tapped hole made in a fixing plate.
  • the plate is thinned on the edges * of the hole.
  • the search for this coincidence is one of the control functions devolved to the comparator which then blocks the resonator in the optimal position using a ring fitted with an oleopneumatic micro-piston.
  • 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 ultrasonic cavitation. 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 housing has a flexible suspension device, by an axis or a ring for example. It has two tubes, 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.
  • Figures 1 and __ 2 show the principle of servos ⁇ ment by magnetostriction, using coil (s) -sensor (s) and a microprogrammed comparator.
  • Figures 3 and 4 show the use of liners and superficial inlays of ferromagnetic materials.
  • Figures 5 to 8 show how it is possible to change the apparent length by moving rings ( Figures 5 and 6) or less dense liquids ( Figures 7 and 8).
  • FIG 9 shows schematically an embodiment with frequency servo and magnetic adjustment with the preferential fixing of the central plate, on a shoulder inside the protective housing.
  • Figures 10 and 11 show schematically the principle of fixing by carrier plate, subject to remain in coincidence with a nodal plane.
  • FIG. 12 represents an embodiment of the invention, limited to only frequency control and provided with a suspension box ensuring electrical isolation.
  • FIG. 13 shows a focusing tip calculated to obtain a maximum concentration 15 mm in front of the sonotrode.
  • the mass 30 (damper) is made of a dense material
  • 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 ultra-sounds.
  • the length between the interfaces 31 and 41 is of the order of a deci ⁇ meter.
  • the mass 40 is extended beyond the plane 41, by a speed transformer in order to obtain displacements of the order of a millimeter. So,
  • 420 shows schematically an exponential speed transformer in which 41 and 44 represent the traces of two ventral planes of vibration while 43 corresponds to a nodal plane.
  • 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.).
  • the electrical contacts are provided by the washer 8 (in beryllium cui ⁇ v) e ' ' _ plate 9 which, in the preferred embodiment, serves to fi r the resonator on the shoulder 76 secured to the protective housing 75.
  • the plate 9 ensures efficient cooling of the ceramics 3.
  • the control on which the invention is based, consists in using a ferromagnetic material to constitute the two masses 30 and 40 or simply one of them, for example the
  • REPLACEMENT SHEET mass 30 If the massive use of a ferromagnetic material has a drawback, one can simply encrust ferromagnetic bars 310 according to some of the generators of mass 30 and / or mass 40 or line with a ferromagnetic tube 311.
  • 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.
  • the current 20, induced in the coil 60 has a phase shift relative to the current 27 supplying the electrical excitation 3.
  • the chain 60, 1, 2 and 3 allows the resonator to be maintained indefinitely on its resonant frequency, instantly upon power-up, without prior adjustment or control.
  • part of the current induced in the coil 60 is sent to the electronic comparator 4, which comprises a micro-programming and controls the various mechanisms 5 for adjusting the apparent length and / or the displacement of the fixing plane, in order to reduce the vibrations to their maximum amplitude.
  • the adjusting device 5 is constituted by an electric motor (not shown) whose axis 51 carries a toothed wheel 511 which rotates the twin rings 320 and 321, screwed onto the external threads of the masses 30 and or 40.
  • the ring 321 carries a tube of elliptical section 322 and / or micro-pistons 323. Under the action of an oil pressure, controlled by an oleo-pneumatic pump belonging to the device 5, the elliptical tube (and / or the piston) deforms, exerts pressure on the ring 320 and causes the blocking of the two rings 320 and 321 on the threads of the thread 301.
  • the masses 30 and / or 40 comprise capillary tubes, either diametrical 340, or welded at their periphery, connected by the flexible tubes 342 to an oleo-pneumatic control device.
  • a certain quantity of a dense liquid (mercury, gallium, etc.) contained in the reservoir 343 is pushed into the capillary or vice versa brought back into the reservoir so as to adjust the apparent length of the vibrating mass.
  • the mass 30 constitutes the armature of a magnetic circuit constituted by the parts 549,
  • REPLACEMENT SHEET 550 and 551 with 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 ground
  • the second type of attachment consists of the carrier plate 70, 10 to 12 millimeters thick, pierced with a tapped hole 72.
  • the plate 70 is thinned around the hole 71, to a thickness of 4 to 5 millimeters at the thread 72.
  • the tapped hole 72 is screwed onto the thread 301 of the cylindrical mass 40 or that of the mass 30.
  • the mass 30 and / or the mass 40 are optionally extended by a metal slice corresponding to half a wavelength.
  • the comparator 4 controls, through the adjusting device 5, the rotation of the resonator in order to search, by small transverse displacements, for the coincidence between the nodal plane of the mass 30 or 40 and the median plane 700 of the carrier plate 70. When this is carried out, the resonator is locked. Locking is provided by a threaded ring 321, provided with a deformable elliptical ring 322 and / or micro-piston 323.
  • the fixing is done by means of a housing 90 comprising a suspension device 92 fixed to two parallel plates 91 which bear on the shoulders 94 which the masses 30 and 40 have in this type of embodiment.
  • the assembly and the prestressing are ensured by the tightening screw 95 and the support washer 96.
  • 98 represents an electrical isolation ring.
  • Two pipes 93, only one of which is shown, allow the passage of electrical conductors and pressurization by circulation of the gas stream 97.
  • sensor coils 60, 61, 62, 63 and 64 whose respective induced currents 20, 21, 22, 23 and 24 are
  • REPLACEMENT SHEET analyzed by an elaborate version of comparator 4 in order to characterize the vibrations of masses 30 and 40 as well as their propagation
  • a focusing tip whose surface 304 is calculated to concentrate the acoustic energy at a point F located a few centimeters from the plane 305.
  • the invention makes it possible to produce very efficient resonators which constitute sources of very intense ultra ⁇ sounds, stable in frequency and in power.

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Abstract

The invention relates to the manufacture of composite electromechanical resonators with a very high vibratory amplitude. These transducers comprise an electric excitation unit (3) (piezoelectric or magnetostrictive). The metal masses (30 and 40) consist in whole or in part of ferromagnetic alloys selected for their low internal coefficient of friction. A double servo system makes it possible: to power the electric excitation at the resonant frequency of the resonator, whatever the latter's drift; to re-establish the maximum amplitudes of the mechanical vibrations, whatever the acoustic impedance and damping of the noiseless medium. Its operation is based on the magnetostrictive effect. In fact, the vibrations of the ferromagnetic mass (30) produce variations in the magnetisation in this material which are reflected by flux variations across the coil (60). The resultant induced current (20) correctly represents the state of vibration of the material. This current is subjected to a simple electronic treatment in the filter-dephaser (1) before being amplified in amplifier (2) powering the electric excitation unit (3). In addition, the electronic comparator (4) maintains the mechanical vibrations at their maximum amplitude through the action of the controlling device (5) which continuously rebalances the resonator at the level of the free end (31) of the damping mass (30) and may maintain the fixation plane in harmony with a nodal plane (6). These resonators constitute powerful ultrasonic generators and also facilitate the study of: high-amplitude vibrations and their propagation in various materials; the properties of these materials in the non-linear field and especially their fatigue and ageing.

Description

REALISATION DE RESONATEURS ELECTROMECANIQUES, EXCITES ELECTRIQUEMENT ET ASSERVIS PAR EFFET MAGNETOSTRICTIF.REALIZATION OF ELECTROMECHANICAL RESONATORS, ELECTRICALLY EXCITED AND SERVOED BY MAGNETOSTRICTIVE EFFECT.
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 l'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 mechanical acoustic 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 compo¬ sites, constitués par un ensemble de masses métalliques, généra- lement de nature et/ou de forme différentes, mises en vibration à des fréquences comprises entre 10 et 90 kHz, au moyen d'un effet lié au courant électrique tel que la piézoélectricité (ou la magnétostriction, etc.). Donc, ce type de résonateur acousto- mécanique, encore appelé sonotrode, peut être considéré comme l'association d'un dipôle électrique d'excitation _n interaction avec un résonateur mécanique constitué de masses métalliques sy¬ métriques ou non.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, set in vibration at frequencies between 10 and 90 kHz, by means of an effect linked to electric current such as piezoelectricity (or magnetostriction, etc.). Therefore, this type of acousto-mechanical resonator, also called sonotrode, can be considered as the association of an electrical excitation dipole _n interaction with a mechanical resonator made up of metallic masses, whether or not symmetrical.
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 corres¬ pondre à un nombre entier de quart de longueur d'onde ( deux ou plus).The most effective 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 règle générale un résonateur destiné à fournir des ultrasons de puissance possède une structure dissymétrique: la masse émettrice d'ultrasons est appelé masse avant; l'autre masse est appelée masse arrière ou amortisseur.As a general rule, a resonator intended to supply power ultrasound has an asymmetrical structure: the mass emitting ultrasound is called the front mass; the other mass is called rear mass or shock absorber.
Cependant la qualité vibratoire d'un tel résonateur, c'est- à-dire son aptitude à être le siège d'un système d ' o n de s stationnaires de résonance, nécessite que des conditions aux limites très strictes soient satisfaites, principalement aux interfaces en contact avec l'excitation électrique ainsi qu'aux extrémités libres, mais également au niveau du plan de fixation du résonateur sur son support ou dans son boîtier de protection, plan qui doit coïncider rigoureusement avec un plan nodal c vibrations. 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 très importants (quelques dizaines de watts/ cm2 dans le résonateur). On peut même augmenter l'amplitude des vibrations en utilisant des amplificateurs de déplacement ( par exemple coniques ou exponentiels ). Malheureusement ce type de générateur ultrasonore présente plusieurs défauts.However, the vibrational quality of such a resonator, that is to say its aptitude to be the seat of a system of on s of stationary resonance, requires that very strict boundary conditions be satisfied, mainly at the interfaces. in contact with the electrical excitation as well as at the free ends, but also at the level of the plane of attachment of the resonator on its support or in its protective case, plane which must coincide strictly with a nodal plane c vibrations. 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 / cm 2 in the resonator). It is even possible to increase the amplitude of the vibrations by using displacement amplifiers (for example conical or exponential). Unfortunately, this type of ultrasonic generator has several faults.
D'abord leur aptitude vibratoire peut être grandement modifiée selon les propriétés mécaniques (impédance acoustique, amortissement, etc..) des milieux insonifiés qui interagissent sur la masse vibrante par l'intermédiaire de l'interface émettrice: on observe un déplacement des ventres et des noeuds de vibrations comme si la longueur apparente de la masse vibrante en contact avec le milieu insonifré était augmentée.First of all, their vibratory ability can be greatly modified according to the mechanical properties (acoustic impedance, damping, etc.) of the insonified media which interact on the vibrating mass via the emitting interface: a displacement of the bellies is observed and vibration nodes as if the apparent length of the vibrating mass in contact with the soundproof medium were increased.
Ensuite lorsqu'un tel résonateur est au maximum de sa puissance, il est le siège d'un échauffement important dû princi¬ palement aux frottements internes visco-élastiques, dans les parties métalliques où le déplacement particuiaire est le plus grand c'est-à-dire au voisinage des ventres des vibrations de déplacements (qui correspondent à des noeuds de contraintes). Non seulement cette perte d'énergie acousto-mécanique, sous forme" de chaleur, limite l'énergie ultrasonore utilisable mais encore réchauffement entraîne un glissement notable de la fréquence de résonance (plusieurs dizaines de hertz ). De plus on constate que les vibrations des masses métalliques ne sont plus sinusoïdales et leur étude par analyse de Fourier montre l'ap¬ parition d'harmoniques en proportion considérable, parfois au delà de l'ordre dix. Alors le dipôle d'excitation électrique a un réponse non linéaire. Toujours dans l'état actuel de la technique, il n'existe aucun dispositif d'asservissement permettant de rechercher l'am¬ plitude maximale des vibrations en fonction du milieu insonifié, tandis que la plupart des asservissements en fréquence reposent sur la recherche d'un maximum de l'amplitude du courant élec¬ trique d'alimentation et fonctionnent mal aux fortes puissances, parce qu'if apparaît alors un écart notable entre la fréquence fondamentale de résonance mécanique et la fréquence correspon¬ dant à un maximum du courant électrique.Then when such a resonator is at the maximum of its power, it is the seat of a significant heating due mainly to visco-elastic internal friction, in the metal parts where the particuiaire displacement is greatest, that is to say -to say in the vicinity of the bellies displacement vibrations (which correspond to constraint nodes). Not only does this loss of acousto-mechanical energy, in the form of " heat, limit the ultrasonic energy that can be used, but also heating leads to a noticeable shift in the resonance frequency (several tens of hertz). In addition, it is found that the vibrations of the metallic masses are no longer sinusoidal and their study by Fourier analysis shows the appearance of harmonics in considerable proportion, sometimes beyond the order of 10. Then the dipole of electric excitation has a nonlinear response. the current state of the art, there is no servo-control device making it possible to search for the maximum amplitude of the vibrations as a function of the sound-insulated medium, while most frequency servo-controls rely on the search for a maximum of the amplitude of the electric supply current and malfunction at high powers, because if there then appears a noticeable difference between the fundamental frequency ntale of mechanical resonance and the frequency corresponding to a maximum of the electric current.
La présente invention concerne la réalisation de réso¬ nateurs électromécaniques de puissance, du type de ceux décrits précédemment*- Elle a pour but d'augmenter considérablement l'amplitude vibratoire du résonateur ainsi que la pu issan ce ultrasonore utile délivrée, quelle que soit les conditions d'utflisation :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 power of this useful ultrasonic delivered, whatever the conditions of use:
- grâce à un double automatisme d'asservissement agissant sur . la fréquence du courant électrique d'alimentation de façon qu'elle suive toute dérive éventuelle de la fréquence de résonance du résonateur, . la longueur apparente d'une ou des deux masses vibrantes en fonction de la variation des propriétés mécaniques des milieux insonifiés, - par l'emploi de dispositifs de fixation du résonateur sur son support, dispositifs se ramenant à trois types: . soit une fixation flottante à faible couplage mécanique de façon à minimiser les pertes par transfert d'énergie vers le support, . soit une fixation mobile asservie, à blocage pneumatique ou oléo-pneumatique, permettant de rechercher en permanence une parfaite coïncidence avec un plan nodal, notamment lors des changements du milieu insonifié, . soit une fixation immuable placée entre les plaques piézoélectriques, dans une position qui est un noeud de vibration lorsque le système est bien réglé. - 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'alliages contenant des éléments comme le nickel, le cobalt, le chrome, le fer, etc ..., remplissent ces conditions.)- thanks to a double automatic control acting on. the frequency of the electrical supply current so that it follows any possible drift in the resonant frequency of the resonator,. the apparent length of one or both vibrating masses in function of the variation of the mechanical properties of the insonified media, - by the use of devices for fixing the resonator on its support, devices which can be reduced to three types:. either a floating fastening with low mechanical coupling so as to minimize losses by energy transfer to the support,. either a slaved mobile attachment, with pneumatic or oleo-pneumatic locking, making it possible to constantly search for perfect coincidence with a nodal plane, in particular during changes in the soundproof environment,. or an immutable fixing placed between the piezoelectric plates, in a position which is a vibration node when the system is properly adjusted. - 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 certain number of alloys containing elements like nickel, cobalt, chromium, iron, etc ... meet these conditions.)
Les automatismes d'asservissement utilisés par l'invention sont fondés sur le phénomène de magnétostriction dont les matériaux ferromagnétiques sont le siège, de sorte que ces asservissements reposent sur le seul paramètre vérita¬ ble, à savoir l'amplitude des vibrations mécaniques dont les masses métalliques du résonateur sont le siège. En effet il est bien connu qu'un barreau d'un matériau ferro- magnétique s'aimante lorsqu'il subit un effort longitudinal de traction; l'aimantation s'inverse pour une compression. C'est l'ef¬ fet V i l lari .The automatic control systems used by the invention are based on the phenomenon of magnetostriction of which the ferromagnetic materials are the seat, so that these automatic control systems are based on the only veritable parameter, namely the amplitude of the mechanical vibrations whose masses metal of the resonator are the seat. Indeed it is well known that a bar of a ferromagnetic material is magnetized when it undergoes a longitudinal tensile force; the magnetization reverses for compression. It is the effect V i lari.
Dans ces conditions, si un solénoïde entoure le barreau, la force électro motrice e = - dΦ / dt , induite par la variation de flux magnétique due à la variation d'aimantation, représente la dérivéeUnder these conditions, if a solenoid surrounds the bar, the electromotive force e = - dΦ / dt, induced by the variation of magnetic flux due to the variation of magnetization, represents the derivative
( par rapport au temps ) de la déformation du barreau, avec une fidélité très satisfaisante. Le so lén oïd e joue ainsi le rôle de(with respect to time) of the deformation of the bar, with very satisfactory fidelity. So lén oïd plays the role of
"capteur de vibrations mécaniques"."mechanical vibration sensor".
Pour appliquer cette propriété à des résonateurs électromécani- ques, on peut utiliser:To apply this property to electromechanical resonators, we can use:
- soit un matériau magnétostrictif massif,- either a massive magnetostrictive material,
- soit un matériau non ferromagnétique, chemisé par un tube de matériau ferromagnétique de 2 à 3 mm d'épaisseur, ou incrus- té à sa surface par une ou plusieurs petites règles ferroma¬ gnétiques. Un capteur, constitué d'une petite bobine de quelques centai¬ nes de spires placée autour de la masse ferromagnétique vibrante, permet d'obtenir une force électromotrice de quelques dixièmes de volts.- either a non-ferromagnetic material, jacketed by a tube of ferromagnetic material 2 to 3 mm thick, or incrusted- tee on its surface by one or more small ferromagnetic rules. A sensor, consisting of a small coil of several hundred turns placed around the vibrating ferromagnetic mass, makes it possible to obtain an electromotive force of a few tenths of volts.
Alors l'asservissement en fréquence est obtenu automati¬ quement car la vibration libre du résonateur induit, dans la bobine, un courant qui est amplifié avant de revenir alimenter l'excitation électrique du résonateur, à la fréquence qui donne la plus grande amplitude. 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), l'inté¬ grer et le remettre en phase avant de l'envoyer sur l'amplificateur de puissance. Ce type d'asservissement en fréquence, déjà connu est utilisé dans toutes les réalisations de résonateurs concernées par l'invention.Then the frequency control is obtained automatically because the free vibration of the resonator induces, in the coil, a current which is amplified before returning to supply the electrical excitation of the resonator, at the frequency which gives the greatest amplitude. 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), integrate it and put it back in phase before sending it to the amplifier power. This type of frequency control, already known, is used in all of the embodiments of resonators concerned by the invention.
L'asservissement de la longueur apparente des masses vibrantes est rendu nécessaire: - d'abord parce que les propriétés mécaniques des matériaux, constituant ces masses, varient avec la température, et notam¬ ment la vitesse de propagation des ondes élastiques, ce qui entraîne un changement de conditions aux limites,The enslavement of the apparent length of the vibrating masses is made necessary: - firstly because the mechanical properties of the materials, constituting these masses, vary with the temperature, and in particular the speed of propagation of the elastic waves, which involves a change in boundary conditions,
- ensuite parce que le milieu insonifié interagit avec la masse émettrice d'ultrasons; en effet, lorsque l'interface émet- trice est en contact avec un milieu solide ou liquide, elle ne reste pas un noeud de contraintes (ventre de vibrations): tout se passe comme si la longueur de cette masse vibrante était augmentée: là encore il y à modification des conditions aux limites.- then because the insonified medium interacts with the mass emitting ultrasound; indeed, when the emitting interface is in contact with a solid or liquid medium, it does not remain a constraint node (belly of vibrations): everything happens as if the length of this vibrating mass had been increased: here again there is modification of the boundary conditions.
Cet allongement apparent dépend des propriétés mécani¬ ques du milieu insonifié (impédance acoustique et amortisse¬ ment) et il est d'autant plus grand que le milieu est plus dense ou plus absorbant. De plus il entraîne un petit déplacement des plans ventraux et nodaux accompagné d'une légère dérive de la fréquence.This apparent elongation depends on the mechanical properties of the insonified medium (acoustic impedance and damping) and it is all the greater the denser or more absorbent the medium. In addition, it causes a small displacement of the ventral and nodal planes accompanied by a slight frequency drift.
Il est possible de compenser ces allongements apparents en modifiant la ré pa rt it i o n des m a s s e s vibrantes, par un dép lacement de m asses à la surface et/ou à l'intérieur des masses vibrantes constituant la partie mécanique du résonateur.It is possible to compensate for these apparent elongations by modifying the repo rt it i o n of the vibrating m a s s, by displacing m asses on the surface and / or inside the vibrating masses constituting the mechanical part of the resonator.
D'après l'invention, ces masses sont constituées:According to the invention, these masses are made up:
- soit par un ensemble de deux bagues métalliques, filetées inté¬ rieurement et dentées extérieurement, qui se vissent sur un fi- letage extérieur des masses vibrantes cylindriques: un moteur électrique, dont l'axe porte un pignon s'engrenant sur les dentures extérieures des deux bagues, permet de contrôler la rotation de l'ensemble des deux bagues et donc leur position; un micro-piston ou un tube déformable, à commande oléo-pneuma- tique, permet de bloquer les deux bagues sur le filetage et de les rendre solidaires des masses vibrantes ,- Either by a set of two metal rings, internally threaded and externally toothed, which are screwed on a outer lettering of the cylindrical vibrating masses: an electric motor, the axis of which carries a pinion meshing with the external teeth of the two rings, makes it possible to control the rotation of the assembly of the two rings and therefore their position; a micro-piston or a deformable tube, with oleo-pneumatic control, makes it possible to block the two rings on the thread and make them integral with the vibrating masses,
- soit par un tube, fermé à une extrémité, vissé sur la masse vibrante dite amortisseur et se bloquant sur son filetage à l'aide d'un micro-piston à commande oléo-pneumatique,- either by a tube, closed at one end, screwed onto the vibrating mass called shock absorber and blocking on its thread using a micro-piston with oleo-pneumatic control,
- soit par des tubulures de petit diamètre, percées dans la masse selon un diamètre ou enroulées en spirale et soudées à la périphérie de la masse vibrante: du mercure ou du gallium peuvent y être introduit en plus ou moins grande quantité par un dispositif oléo-pneumatique,- either by small diameter tubes, drilled in the mass according to a diameter or wound in a spiral and welded to the periphery of the vibrating mass: mercury or gallium can be introduced into it in greater or lesser quantity by an oleo device pneumatic,
Au lieu d'utiliser un déplacement de masse pour modifier les conditions aux limites au niveau de l'amortisseur, on peut agir sur la face libre de ce dernier au moyen d'un puissant c o u p l ag e magnétique ajustable, éventuellement renforcé par l'emploi de matériaux magnétiques finement divisés, sous forme de poudres ou de liquides (ferro-fluides).Instead of using a mass displacement to modify the boundary conditions at the level of the shock absorber, one can act on the free face of the latter by means of a powerful adjustable magnetic coupling, possibly reinforced by the use finely divided magnetic materials, in the form of powders or liquids (ferro-fluids).
La recherche de l'amplitude maximale de vibrations est commandée par un dispositif électronique dénommé ci-après com¬ parateur qui analyse les signaux provenant d'un ou de plusieurs capteurs-bobines et détecte toute diminution d'amplitude.The search for the maximum amplitude of vibrations is controlled by an electronic device hereinafter referred to as a comparator which analyzes the signals coming from one or more sensor-coils and detects any reduction in amplitude.
En dessous d'une certaine valeur ajustable Vseu j | de l'amplitude de vibration, le comparateur commande successivement les diffé¬ rents dispositifs équipant ιe système et contrôle:Below a certain adjustable value V seu j | of the amplitude of vibration, the comparator successively controls the different devices fitted to the system and control:
- le déplacement des masselottes, - le changement du couplage magnétique,- moving the weights, - changing the magnetic coupling,
- le déplacement du plan de fixation, afin de rétablir l'amplitude maximale de vibration. La commande de chacun des asservissements peut être soit suspendue, soit activée manuellement. Dans tous les cas, un problème fondamental se pose: pour utiliser le résonateur, il est nécessaire de le fixer sur un support ou à l'intérieur d'un boîtier de p Otection 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.- the displacement of the fixing plane, in order to restore the maximum amplitude of vibration. The control of each of the servos can be either suspended or activated manually. In all cases, a fundamental problem arises: to use the resonator, it is necessary to fix it on a support or inside a protection box or 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 nœud de vibrations, quand son épaisseur est petite, que le résonateur est symétrique ou encore qu'il est bien réglé, suivant l'invention.- The preferred fixing method is the simplest but only applies to a piezoelectric excitation unlike two others. 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 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. 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 pian du support. La recherche de cette coïncidence est une des fonctions d'asservissement dévolues au comparateur qui bloque ensuite le résonateur dans la position optimale à l'aide d'une bague munie d'un micro-piston oléopneumatique.- The second type of fixation 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. In order to limit the 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 allows the nodal plane to be brought back into the plane of the support. The search for this coincidence is one of the control functions devolved to the comparator which then blocks the resonator in the optimal position using a ring fitted with an oleopneumatic micro-piston.
- 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 ultrasonore. II consiste à utiliser un boîtier de suspension, constitué de deux plaques métalliques parallèles placées entre masses métal¬ liques 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. 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.- 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 ultrasonic cavitation. 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 housing has a flexible suspension device, by an axis or a ring for example. It has two tubes, 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 12.The invention and its various embodiments will be better understood by referring to Figures 1 to 12.
Les figures 1 et __ 2 représentent le principe de l'asservis¬ sement par magnétostriction, à l'aide de bobine(s)-capteur(s) et d'un comparateur microprogrammé. Les figure 3 et 4 montrent l'utilisation de chemise et d'incrustations superficielles en matériaux ferromagnétiques.Figures 1 and __ 2 show the principle of servos¬ ment by magnetostriction, using coil (s) -sensor (s) and a microprogrammed comparator. Figures 3 and 4 show the use of liners and superficial inlays of ferromagnetic materials.
Les figures 5 à 8 montrent comment il est possible de modifier la longueur apparente par déplacement de bagues (figures 5 et 6) ou de liquides plus moins denses (figures 7 et 8).Figures 5 to 8 show how it is possible to change the apparent length by moving rings (Figures 5 and 6) or less dense liquids (Figures 7 and 8).
FEUILLE DΞ REMPLACEMENT La figure 9 schématise un exemple de réalisation avec asservissement en fréquence et réglage magnétique avec la fixation préférentielle de la plaque centrale, sur un epaulement à l'intérieur du boîtier de protection. Les figures 10 et 11 schématisent le principe de fixation par plaque porteuse, assujettie à rester en coïncidence avec un plan nodal.REPLACEMENT SHEET Figure 9 shows schematically an embodiment with frequency servo and magnetic adjustment with the preferential fixing of the central plate, on a shoulder inside the protective housing. Figures 10 and 11 show schematically the principle of fixing by carrier plate, subject to remain in coincidence with a nodal plane.
La figure 12 représente une réalisation de l'invention, limitée au seul asservissement en fréquence et munie d'un boîtier de suspension assurant l'isolement électrique.FIG. 12 represents an embodiment of the invention, limited to only frequency control and provided with a suspension box ensuring electrical isolation.
La figure 13 représente un embout focalisant calculé pour obte¬ nir une concentration maximum à 15 mm en avant de la sonotrode. 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'ultra¬ sons. (Par exemple, pour un résonateur demi-onde vibrant à 20 kHz, la longueur entre les interfaces 31 et 41 est de l'ordre du déci¬ mètre). Cependant rien n'empêche d'utiliser des masses identi¬ ques pour constituer un résonateur symétrique.FIG. 13 shows a focusing tip calculated to obtain a maximum concentration 15 mm in front of the sonotrode. 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 ultra-sounds. (For example, for a half-wave resonator vibrating at 20 kHz, the length between the interfaces 31 and 41 is of the order of a deci¬ meter). 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 pian 41 , par un transformateur de vitesse afin d'obtenir des déplacements de l'ordre du millimètre. Ainsi,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. So,
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 bobines420 shows schematically an exponential speed transformer in which 41 and 44 represent the traces of two ventral planes of vibration while 43 corresponds to a nodal plane. The coils
60, 61 et 62 permettent d'effectuer des comparaisons de phase. 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.).60, 61 and 62 allow phase comparisons to be made. 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 cui¬ vre au béryllium) e' '_ plaque 9 qui, dans la réalisation préfé¬ rentielle, sert à fi r le résonateur sur l'épaulement 76 solidaire du boîtier de protection 75. En outre, la plaque 9 permet d'assurer un refroidissement efficace des céramiques 3.The electrical contacts are provided by the washer 8 (in beryllium cui¬ v) e '' _ plate 9 which, in the preferred embodiment, serves to fi r the resonator on the shoulder 76 secured to the protective housing 75. In addition, the plate 9 ensures efficient cooling of the ceramics 3.
L'asservissement, sur lequel repose l'invention, consiste à utiliser un matériau ferromagnétique pour constituer les deux masses 30 et 40 ou simplement l'une d'entre elles, par exemple laThe control, on which the invention is based, consists in using a ferromagnetic material to constitute the two masses 30 and 40 or simply one of them, for example the
FEUILLE DE REMPLACEMENT masse 30. Si l'utilisation massive d'un matériau ferromagnétique présente un inconvénient, on peut simplement incruster des barreaux ferromagnétiques 310 selon quelques-unes des géné¬ ratrices de la masse 30 et/ou de la masse 40 ou chemiser par un tube ferromagnétique 311.REPLACEMENT SHEET mass 30. If the massive use of a ferromagnetic material has a drawback, one can simply encrust ferromagnetic bars 310 according to some of the generators of mass 30 and / or mass 40 or line with a ferromagnetic tube 311.
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. Le courant 20, induit dans la bobine 60, présente un déphasage par rapport au courant 27 alimentant l'excitation électrique 3.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. 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 préamplifié, filtré, intégré puis remis en phase dans l'amplificateur-déphaseur 1 avant d'être envoyé dans l'amplificateur de puissance 2 qui alimente l'excitation électrique 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.This is why it is preamplified, filtered, integrated then put back in phase in the amplifier-phase shifter 1 before being sent in the power amplifier 2 which feeds the electrical excitation 3. The chain 60, 1, 2 and 3 allows the resonator to be maintained 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 le comparateur électronique 4, qui comporte une mi- croprogrammation et commande les différents mécanismes 5 de réglage de la longueur apparente et/ou le déplacement du plan de fixation, 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 the electronic comparator 4, which comprises a micro-programming and controls the various mechanisms 5 for adjusting the apparent length and / or the displacement of the fixing plane, in order to reduce the vibrations to their maximum amplitude.
Dans l'une des réalisations possibles, le dispositif de réglage 5 est constitué par un moteur électrique (non représenté) dont l'axe 51 porte une roue dentée 511 qui met en rotation les bagues jumelées 320 et 321 , vissées sur le filetage extérieur des masses 30 et ou 40. La bague 321 porte un tube de section elliptique 322 et/ou des micro-pistons 323. Sous l'action d'une pression d'huile, commandée par une pompe oléo-pneumatique appartenant au dispositif 5, le tube elliptique (et/ou le piston) se déforme, exerce une pression sur la bague 320 et provoque le blocage des deux bagues 320 et 321 sur les filets du filetage 301.In one of the possible embodiments, the adjusting device 5 is constituted by an electric motor (not shown) whose axis 51 carries a toothed wheel 511 which rotates the twin rings 320 and 321, screwed onto the external threads of the masses 30 and or 40. The ring 321 carries a tube of elliptical section 322 and / or micro-pistons 323. Under the action of an oil pressure, controlled by an oleo-pneumatic pump belonging to the device 5, the elliptical tube (and / or the piston) deforms, exerts pressure on the ring 320 and causes the blocking of the two rings 320 and 321 on the threads of the thread 301.
Dans une, seconde réalisation, les masses 30 et/ou 40 comportent des tubulures capillaires, soit diamétrales 340, soit soudées à leur périphérie, reliées par les tubes souples 342 à un dispositif à commande oléo-pneumatique. Sous l'action d'un déplacement d'huile, une certaine quantité d'un liquide dense (mercure, gallium, etc.), contenu dans le réservoir 343, est poussé dans le capillaire ou inversement ramené dans le réservoir de façon à ajuster la longueur apparente de la masse vibrante.In a second embodiment, the masses 30 and / or 40 comprise capillary tubes, either diametrical 340, or welded at their periphery, connected by the flexible tubes 342 to an oleo-pneumatic control device. Under the action of an oil displacement, a certain quantity of a dense liquid (mercury, gallium, etc.), contained in the reservoir 343, is pushed into the capillary or vice versa brought back into the reservoir so as to adjust the apparent length of the vibrating mass.
Dans une autre réalisation, la masse 30 constitue l'armature d'un circuit magnétique constitué par les pièces 549,In another embodiment, the mass 30 constitutes the armature of a magnetic circuit constituted by the parts 549,
FEUILLE DE REMPL 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 masseREPLACEMENT SHEET 550 and 551, with 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 ground
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. On notera, dans ce montage, l'emploi du mode de fixation préférentielle par plaque centrale 930. The effect can be further enhanced by the use of finely divided magnetic materials 555, placed in the air gap 556; 557 is a second, annular air gap, while 553 represents an induction line. It will be noted, in this arrangement, the use of the preferred method of fixing by central plate 9
Le second type de fixation se compose de la plaque porteuse 70, d'épaisseur 10 à 12 millimètres, percée d'un trou taraudé 72. La plaque 70 est amincie aux abords 71 du trou, jusqu'à une épaisseur de 4 à 5 millimètres au niveau du filetage 72. Le trou taraudé 72 se visse sur le filetage 301 de la masse cylindrique 40 ou celui de la masse 30. 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. Le comparateur 4 commande, par l'intermédiaire de l'appareil de réglage 5, la rotation du résonateur afin de rechercher, par de petits déplacements transversaux, la coïncidence entre le plan nodal de la masse 30 ou 40 et le plan médian 700 de la plaque porteuse 70. Lorsque celle-ci est réalisée, le résonateur est verrouillé. Le blocage est assuré par un bague filetée 321 , munie d'un anneau elliptique déformable 322 et/ou de micro-piston 323.The second type of attachment consists of the carrier plate 70, 10 to 12 millimeters thick, pierced with a tapped hole 72. The plate 70 is thinned around the hole 71, to a thickness of 4 to 5 millimeters at the thread 72. The tapped hole 72 is screwed onto the thread 301 of the cylindrical mass 40 or that of the mass 30. In this case, the mass 30 and / or the mass 40 are optionally extended by a metal slice corresponding to half a wavelength. The comparator 4 controls, through the adjusting device 5, the rotation of the resonator in order to search, by small transverse displacements, for the coincidence between the nodal plane of the mass 30 or 40 and the median plane 700 of the carrier plate 70. When this is carried out, the resonator is locked. Locking is provided by a threaded ring 321, provided with a deformable elliptical ring 322 and / or micro-piston 323.
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 masses 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'appu 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 two parallel plates 91 which bear on the shoulders 94 which the masses 30 and 40 have in this type of embodiment. The assembly and the prestressing are ensured by the tightening screw 95 and the support washer 96. 98 represents an electrical isolation ring. Two pipes 93, only one of which is shown, allow the passage of electrical conductors and 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 magnéto- strictive.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.
Dans certaines réalisations particulières, il peut être utile d'employer plusieurs bobines capteurss 60, 61 , 62, 63 et 64 dont les courants induits respectifs 20, 21 , 22, 23 et 24, sontIn certain particular embodiments, it may be useful to use several sensor coils 60, 61, 62, 63 and 64 whose respective induced currents 20, 21, 22, 23 and 24 are
FEUILLE DE REMPLACEMENT analysés par une version élaborée du comparateur 4 afin de caractériser les vibrations des masses 30 et 40 ainsi que leur propagation,REPLACEMENT SHEET analyzed by an elaborate version of comparator 4 in order to characterize the vibrations of masses 30 and 40 as well as their propagation,
Enfin, dans certaines réalisations, il peut être utile d'utiliser un embout focalisant dont la surface 304 est calculée pour concentrer l'énergie acoustique en un point F situé à quelques centimètres du plan 305.Finally, in certain embodiments, it may be useful to use a focusing tip whose surface 304 is calculated to concentrate the acoustic energy at a point F located a few centimeters from the plane 305.
Eh conclusion, l'utilisation de matériaux ferromagné¬ tiques, associés à l'emploi de capteurs et d'un dispositif d'analyse (comparateur) appropriés, permet :In conclusion, the use of ferromagnetic materials, associated with the use of appropriate sensors and an analysis device (comparator), allows:
- d'obtenir des courants caractérisant l'état vibratoire du système en ses différents points,- to obtain currents characterizing the vibratory state of the system at its different points,
- de suivre toute dérive de la fréquence de résonance Fo,- to follow any drift of the resonant frequency Fo,
- de compenser les excursions des plans nodaux et ventraux, de façon à conserver les conditions requises pour la résonance optimaje.- to compensate for the excursions of the nodal and ventral planes, so as to preserve the conditions required for optimum resonance.
L'emploi de matériaux métalliques à très faible coeffi¬ cient de frottements internes, améliore considérablement le rendement mécanique. Ainsi, l'invention permet de réaliser des résona urs très performants qui constituent des sources d'ultra¬ sons très intenses, stables en fréquence et en puissance.The use of metallic materials with a very low coefficient of internal friction considerably improves the mechanical efficiency. Thus, the invention makes it possible to produce very efficient resonators which constitute sources of very intense ultra¬ sounds, stable in frequency and in power.
Il 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 - des onde de compression de très grande amplitude (plus proche de l'onde de choc que de la vibration sinusoïdale), - des propriétés des matériaux sous l'effet d'une telle sollicitation (amortissement, propagation non linéaire, viscoélas- ticité.frottements internes, fatigue etc.). Ainsi l'invention permet également l'étude de certains matériaux, de leur fatigue et de leur vieillissement sous des contraintes de l'ordre de la centaine de mégapascals, à des fréquence variant entre 10 kHz et 100 kHz.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 - compression waves of very large amplitude (closer to the wave shock than sinusoidal vibration), - properties of materials under the effect of such a stress (damping, non-linear propagation, viscoelasticity, internal friction, fatigue, etc.). 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.
FEUfLLE DE REMPLACEMENT REPLACEMENT SHEET

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé, applicable à la réalisation de divers types de résonateurs électromécaniques composites, susceptibles de nom¬ breuses applications dans différents domaines, utilisant:1. Method, applicable to the production of various types of electromechanical composite resonators, capable of numerous applications in different fields, using:
- la création de courants électriques induits, grâce à l'effet ma- gnetostrictif, par les vibrations mécaniques animant ces résonateurs- the creation of induced electric currents, thanks to the magnostrictive effect, by the mechanical vibrations animating these resonators
- et l'asservissement en fréquence par ces courants, caractérisé en ce qu'il permet :- and frequency control by these currents, characterized in that it allows:
- l'obtention, après intégration, de signaux électriques propor- tionnels aux vibrations mécaniques et les représentant avec une fidélité satisfaisante,- obtaining, after integration, electrical signals proportional to mechanical vibrations and representing them with satisfactory fidelity,
- la visualisation, l'enregistrement et l'analyse ( notamment par transformation de Fourier ) des signaux électriques engen¬ drés par les vibrations mécaniques, - l'adaptation aux modifications des conditions aux limites liées aux changements d'impédance acoustique des milieux insonifiés,- visualization, recording and analysis (in particular by Fourier transformation) of the electrical signals generated by mechanical vibrations, - adaptation to changes in boundary conditions linked to changes in the acoustic impedance of soundproofed media,
- la réduction des pertes d'énergie, sous forme de chaleur, par l'utilisation de matériaux appropriés, ayant un très faible coefficient de frottements internes, - la mise en résonance forcée d'un système mécanique constitué par un ensemble de masses métalliques notamment les masses 30 et 40,- the reduction of energy losses, in the form of heat, by the use of suitable materials, having a very low coefficient of internal friction, - the forced resonance of a mechanical system constituted by a set of metallic masses in particular masses 30 and 40,
- la production de vibrations de grande amplitude (de l'ordre du millimètre), - la mise en oeuvre de très fortes contraintes , de l'ordre de la centaine de mégapascals,- the production of vibrations of large amplitude (of the order of a millimeter), - the implementation of very strong constraints, of the order of a hundred megapascals,
- l'utilisation d'un domaine de fréquences allant de 10 kHz à 100 kHz, ledit procédé permettant : - d 'o bte n ir des générateurs performants d'ultrasons de puissance,- the use of a frequency range from 10 kHz to 100 kHz, said process making it possible: - to provide efficient power ultrasonic generators,
- de réaliser des sources d'intense cavitation dans les liquides,- to produce sources of intense cavitation in liquids,
- d'étudier, dans divers matériaux : - l'allure des vibrations mécaniques de grande amplitude ainsi que leurs répartitions spectrales, depuis l'onde sinusoïdale jusqu'à l'onde de choc, - la fatigue et le vieillissement de ces matériaux à des fréquences variant entre 10 kHz et 100 kHz. - to study, in various materials: - the shape of large amplitude mechanical vibrations as well as their spectral distributions, from the sine wave to the shock wave, - the fatigue and aging of these materials at frequencies varying between 10 kHz and 100 kHz.
2. Dispositif d'asservissement pour mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte :2. Control device for implementing the method, according to claim 1, characterized in that it comprises:
FEUILLE DE REMPLACEMENT - des matériaux ferromagnétiques pour constituer le résonateur, totalement (masse 30 et/ou masse 40) ou partiellement (incrustations 300 ou chemise 301 ),REPLACEMENT SHEET - ferromagnetic materials to constitute the resonator, totally (mass 30 and / or mass 40) or partially (inlays 300 or jacket 301),
- une bobine capteur 60 (ou plusieurs bobines 61 , 62, etc.), entourant la masse 30 (et/ou la masse 40), bobine(s) desti¬ née^) à fournir, grâce à l'effet magnétostrictif, une tension électrique 20 (et ou des tensions électriques 21 , 22, etc.) induite(s) par les variations de flux magnétique dues aux variations d'aimantation produites par les vibrations mécaniques dans les masses ferromagnétiques.- a sensor coil 60 (or several coils 61, 62, etc.), surrounding the mass 30 (and / or the mass 40), coil (s) intended ^) to be supplied, thanks to the magnetostrictive effect, a electrical voltage 20 (and or electrical voltages 21, 22, etc.) induced by variations in magnetic flux due to variations in magnetization produced by mechanical vibrations in ferromagnetic masses.
3. Dispositif d'asservissement selon la revendication 2 , caractérisé en ce qu'il comporte :3. Control device according to claim 2, characterized in that it comprises:
- un comparateur 4 permettant :- a comparator 4 allowing:
. d'obtenir une (des) tension(s) électrique(s) représentatives(s) de l'état vibratoire du système (en un et/ou plusieurs points).. to obtain an electrical voltage (s) representative of the vibratory state of the system (at one and / or several points).
. et/ou de comparer la valeur actuelle de cette tension avec une valeur précédente et/ou avec une valeur de consigne, . et ou de comparer entre elles les tensions induites dans la bobine 60, avec la tension 21 induite dans la bobine 61 , . de comparer et/ou de prendre en compte les tensions induites dans l'ensemble des bobines captrices 60, 61 ,62, etc.. and / or compare the current value of this voltage with a previous value and / or with a set value,. and or to compare the voltages induced in the coil 60 with each other, with the voltage 21 induced in the coil 61,. compare and / or take into account the voltages induced in all of the cap coils 60, 61, 62, etc.
- un ensemble d'appareil de réglage 5, commandés par le compa¬ rateur 4 et permettant de modifier la longueur apparente de l'une quelconque ou des masses vibrantes 30 et/ou 40 de façon à obtenir ou à retrouver l'amplitude maximale de vibration.- A set of adjustment apparatus 5, controlled by the compa¬ rator 4 and making it possible to modify the apparent length of any one or vibrating masses 30 and / or 40 so as to obtain or recover the maximum amplitude of vibration.
4. Dispositif de modification de longueur apparente des masses vibrantes filetées, par déplacement et blocage de masse- lottes sur ce filetage, selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il se compose de deux bagues jumelées, munies d'un file- tage intérieur et d'une denture extérieure, entraînées ensemble en rotation par l'intermédiaire d'un pignon, l'une des bagues étant susceptible d'exercer sur l'autre une forte pression au moyen d'une partie déformable, sous l'action d'une commande oléo-pneumatique.4. Apparatus for modifying the apparent length of the threaded vibrating masses, by displacement and blocking of monkfish on this thread, according to claims 2 and 3, characterized in that it consists of two twin rings, provided with a file - internal stage and external toothing, driven together in rotation by means of a pinion, one of the rings being capable of exerting on the other a high pressure by means of a deformable part, under the action of an oleo-pneumatic control.
5. Dispositif de modification de longueur apparente par déplacement de masse à la surface ou à l'intérieur du résonateur selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte des tubulures, de très petit diamètre intérieur, percées dans la masse du résonateur ou bobinées et soudées à sa surface, susceptibles d'être plus ou moins remplies par un liquide dense par un moyen oléo-pneumatique.5. Apparatus for modifying the apparent length by displacement of mass on the surface or inside the resonator according to claims 2 and 3, characterized in that it comprises tubes, of very small internal diameter, drilled in the mass of the resonator or wound and welded to its surface, capable of being more or less filled with a dense liquid by an oleo-pneumatic means.
6 . Dispositif de modification de longueur apparente selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique 549,550 et 551 permettant d'exercer une action très énergique sur la masse 30, action renforcée au besoin par, les matériaux magnétiques 555 ( poudres ou ferrofluides).6. Apparatus for modifying the apparent length according to claims 2 and 3, characterized in that it comprises a magnetic circuit 549, 550 and 551 allowing to exert an action very energetic on mass 30, action reinforced if necessary by, magnetic materials 555 (powders or ferrofluids).
7. Dispositif de fixation pour mise en œuvre du procédé selon les revendications 2 et 3, dans une version simplifiée, caractérisé en ce qu'il comporte une fixation du résonateur sur un support quelconque ou à l'intérieur d'un boîtier de protection 70, par l'intermédiaire de l'épaulement 76 au moyen de la plaque 97. A fixing device for implementing the method according to claims 2 and 3, in a simplified version, characterized in that it comprises a fixing of the resonator on any support or inside a protective housing 70 , via the shoulder 76 by means of the plate 9
(dite centrale) . (called central).
8 Dispositif asservi (ou déclenché manuellement) selon les revendications 2 ,3 et 4 caractérisé en ce qu'il comporte, dans certaines réalisations :8 Slave device (or triggered manually) according to claims 2, 3 and 4 characterized in that it comprises, in certain embodiments:
- un filetage à filet simple ou multiple 301 sur l'une des masses 30 et ou 40 du résonateur,- a single or multiple thread thread 301 on one of the masses 30 and or 40 of the resonator,
- un trou taraudé 72, à bords amincis 71 , pratiqué sur la plaque 70 et destiné à recevoir la vis 301 , afin de fixer le résonateur sur un bâti ou dans un boîtier de protection,a tapped hole 72, with thinned edges 71, made on the plate 70 and intended to receive the screw 301, in order to fix the resonator on a frame or in a protective case,
- un système rotatif permettant un déplacement du résonateur selon son axe, par simple vissage ou dévissage, de façon à amener un plan nodal de vibration en coïncidence avec le plan moyen 700 de la plaque 70 puis son blocage,a rotary system allowing the resonator to be displaced along its axis, by simple screwing or unscrewing, so as to bring a nodal vibration plane in coincidence with the mean plane 700 of the plate 70 then its blocking,
- un système de blocage destinée à immobiliser le résonateur, dans la position optimale, sur le filetage 301 , à l'aide d'une bague filetée 321 , maintenue à proximité de la plaque 70 par une fixation souple et susceptible d'exercer sur elle une forte pression par commande oléo-pneumatique 322.a blocking system intended to immobilize the resonator, in the optimal position, on the thread 301, using a threaded ring 321, held close to the plate 70 by a flexible fixing and capable of exerting on it high pressure by oleo-pneumatic control 322.
9. Dispositif selon les revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte, dans certaines réalisations, un boîtier de liai¬ son mécanique 90 comportant: deux plaques parallèles 91 prenant appui sur les épaulements 94, un système de fixation 92, deux tubulures 93 pour le passage des connexions électriques, la circulation d'un courant gazeux 97 et la création d'une surpression, boîtier constituant un moyen de suspension ou de fixation et un isolement électrique étanche.9. Device according to claims 2, 3 and 4, characterized in that it comprises, in certain embodiments, a mechanical sound connection housing 90 comprising: two parallel plates 91 bearing on the shoulders 94, a fixing system 92 , two pipes 93 for the passage of electrical connections, the circulation of a gas stream 97 and the creation of an overpressure, housing constituting a suspension or fixing means and a sealed electrical isolation.
10. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte, vissé à l'extrémité emettrice, un embout focalisant dont la forme est calculée pour obtenir une concentration d'énergie acoustique en un point de l'axe du résonateur et à quelques centimètres de l'extrémité emettrice.10. Device according to claims 2 and 3, characterized in that it comprises, screwed to the emitting end, a focusing tip whose shape is calculated to obtain a concentration of acoustic energy at a point on the axis of the resonator and a few centimeters from the transmitting end.
FEUILLE DE REMPLACEMENT REPLACEMENT SHEET
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