MEMORIA DESCRIPTIVA
SONDA PARA MEDICIÓN DE CAMPOS ACÚSTICOS DE ALTA INTENSIDAD
Sectores de la técnica en los que tiene aplicación.
- Minería.
- Oceanografía. - Sonoreactores.
- Procesos Acústicos en gases.
- Hidroacústica.
- Instrumentación.
Estado de la técnica anterior
El estudio de campos acústicos de alta intensidad en fluidos requiere de sensores capaces de soportar elevadas presiones acústicas. En efecto, en un experimento sobre acústica no lineal es corriente detectar presiones que pueden llegar a niveles tan altos como 160 dB referidos a 2 x 10 "5 Pa en ondas progresivas y a 170 dB referidos a 2 x 10 "5 Pa, en ondas estacionarias (1) (2). Estas elevadas presiones acústicas son capaces de romper en pocos minutos los detectores convencionales de condensador, los que por otra parte, presentan excelentes características de sensibilidad y respuesta en frecuencia (3).
Para el estudio y medición de campos altamente distorsionados por la no linealidad del medio, el recurso de atenuar la señal recibida mediante un tubo o sonda agregada a un micrófono de condensador no resulta práctico pues puede afectar de forma poco clara a la curva de respuesta del sistema (4). Así el único recurso posible resulta ser la búsqueda de un sistema de detección cuya solidez garantice su • exposición a los campos de alta intensidad sin romperse. Se requiere además que las características de sensibilidad y respuesta en frecuencia del detector sean estables y adecuadas para el trabajo en aire y agua.
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Durante las últimas decenas de años se ha realizado un considerable esfuerzo investigador destinado al desarrollo de detectores con las propiedades brevemente enumeradas. Uno de los más célebres logros en este campo fué la sonda acústica desarrollada por Schilling. El dispositivo de Schilling consistía en un cilindro piezoeléctrico acoplado rígidamente a una varilla metálica mediante un pegamento duro. Posteriormente se dotó al tubo portador de la cerámica piezoeléctrica, de un par de aros de goma que tenían por misión desacoplar la cerámica piezoeléctrica de la varilla metálica. Todo el conjunto estaba cubierto por una capa protectora de resina. Lamentablemente la curva de respuesta de la sonda desarrollada por Schilling muestra unas acusadas oscilaciones. Esto permite concluir que, a pesar de haber tenido éxito en el diseño de un detector que satisface los requerimientos de solidez y sensibilidad no consiguió un desacoplo significativo entre la señal detectada y las que se originaban, no en el fenómeno estudiado, sino en el propio sistema de detección.
Muchos años más tarde Lewin comunicó la construcción de un nuevo conjunto de sondas piezoeléctricas (6) en el que incorporaba un considerable número de mejoras tanto en la respuesta en frecuencias como en la obtención de acoplamientos mecánicos suficientemente débiles como para que las oscilaciones de los tubos de soporte no afecten demasiado las medidas. Lamentablemente la sensibilidad de la "Sonda Lewin" en aire es bajísima (-253dB ref a
esto hace que su interés se remita casi exclusivamente al estudio de campos acústicos en fluidos de alta densidad (líquidos).
Recientemente se ha desarrollado sondas del tipo membrana, en el NPL de Londres UK (7), aquí la idea es polarizar un pequeño sector de una lámina de un material piezoeléctrico de reciente factura (PVDF), montado en un bastidor dotándolo de dos pistas conductores de oro depositados sobre la membrana por un proceso de sputteriπg. El elemento sensible del detector así construido es casi puntual. Sin embargo, el detector diseñado en el NPL tiene un limitado campo de aplicación. Las limitaciones son de dos tipos: Por una parte debido a que la sonda no es auto soportante requiere un bastidor que perturba la zona de medidas. Por otra parte la membrana, a pesar de ser transparente a las ondas ultrasónicas en agua, tiene una impedancia específica (Pe) considerablemente mayor que el aire. Así trabajando en
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gases, la sonda NPL resulta de muy baja sensibilidad y completamente invasiva.
Referencias
1. J.A. Gallego, L.F.Gaete. "Propagation of finite-amplitude ultrasonic waves in air". Journal of Acoustic Soc. of America 73 pp 761-767 (1983).
2. L.F. Gaete, J.A. Gallego.
"Acoustic saturation of standing waves in air".
International Symposium on Nonlinear Acoustics, Leeds U.K (1981).
3. Ver por ejemplo "Condenser microphones and microphone amplifiers. Theory and application Handbook". Brüel & Kjaer, Naerum, Dinamarca, (1977).
4. V. Bañuls Terol, J.A. Gallego Juárez, L.Bjorno. "Acoustic Nonlinearity of Capillary Transmission Lines"
Proc. 10 th ISNA 55-58 (1984).
5. H. Schilling: "Final Report on Atmosferic Physics". Pennsylvania State College (1950)
6. P.A. Lewin, R.C. Chivers. "Two miniature ceramic ultrasonic probes". J. Phys E. Se. Instrument Vol. 14 pp 1420-1424 (1981).
7. NP4 U.K. "Pvdf membrane hydrophones". DRSA AN7 (1986)
8. Hueter-Bolt.
Johon Wiley & Son (1955)
9. K. M. Sung "Piezoeléctric multilayer transducers for Ultrasonic pulse compressión". Ultrasonics March 1984 pp 61-68
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Explicación de la Invención
La presente invención se refiere a una sonda para la medición de campos acústicos de alta intensidad como se muestra en la figura 1.
Para que la sonda satisfaga el requerimiento de una buena sensibilidad se ha construido con materiales piezoeléctricos cuyo espesor es considerable, pero no suficiente como para que la resonancia del piezoeléctrico en su primer modo a espesor esté dentro del rango de frecuencias en que se está midiendo. Es bien sabido que en estas condiciones la sensibilidad de un transductor ultrasónico es aproximadamente proporcional al espesor del elemento piezoeléctrico (8). Como caso especial, y para trabajar en una banda de frecuencias en torno a la frecuencia natural del primer modo a espesor del elemento piezoeléctrico, se contempla el trabajo en resonanacia dotando a la sonda de las adecuadas capas de adaptación para aumentar su sensibilidad.
Para conseguir que la sonda sea autosoportante y no invasiva, el elemento piezoeléctrico o elemento activo se encastra en un tubo metálico cuyo diámetro es considerablemente menor que la mitad de la longitud de onda del armónico más alto que se desee detectar. Además para evitar que el receptáculo que contiene el acondicionador electrónico de la señal perturbe el campo, la longitud del tubo soportante ha de ser considerablemente mayor que la longitud de onda de la componente fundamental que se está midiendo.
Debido a que los elementos sensibles a un campo acústico resultan considerablemente ruidosos se ha dotado a la sonda de un sistema electrónico capaz de acondicionar la señal como para alimentar, en favorables condiciones, los sistemas de medida.
Los campos acústicos de alta intensidad excitan con mucha facilidad modos propios del tubo soportante. Esto origina señales espúreas. Para evitar la aparición de estas señales, o al menos debilitarlas significativamente, se ha procedido a llenar el tubo soportante con una sustancia altamente atenuadora. Este efecto se produce tanto por roce viscoso como por otros mecanismos físicos. Se ha ensayado con éxito un número de sustancias atenuadoras como goma de silicona, caucho, etc. Para aumentar la capacidad
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dispersiva de la sustancia atenuadora se ha previsto que tenga importantes cantidades de gas ocluido. Además se ha procedido a cargar las gomas ensayadas con partículas de otros materiales como aluminio, alúmina, corcho, etc. de esta manera el atenuador se hace dispersivo. Cabe destacar que las sustancias elegidas para estos propósitos conservan, en general, sus propiedades de elasticidad y atenuación.
Para evitar que las vibraciones excitadas en el tubo soportante provoquen la aparición de una señal espúrea en el elemento activo, éste se ha montado en condición "flotante". Para ello hay que conseguir que la mayor medida lateral del elemento activo sea bastante menor que de la medida interior del tubo. De esta manera se permite que una capa de la sustancia atenuadora se despalace por los costados del elemento activo dotándolo de una suspensión elástica altamente atenuadora.
Debido a que no es deseable introducir atenuaciones en la señal que genera el campo acústico que se está midiendo resulta conveniente evitar que la pasta atenuadora sobrepase un nivel de llenado (NLL). Así se consigue dejar al descubierto la cara anterior del elemento piezoeléctrico (EP) o elemento activo.
El elemento activo de la sonda está protegido de las agresiones del medio, tales como gases corrosivos, impacto de partículas, golpes, etc. mediante una fina capa de protección (CP).Es conveniente que la CP presente una atenuación lo mas baja posible. Para este cometido se ha empleado tanto metacrilato de metilo como Araldite cuidadosamente desgasificados. Debido a que al adherirse rígidamente el tubo a la CP se puede producir un acoplamiento indeseado entre el EP y el Alojamiento metálico (AM), se ha depositado en la superficie del EP una fina capa de goma de silicona pura, desgasificada, contribuyendo así a un desacoplo importante del EP con pérdidas moderadas.
Cuando se requiere trabajar en una banda relativamente estrecha, en torno a la frecuencia de resonanacia del elemento sensible, se diseñan las capas de desacoplamiento y protectoras de manera que constituyan "Capas de adaptación de impedancia" (λ/4)- Esto obliga a realizar estos elementos con sustancias capaces de satisfacer las relaciones de impedancia en el modo de
trabajo deseado: Onda continua o modo pulso-eco (9). Debe notarse que existe la posibilidad de dotar a la sonda de un número mayor de capas de adaptación de impedancias configurando asi un transductor "multicapa".
El conductor de tierra (CT), que es un hilo conductor muy fino, para no darle rigidez al sistema, se fija por la cara delantera del elemento piezoeléctrico. El mecanismo de fijación puede variar según los requerimientos: de una capa de resina conductora a una soldadura realizada con materiales de bajo punto de fusión.
El conductor de tierra, como se aprecia en la figura 2, es un doble hilo cuyos extremos están fijados en dos cavidades diametralmente opuestas del soporte del conductor de tierra (SCT). El SCT es un manto de cilindro dotado de una abertura paralela a su eje de simetría. El objetivo de la ranura es dotar al SCT de flexibilidad para facilitar su montaje.
El SCT puede ser realizado en un material conductor o en uno aislante. Si se requiere de una conexión a tierra en las proximidades del elemento activo se construye en metal. Por otra parte, si lo deseable es conseguir que la conexión de tierra esté en un único punto común situada en otro sitio, se realiza en un material aislante.
El conductor de tierra (CT) de la sonda, se fija en un punto al extremo del ser.
El alojamiento metálico, soporte del detector y pantalla eléctrica del sistema, se introducen en un orificio practicado en el extremo del alojamiento del sistema preamplificador electrónico. Este está realizado en metal y cuenta además con un tornillo de fijación (TF) para bloquear el AM en la posición deseada. Con esta disposición se consigue realizar las conexiones en un volumen mínimo permitiendo que los cables destinados a conducir la señal, alimentación y toma de tierra, en el interior del dispositivo, sean lo mas cortos posible. Esto tiene considerables ventajas tanto desde el punto de vista eléctrico como mecánico.
El sistema completo termina en una tapa metálica que permite el ingreso de un conductor doble apantallado que proporciona la alimentación al
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amplificador previo y conduce la señal a los sistemas de medida. En la tapa trasera se encuentra también la toma de tierra del sistema de encapsulado del detector.
Finalizamos la descripción del dispositivo que se pretende patentar con una presentación de las caracteríscticas del sistema electrónico de que dispone.
El sistema electrónico, de acondicionamiento de la señal, tal como se detalla en la figura 1, está constituido por tres subsistemas: 1Q un preamplificador electrónico (PE). 2Q dos conductores de conexión entre éste y el elemento piezoeléctrico (EP) y 3Q los conductores de conexión entre el preamplificador electrónico y el sistema de medida.
Los conductores de conexión entre el elemento piezoeléctrico y preamplificador electrónico están constituidos por un hilo "conductor de señal" (CS) y por el hilo de retorno de señal "conductor de tierra" (CT). Ambos conductores, así como el elemento piezoeléctrico, quedan apantallados electromagnéticamente por el "alojamiento metálico" (AM) y por el "Alojamiento del Sistema Preamplifícador Electrónico" (ASPE). Ambos alojamientos están conectados eléctricamente entre si, y a su vez, conectados eléctricamente al conductor de tierra apantallada (CTA) en un solo punto, precisamente el punto de salida del preamplificador electrómco. Este apantallamiento sirve tanto para evitar la inducción de corrientes y tensiones parásitas perturbadoras a lo largo de los conductores de señal y tierra como en el cableado y elementos del preamplificador electrónico.
Los conductores de conexión entre el preamplificador electrónico y el sistema de medida están constituidos por el hilo "conductor de señal amplificada" (CSA), por el "conductor de alimentación" (CA) y por el hilo de ' retorno de señal y alimentación "conductor de tierra-pantalla" (CTA). Estos conductores forman un cable doble apantallado en el que los dos primeros están protegidos de campos electromagnéticos parásitos por el conductor de tierra-pantalla que los envuelve, para minimizar el efecto perturbador de las interferencias sobre la medida.
El preamplificador electrónico tiene por objeto acondicionar la señal sumamente débil captada por el elemento piezoeléctrico para ser conducida, sin excesivas pérdidas, por un cable largo hasta un sistema de medida
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alejado.
El preamplificador electrónico está caracterizado por poseer: una impedancia de entrada elevada, para no atenuar la señal procedente del elemento piezoeléctrico y una ganada de potencia elevada, para disponer a su salida de un nivel de señal muy superior al del ruido propio del sistema de medida. Este dispositivo compensa además las interferencias electromagnéticas que se puedan inducir en las interconexiones entre el preamplificador y el sistema de medida. Finalmente se ha previsto que el preamplificador electrónico posea, una impedancia de salida igual a la impedancia característica del cable doble apantallado que lo conecta al sistema de medida, con el fin de evitar reflexiones y ondas estacionarias en el cable que distorsionen la forma de onda de la señal captada.
Claves de las gráficas
Fig.-l. Diagrama esquemático de la Sonda Ultrasónica para Campos Acústicos de Alta Intensidad que incluyen capas de protección (Adaptación) sistema activo. Soportes mecánicos y acondicionador electrónico de la señal.
ASPE: Alojamiento del sistema preamplificador electrómco. CA: Conductor de alimentación
CTA: Conductor de tierra-pantalla
TP: Tapa posterior del sistema
TFT: Tornillo fijación tapa
Fig.-2. Detalle del sistema activo de la sonda ultrasónica destinada a la medida de campos acústicos de alta intensidad.
CCT: Conexión del conductor de tierra
EP: Elemento piezoeléctrico
BCT: Bridas del conductor de tierra
CS: Conductor de señal
MA: Material aislante
SCT: Soporte del conductor de tierra
CT: Conductor de tierra
Fig.-3. Esquema eléctrico de un modo de realización del preamplificador electrónico de señal.
TI: Transistor FET trabajando en modo de puerta común, formando un montaje cascodo con T2.
T2: Transistor FET amplificador de entrada de alta impedancia, formando un montaje cascodo con TI.
T3: Transistor bipolar amplificador de salida, trabajando en modo dé colector común.
Rl Resistencia de polarización de puerta de TI. R2 Resistencia de carga de TI. R3 Resistencia de polarización de base de T3. R4 Resistencia de polarización de puerta de TI. R5 Resistencia de polarización de base de T3. R6 Resistencia de polarización de puerta de T2. R7 Resistencia de polarización de fuente de T2 R8 Resistencia de polarización de emisor de T3.
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R9: Resistencia de carga y adaptación de impedancia de salida de T3.
Cl: Condensador de filtrado de la tensión de alimentación.
C2: Condensador de paso bloqueador de tensión continua inter-etapas.
C3: Condensador de desacoplo de polarización de puerta TI. C4: Condensador de desacoplo de polarización de fuente de T2.
C5: Condensador de paso bloqueador de tensión continua de salida.
Ll: Bobina de compensación de la respuesta a altas frecuencias.
Vcc: Tensión de alimentación.
ENT: Conexiones de entrada al preamplificador. SAL: Conexiones de salida del preamplificador.
Fig.-4. Curva de respuesta eléctrica lineal del elemento de transducción electro-acústico de la Sonda para medición de campos acústicos de alta intensidad.
Las marcas circulares en las lineas de medida corresponden a determinaciones de la fase y modulo de la impedancia para un valor particular de frecuencia.
ψ Medida de fase.
| Z | : Medida de módulo de impedancia eléctrica.
Fig.-5. Curva de respuesta eléctrica logarítmica del elemento de transducción electro-acústico de la Sonda para medición de campos acústicos de alta intensidad.
©: Medida de fase, lineal en magnitud y logarítmica en frecuencia. |ZJ: Medida de módulo de impedancia eléctrica, logaritmica en los dos ejes.
Exposición de un modo de realización de la invención
La invención que se pretende patentar ha dado origen a un prototipo
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construido tal y como se detalla en la figura 1 de la presente memoria.
La cápsula que protege el amplficador previo se ha construido en acero inoxidable 316. El diámetro exterior de la cápsula (ASPE) es 13,6 mm, su longitud es de 120 mm. y su diámetro interior es de 11,5 mm.
El alojamiento metálico (AM) del elemento piezoeléctrico (EP) es también un tubo de acero inoxidable de 2,5 mm. de diámetro exterior y 2 mm de diámetro interior . El elemento piezoeléctrico (EP) es un paralelípedo de base cuadrada de 2 mm. de longitud y de 1 mm. de arista. Está realizado en un material de alta sensibilidad (PZT5) y su polarización axial está orientada en la misma dirección del eje de simetría del sistema.
La capa protectora está realizada con un polímero de alta fluidez (UNECO DE CIBA) el que ha sido desgasado con un vacio de unos 10"3 mm. de Hg.
La capa de desacoplamiento (CD) ha sido realizada con goma de Silicona C", es decir de una impedancia acústica similar a la del agua.
Los contactos CCT y CCS han sido realizados con una resina conductora, las bridas del conector de tierra se han confeccionado en alambre de cobre esmaltado de 0.1 mm. de diámetro.
El diámetro del alambre en que se realiza el CCS es de 0.2 mm., el material para la funda MA es un plástico de forma cilindrica. El soporte del conductor de tierra está confeccionado en teflón y la resina atenuadora es una mezcla de goma de silicona y partículas de corcho y aluminio.
El amplificador previo electrónico de este prototipo se ha realizado mediante tres transistores según el esquema de la figura 3. Los dos primeros son una pareja de FET en configuración cascodo, que se caracteriza por proporcionar una capacidad de entrada muy reducida y una resistencia de entrada muy elevada, consiguiéndose a la vez una ganancia de 20 db, suficiente para evitar posteriores problemas de ruido. El tercer transistor forma la etapa de salida, su montaje es de tipo seguidor de emisor, para obtener una impedancia de salida próxima a 50 , ideal para excitar cables de salida de esta misma impedancia.
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Las pruebas realizadas a la sonda prototipo han mostrado su validez para la determinación de campos acústicas de alta intensidad. En efecto, en la figura 4 se presentan las curvas de respuesta eléctricadel istema de transducción electro acústico. La curva muestra un comportamiento notablemente plano del sistema de transducción para un rango de frecuencias que va desde 100 Hz hasta 10 Mhz.
La respuesta del preamplificador electrónico descrito anteriormente es también plana en el mismo rango de frecuencias. Estas características hacen especialmente interesante el dispositivo desarrollado.
La curva de respuesta eléctrica se presenta en la figura 4.
Se ha -realizado una determinación de la sensibilidad del prototipo desarrollado. Se ha obtenido un valor de 2,3 x 10"3mV/Pa que comparada con la sensibilidad de la Sonda de Lewin (6) 2 x 104 mV/Pa, o con la sonda comercial IMOTEC 1 x 10"5 V/Pa, nos índica que la presente invención resuleve los problemas básicos planteados en la presente memoria: Una adecuada sensibilidad unida a una solidez suficiente como para medir campos de muy alta intensidad. La ausencia de resonanacias en baja frecuencia en la curva de respuesta indica que se ha conseguido un desacoplamiento significativo entre el elemento piezoeléctrico y el tubo portante.
Debe ser notado que la adaptación en impedancias del amplificador previo ha conseguido evitar ecos en el cable de transmisión de la señal.
Aplicaciones
El dispositivo desarrollado se aplica en el estudio de campos acústicos de alta intensidad . A continuación se presenta un listado de actividades que es posible realizar con la ayuda de la Sonda descrita en la presente memoria:
Determinación de las constantes de propagación de materiales provenientes de las formas nuevas.
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2.- Determinación de campos acústicos provenientes de Proyectores destinados a estudios oceanógraficos.
3.- Evaluación y optimización de Sonoreactores.
4.- Medición y Control de cámaras de procesos acústicos en gases.
5.- Calibración de transductores hidroacústicos.
6.- En instrumentación se puede emplear la sonda, debidamente calibrada como detector patrón.
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