WO2003044770A1

WO2003044770A1 - Emisor macrosónico de placa vibrante, con reflectores y separadores de las zonas internodales para obtener radiación directiva en fluidos

Info

Publication number: WO2003044770A1
Application number: PCT/ES2002/000547
Authority: WO
Inventors: Germán RODRÍGUEZ CORRAL; Juan Antonio GALLEGO JUÁREZ; Fernando VÁZQUEZ MARTÍNEZ; Mª Cleofe CAMPOS POZUELO; Enrique Fernando Riera Franco De Sarabia; Victor Manuel Acosta Aparicio; Eduardo ANDRÉS GALLEGOS
Original assignee: Consejo Superior De Investigaciones Científicas
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2003-05-30
Also published as: ES2187382B1; ES2187382A1; AU2002352275A1

Abstract

Tipo de radiador macrosónico constituido por una placa rectangular que vibra flexionalmente excitada por un vibrador, piezoeléctrico, magnetostríctivo o de otro tipo y una estructura anexa, formada por separadores y reflectores, que sirven para poner en fase la radiación acústica emitida por los diferentes sectores internodales y por ambas caras de la placa vibrante, logrando una emisión direccional. Así se consigue un emisor acústico direccional, con alta capacidad de potencia (depende de las dimensiones de la placa), y alta eficiencia mecano-acústica. Este tipo de diseño es adecuado para emisión en aire en un rango de frecuencias de 0-20 kHz y para emisión en agua de 0-100 kHz, donde los emisores con placa vibrante escalonada presentan dificultades por el elevado espesor del escalón λ/2 que se requeriría.

Description

TITULO

EMISOR MACROSÓNICO DE PLACA VIBRANTE, CON REFLECTORES Y

SEPARADORES DE LAS ZONAS INTERNODALES PARA OBTENER

RADIACIÓN DIRECTIVA EN FLUIDOS.

El objeto de esta patente es un nuevo tipo de radiador macrosónico constituido básicamente por una placa rectangular que vibra flexionalmente excitada por un vibrador, piezoeléctrico, magnetostríctivo o de otro tipo y una estructura anexa, formada por separadores y reflectores, que sirven para poner en fase la radiación acústica emitida por los diferentes sectores internodales y por ambas caras de la mencionada placa vibrante, logrando una emisión direccional.

Con esto se consigue un emisor acústico direccional, con alta capacidad de potencia (depende de las dimensiones de la placa), y alta eficiencia mecano-acústica.

Este tipo de diseño es especialmente adecuado para emisión en aire en un rango de frecuencias de 0-20 kHz y para emisión en agua de 0-lOOkHz, donde los emisores con placa vibrante escalonada presentan dificultades por el elevado espesor del escalón λ/2 que se requeriría.

MEMORIA DESCRIPTIVA Objeto de esta solicitud de patente es un nuevo tipo de emisor acústico, con placa vibrante y una estructura de reflectores y separadores, con la que se consigue una direccionalidad en la emisión en fluidos.

Este emisor básicamente consiste en una placa vibrando a flexión, excitada por un vibrador piezoeléctrico, magnetostrictivo o de otro tipo. En una placa vibrando en sus modos flexionales las zonas internodales se mueven alternativamente en contrafase. Asimismo las emisiones por ambas caras de un mismo sector internodal están en contrafase. Por lo tanto en un radiador flexional plano la distribución espacial de la emisión resulta, en general, escasamente directiva a causa de las diferencias de fase.

Una de las soluciones encontradas para obtener emisión direccional a partir de una placa vibrando a flexión fue mediante radiadores de perfil discontinuo escalonado. [1, 2]. Dicho perfil se obtiene desplazando alternativamente en una distancia λ/2 (λ=longitud de onda de la emisión en el fluido las zonas internodales que se mueven en contrafase. Con esto se consigue una radiación direccional, similar a pistón teórico. Sin embargo para bajas frecuencias la altura del escalón que se requiere resulta grande y la construcción de estos radiadores es prácticamente inviable. Así por ejemplo para 2kHz en aire λ/2 =80mm y por tanto para construir una placa biescalonada por ambas caras, se requeriría una plancha de cerca de 200 mm de espesor, lo cual no es viable técnica ni económicamente.

Otra solución abordada para obtener emisión directiva en agua mediante placa vibrante, ha sido separar las diferentes zonas internodales y rellenar las alternativamente con un líquido de impedancia acústica (Z=pc , p densidad, c velocidad de propagación) similar a la del agua pero con velocidad de propagación aproximadamente la mitad. Con esto se conseguía variar el camino acústico y poner en fase las diferentes zonas de la cara radiante.

Otra forma para variar el camino acústico con radiadores circulares vibrando a flexión hasta poner en fase la emisión de todas las zonas del radiador fue mediante guías de ondas helicoidales [3].

La presente invención se refiere a un emisor acústico para fluidos y medios multifásicos (fluidos con partículas, gotas o burbujas). Este emisor emplea una placa rectangular plana vibrando a flexión en uno de sus modos propios con líneas nodales paralelas o casi paralelas a uno de sus lados, ancho y largo. Para poner en fase la emisión proveniente de los diferentes sectores internodales, así como la emisión de ambas caras de la placa, se emplea una estructura, anexa a la placa, formada por separadores y reflectores. En esta estructura, cada zona internodal es separada de las vecinas mediante laminas separadoras que son perpendiculares a la superficie de la placa radiante y van colocadas siguiendo las líneas nodales pero sin tocar la placa. Estas láminas constituyen una especie de canales que se cierran con reflectores que forman un ángulo de 45 ° con la superficie de la placa y están situados a una distancia tal que difiere en λ 2 entre las zonas que vibran o radian en contrafase. Hay que subrayar que al aprovechar la radiación de ambas caras de la placa, cada sector de la misma radia en contrafase por ambas caras. De esta forma la radiación emitida por la placa y reflejada por los reflectores emerge en fase sobre una superficie perpendicular a la placa. El conjunto de la estructura con compartimento y reflectores se presenta en la Fig. la y en Fig. Ib. En la Fig. la se presenta un esquema de prototipo de emisor acústico de placa vibrante con una placa rectangular (1), estructura con separadores (2), reflectores (3) y vibrador electromecánico (4) que lleva un alargador resonante a media longitud de onda. En la Fig. Ib se presenta un esquema con la puesta en fase de la emisión de las diferentes zonas internodales de la placa vibrando. En este esquema:

- Emisiones A y D parten en fase, se reflejan y continúan en fase entre sí.

- Emisiones B y C parten en fase, se reflejan y continúan en fase entre sí

- Emisiones A y D parten en contrafase con B y C, pero las 4 emisiones A, B, C, D se ponen en fase debido a que A y D recorren un camino "l+λ/2" y antes de reflejarse, mientras que B y C recorren un camino "l". ^'

Los fundamentos que caracterizan el nuevo diseño se pueden aplicar a placas vibrantes rectangulares o cuadradas de cualquier tamaño con cualquier número de líneas nodales paralelas al largo o ancho de la placa y para cualquier frecuencia. Siguiendo este procedimiento se ha construido un prototipo con placa rectangular plana de aluminio de 400x200x25 mm resonando a flexión en un modo con 6 líneas nodales "casi" paralelas al ancho, a una frecuencia F=9,7 kHz.

Con estos datos y teniendo en cuenta que λ/2 resulta ser 1,75 cm se construyó la estructura con láminas separadoras de las zonas internodales y los reflectores de acuerdo a su posición en el interior o exterior de la estructura. La placa va pilotada en su centro por un vibrador, constituido por un sandwich piezoeléctrico, un amplificador mecánico y un alargador constituido por una barra de longitud resonante a media longitud de onda. Este último es necesario para conectarse a la placa a través del reflector. El efecto de direccional idad en la energía acústica emitida se aprecia claramente si se compara el diagrama de directividad del nuevo radiador (Fig. 2a) con el de un pistón teórico equivalente (con las mismas dimensiones) (Fig. 2b) y con el de la placa plana sin la estructura de separadores y reflectores objeto de la patente (fig. 2c). Referencias l. J.A. Gallego Juárez, G. Rodríguez Corral, J.L. San Emeterio Prieto, F. Montoya Vitini, "Equipo electroacústico para la generación de altas intensidades sónicas y ultrasónicas en gases e interfases", Patente española n° 8903371, 1989 2. J. A. Gallego Juárez, G. Rodriguez-Corral, J.L. San Emeterio Prieto, F. Montoya Vitini, "Electroacoustic unit for generating high sonic and ultrasonic intensities in gases and interphases", Patente U.S. A., n° publicación 5,299, 175, 29 Marzo 1994. 3. J.A. Gallego Juárez, F. Montero Espinosa, A. Barone, "Transductor para la generación en medios líquidos de haces sonoros y ultrasónoros con elevado índice de directividad", Patente n° 517387, España, 1982

Claims

REIVINDICACIONES

1) "Emisor macrosónico con placa vibrante, reflectores y separadores de las zonas internodales, para obtener emisión directiva en fluidos" caracterizado por estar constituido por un radiador en forma de placa plana rectangular (1), que vibra a flexión en uno de sus modos propios con líneas nodales paralelas o casi paralelas a uno de sus lados. La placa va montada en una estructura con separadores (2) y reflectores (3) de las zonas internodales. Los separadores son láminas planas perpendiculares a la superficie de la placa, colocadas según las líneas nodales pero sin tocar la placa. Los reflectores (3) están constituidos por láminas planas formando 45° con la superficie de la placa y a una distancia tal que la diferencia de distancias entre la placa y dos reflectores correspondientes a zonas que vibran o radian en contrafase es de media longitud de onda de la radiación en el medio.

2) Emisor macrosónico según reivindicación 1 caracterizado además porque la estructura de separadores y reflectores cubre ambas caras de la placa vibrante. 3) Emisor macrosónico según reivindicaciones anteriores caracterizado además porque la placa vibrante va pilotada por un vibrador electromecánico que lleva un alargador resonante a media longitud de onda de la frecuencia de trabajo.

4) Emisor macrosónico según reivindicaciones anteriores caracterizado además porque su modo de resonancia puede tener cualquier número de líneas nodales paralelas o "casi" paralelas a uno de sus lados. El tamaño de la placa puede ser cualquiera, de acuerdo a la capacidad de potencia requerida, la frecuencia puede ser cualquiera de acuerdo al diseño, aunque presenta mayores ventajas a frecuencias menores de 10kHz.