WO2012172136A1 - Transductor de ondas de torsión - Google Patents

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WO2012172136A1
WO2012172136A1 PCT/ES2012/070380 ES2012070380W WO2012172136A1 WO 2012172136 A1 WO2012172136 A1 WO 2012172136A1 ES 2012070380 W ES2012070380 W ES 2012070380W WO 2012172136 A1 WO2012172136 A1 WO 2012172136A1
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piezoelectric elements
disk
transducer according
plate
transducer
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PCT/ES2012/070380
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English (en)
French (fr)
Inventor
Guillermo RUS CARLBORG
Nicolás BOCHUD
Juan Manuel MELCHOR RODRÍGUEZ
Jesús FLORIDO NAVÍO
Laura María PERALTA PEREIRA
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Universidad De Granada
Servicio Andaluz De Salud
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/10—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of torsional vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/043—Analysing solids in the interior, e.g. by shear waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0426—Bulk waves, e.g. quartz crystal microbalance, torsional waves

Definitions

  • the present invention belongs to the field of non-destructive piezoelectric transducers used for diagnosis in fields such as medicine and industrial or aeronautical monitoring, among others.
  • the object of the invention is a torsion wave emitter / detector in solid, quasi-incompressible media (with Poisson coefficient close to 0.5), gels and certain fluids that, after passing through the waves a certain material, preferably a biological tissue, allow to obtain useful information about its interior structure.
  • a transducer is a device capable of transforming or converting a certain type of input energy into a different type than the output.
  • electromechanical transducers which transform electrical energy into mechanics in the form of displacements coupled elastically with voltages, in a bidirectional way.
  • ultrasonic transducers that emit and receive ultrasonic waves that, from the mechanics of solids, allow to identify consistency changes in tissues that could indicate the presence of tumors, quantify mechanical or physical changes in the tissue or anticipate certain pathologies before other diagnostic techniques.
  • the use of ultrasonic waves as a physical magnitude has two fundamental advantages: First, it is a controllable mechanical wave and therefore more sensitive to mechanical properties than any other indirect measurement. Second, the wave is generated in a low energy regime, which is more sensitive to variations in tissue consistency than those generated at high energy. In addition, the ultrasonic technique is a low-cost technique that does not have ionizing effects, such as other diagnostic means such as X-rays.
  • the physical principle that mechanically characterizes the structure of a medium is as follows: a physical quantity is propagated in the form of a wave through the medium to be analyzed, which distorts the wave until it is measured on an accessible surface.
  • the mechanical parameters responsible for the modification of the wave can be deduced from the measurements that are made through the theory of the inverse problem based on models. This technique is the most powerful strategy known so far.
  • Some known ultrasonic transducers emit and receive P (longitudinal) waves, which are generated by the electrical excitation of piezoelectric crystals arranged in certain directions with respect to their polarization, thereby generating compression movements.
  • P longitudinal
  • the propagation of these longitudinal waves is correlated with the compressibility module, which for soft tissues presents variations of less than 1% in areas with pathologies. For this reason, the sensitivity obtained with ultrasonic transducers based on P waves is limited.
  • various commercial products are known, such as Fibroscan, which emits only one pulse of low frequency compression waves, the propagation of which is monitored by the elastographic principle using a second compression wave front. higher frequency
  • Torsion waves are a spatial distribution of S (transverse) waves that propagate along an axis in which a movement of particles occurs along a circle centered on that axis, so that the amplitude of the Movement in the generation plane is proportional to the distance to the axis within the diameter of the transducer.
  • S transverse
  • These waves propagate through solid and semi-solid media, but not through perfect liquids, so the measurement of the speed of sound in this type of media can be very useful for studying its structural characteristics.
  • the propagation of the torsion waves is correlated with the shear module by means of the elastic wave propagation equations. However, for soft tissues the shear module varies by several orders of magnitude in areas with pathologies, so the use of torsion waves allows sensitivities much higher than those obtained with P waves.
  • Torsion wave generators are currently known by means of windings, but they have as a main drawback the superior frequency limitation due to the presence of a large central rod, not allowing the emission of ultrasonic waves, and also appears contamination of the torsion waves with other spurious waves as a result of the complexity of the systems and the coupling between various modes of movement. That is the case of US 5,321, 333, which presents a bilateral device (generates two waves at each end) to generate shear movements based on the combination of elements polarized piezoelectric that are attached to a solid central rod to transmit the movement.
  • transducers capable of emitting and receiving torsion waves with ultrasonic frequency that allow obtaining an appropriate sensitivity for the detection of irregularities in the consistency of tissues without the signal being contaminated by spurious waves are known, which is why irregularities are hitherto undetectable except by palpation
  • the field of application of the invention is that of non-destructive analysis of materials and specifically, the use of ultrasonic waves to analyze, preferably, biological tissues.
  • This type of device allows to obtain structural information of physical and chemical environments and to obtain, from this information, electrical signals or impulses or vice versa.
  • the term "specimen” refers to the material, preferably tissue, tissue culture or cell culture, through which the waves emitted by the transducer are passed to know their structural characteristics (elastic, viscoelastic parameters, of microstructural, porous geometry, or models of energy dissipation, among others).
  • the present invention describes a torsion wave transducer whose novel configuration allows to emit and receive torsion waves, while at the same time avoiding the emission of spurious compression waves that contaminate the signal by its complex propagation modes.
  • the proposed device lacks the large central transmitter rod used in prior art devices, unnecessary inertia and attenuation are eliminated and the emission of torsion waves at a higher frequency within the ultrasonic range is allowed.
  • a computational model is used that is combined with an "inverse problem" algorithm that receives as input the mechanical parameter measurements such as Young's modulus, related to the compressibility of the samples, the attenuation of the waves transmitted through said samples, as well as the compressibility and / or shear modules of the ultrasonic wave with the specimen.
  • the present device allows to emit torsion waves at various frequencies, by means of electrical excitation at said frequencies, whose propagation speed depends very directly on the shear module, the main indicator of soft tissue consistency.
  • the frequency range is within the order of 5 kHz to several MHz, although for simplicity in this application we will talk at all times of ultrasonic waves.
  • the present invention describes a transducer capable of generating an ultrasonic torsion pulse that propagates in the direction of an axis, the transducer of the invention being also able to act as a receiver to pick up the distorted pulse after passing through a specimen. More specifically, the transducer comprises the following elements:
  • a first circular plate of metallic or ceramic material centered on an axis.
  • Each piezoelectric element is also in contact with two electrodes of different charge arranged perpendicular to the direction of polarization of said piezoelectric element.
  • these electrodes are electrically excited by means of a power pulse generating device an electric field is created which, combined with the direction of polarization of the piezoelectric elements that is perpendicular to said electric field, causes them to undergo a shear movement.
  • This transducer when operating in emission mode would be as follows. First, when the piezoelectric elements are sheared simultaneously with the applied pulse, a relative rotation occurs between the circular plates.
  • Said movement interacts with the own inertia and that of the rest of the device, the elastic stiffness of the bars and the torsion of the same (being the latter much lower in magnitude), which responds to the equations of the movement of elasticity and piezoelectricity ( specifically, equilibrium equations, compatibility, behavior, both elastic and piezoelectric, coupled).
  • the system creates an oscillatory motion of amplified magnitude due to the resonance phenomenon.
  • the oscillation of the active disc with the specimen induces a torsion movement.
  • the operation of the transducer of the invention when it functions as a receiver would be completely symmetrical to that described for its operation as a transmitter.
  • the ultrasonic movement of the specimen is transmitted to the plate, which enters resonance and causes a deformation of the piezoelectric elements.
  • the piezoelectric elements convert the deformation into an electrical signal that is received and interpreted by suitable electronic equipment.
  • the first plate consists of a first circular disk and the second plate consists of a second circular disk.
  • the transducer is capable of emitting torsion waves along a given axis minimizing spurious waves or, alternatively, receiving the already distorted waves as a result of its passage through the specimen. Therefore, to carry out this the exploration of a specimen with this transducer it will be necessary to use two devices: one that acts as emitter on one side of the specimen and another that acts as a receiver on the opposite side of the specimen.
  • the transducer of the invention is configured as a dual transducer capable of simultaneously emitting and receiving ultrasonic torsion waves.
  • this preferred embodiment of the transducer of the invention :
  • the first plate comprises a first disk and a first concentric ring in relation to said first disk.
  • the second plate comprises a second disk and a second concentric ring in relation to said second disk.
  • the piezoelectric elements comprise at least two piezoelectric elements fixed between the first disk and the second disk and at least two additional piezoelectric elements fixed between the first ring and the second ring.
  • the transducer is formed by an internal disk-shaped sub-transducer and an external ring-shaped sub-transducer.
  • the operation of this second annular sub-transducer is similar to that described above in relation to the previous preferred embodiment of a disk-shaped transducer: an electric pulse is applied to the electrodes coupled to the piezoelectric elements that cause them to deform in shear, said deformation interacting with the rest of the device to cause the generation of a torsion pulse in the direction of the axis of symmetry of the rings.
  • the movement of the specimen causes the rings to come into resonance and deform the piezoelectric elements, which in response generate an electrical signal.
  • This preferred embodiment therefore comprises an emitting sub-transducer capable of generating an ultrasonic torsion pulse that propagates along the axis of symmetry of the emitting disk / ring passing through the specimen and a receiving sub-transducer to pick up the distorted pulse after crossing the specimen.
  • Both sub-transducers are concentrically located in a disk and ring arrangement, and can operate simultaneously, in addition to having interchangeable functions. That is, any of them can function as a transmitter, in which case it would be excited by a suitable electronic equipment, or as a receiver, in which case the equipment is configured for the reception and interpretation of the signals.
  • the second disk and the second ring are partially or completely joined to form a single piece.
  • the polarization of the piezoelectric elements of any of the transducer configurations of the present invention can be carried out in two different ways.
  • the polarization is perpendicular to the axis in the circumferential direction, the electrodes being arranged at the junction between said piezoelectric elements and the plates;
  • the polarization is parallel to the axis, the electrodes being arranged on the lateral faces of said piezoelectric elements.
  • the electrodes are arranged at the junction between the piezoelectric elements and the plates, preferably the electrodes consist of a conductive coating on the inner faces of the discs and rings.
  • the piezoelectric elements are preferably evenly distributed along the circumference of the plates, and may be made of PZT-4 or PZT-5 piezoelectric ceramics.
  • the transducer of the invention can additionally comprise an adaptation layer on the outer face of the first plate to phase a torsion wave generated by the piezoelectric elements and the reflection of said wave on the second plate.
  • This adaptation layer will have a thickness that is calculated taking into account its acoustic impedance, the distance between plates and the frequency of the emitted waves.
  • the material of the adaptation layer preferably has an acoustic impedance that belongs to the range between the acoustic impedance of the material with which the first plate is made and the acoustic impedance of the steel.
  • the transducer of the invention further comprises an attenuating element, preferably of attenuating resin, fixed to the outer face of the second plate in order to prevent the propagation of torsion waves in the opposite direction to the specimen, and therefore both also avoiding energy losses.
  • an attenuating element preferably of attenuating resin
  • the effective emission of torsion waves occurs on only one side of the transducer, which will be the one that comes into contact with the specimen, canceling the oscillation of the rear face by means of the attenuating element.
  • the cancellation of the emitted waves in the opposite direction to the specimen causes that the emitted waves require a simpler processing, since a cleaner signal is achieved.
  • the transducer of the invention further comprises an inertia element disposed on the outer face of the second plate in order to avoid inertia, and whose mass is much greater than that of the assembly formed by the plates and piezoelectric elements. A balance is thus achieved that allows most of the movement to exit at the end of the device where the specimen is located, and only a small part behind.
  • This element of inertia can be made of any high density material, such as steel, aluminum, ceramic, resin or carbon fiber, and its total mass is preferably at least twice the total mass of the assembly formed by plates and piezoelectric elements.
  • the inertia element has a housing shape that surrounds the assembly formed by the plates and the piezoelectric elements.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a first embodiment of the transducer where the plates consist of a pair of discs.
  • Fig. 2 shows a plan view of the transducer of Fig. 1 showing the regular distribution of the piezoelectric elements.
  • Figs. 3a and 3b show respectively two piezoelectric elements of the transducer of Fig. 1, respectively with polarization perpendicular to the contact discs and with polarization parallel to the contact discs.
  • Fig. 4 shows an elevation view of the transducer of Fig. 1 where the electrodes are appreciated.
  • Fig. 5 shows a partial elevation of a transducer similar to that of the previous figures which is also provided with an adaptation layer.
  • Fig. 6 shows an elevation of a transducer similar to that of the previous figures which is also provided with an attenuating layer.
  • Fig. 7 shows an elevation of a transducer similar to that of the previous figures which is also provided with a housing.
  • Fig. 8 shows a perspective view of a second embodiment of the transducer of the invention having a pair of discs to form a first inner sub-transducer and additionally a pair of rings to form a second outer sub-transducer.
  • Fig. 9 shows a plan view of the transducer of Fig. 8 showing the regular distribution of the additional piezoelectric elements.
  • Figs. 10a and 10b respectively show two piezoelectric elements of the transducer of Fig. 8, respectively with polarization perpendicular to the contact discs and with polarization parallel to the contact discs.
  • Fig. 1 1 shows an elevation view of the transducer of Fig. 8 showing the electrodes.
  • Fig. 12 shows an elevation of a transducer similar to that of Fig. 8 which is also provided with an adaptation layer.
  • Fig. 13 shows an elevation of a transducer similar to that of the previous figure, which is also provided with an attenuating layer.
  • Fig. 14 shows an elevation view of a transducer similar to that of the previous figure, which is also provided with a housing.
  • FIG. 1-7 show examples of a first preferred embodiment of the invention where the transducer is formed by circular discs (1, 2a), while Figs. 8-14 show examples of a second preferred embodiment of the invention where the transducer is formed by discs (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b).
  • the transducer of Fig. 1 has a first plate formed by a first disk (1 a) and a second plate formed second disk (2a) parallel to the first, both centered on an axis (0), between which there is arranged a plurality of piezoelectric elements (3) polarized, in this case seven, regularly along the circumference of the disks (1 a, 1 b).
  • each of said disks (1 a, 1 b) is covered on its inner face by a conductive layer (4) that respectively forms an anode in the first disc (1 a) and a cathode in the second disc (2a) .
  • both discs are made of ceramic material, although as described above, it would also be possible to manufacture them from metallic material.
  • the dimensions of the disks (1 a, 2a) are 10 mm in diameter and one mm thick, while the 7 piezoelectric elements, made of PZT-4 or PZT-5 piezoelectric ceramics, have dimensions of 1x3x10 mm.
  • the connection between the piezoelectric elements (3) and the wiring to the electrodes is made with conductive silver resin.
  • the polarized piezoelectric elements (3) have electrodes located in a direction perpendicular to the direction of the polarization.
  • Figs. 3a and 3b respectively show two preferred embodiments of the invention.
  • the piezoelectric elements (3) are polarized in a direction parallel to the axis (0) - the polarization is represented by means of the arrow P - while the electrodes are located on perpendicular sides to the direction of the radius of the discs (1 a, 2a).
  • the piezoelectric elements (3) are polarized in the circumferential direction, parallel to the disks (1 a, 2a), while electrodes are located at the junction between the piezoelectric elements (3) and the inner side of the disks (1 a, 1 b).
  • Fig. 4 shows a specific case of this second embodiment where the first disk (1 a) and the second disk (1 b) further comprise an electrode-like conductive coating (4) that is in contact with the piezoelectric elements (3).
  • the electrodes when placing the electrodes in one of these two ways and applying an electric pulse, in the form of a potential difference, on both positive and negative electrodes of each piezoelectric element (3), a field is created electric, which combined with the direction of transverse polarization, causes the piezoelectric elements (3) to generate a voltage associated with a shear movement.
  • the polarization of the piezoelectric elements (3) is perpendicular to the axis (0), whereby the electrodes are formed as a conductive coating (4) of the inner surface of the disks (1 a, 2a).
  • the first disk (1 a) may be directly in contact with the specimen, except in the case where the transducer further comprises an adaptation layer (5) disposed on the outer face of the first disk (1 a), as shown in Fig. 5.
  • This adaptation layer which has a disk shape and is fixed to said first disk (1 a) by means of resin, creates the necessary offset between the wave generated by the piezoelectric elements (3) and its reflected wave in the second disc (2a) so that both are in phase and added together.
  • the adaptation layer (5) can be made of any material that has an acoustic impedance value that is between the value of the acoustic impedance of the material with which the first disc (1 a) is made and the value of the acoustic impedance of steel.
  • the outer face of the first disc (1 a) may have another protective layer to protect this adaptation layer (5), or the first disc itself (1 a), against physical aggressions, such as bumps or scratches.
  • the device may further comprise an attenuating element (6) disposed on the outer face of the second disk (2a) to prevent the propagation of torsion waves in the opposite direction to the specimen and, therefore, loss of energy.
  • the attenuating element (6) is made of standard attenuating resin, has a disc shape 10 mm in diameter and 10 mm thick, and is attached to the second disk (2a) by resin, is made of standard attenuating resin .
  • this first transducer embodiment may comprise, attached to the second disk (2a), or to the attenuating element (6), an inertia element (7) made of any high density material in order to avoid inertia.
  • This inertia element (7) can be shaped like a disk with a radius similar to that of the disks (1 a, 2a), or it can be used as a housing covering the set comprising the disks (1 a, 2a), the piezoelectric elements (3) and, depending on the embodiment, the electrodes (4), the adaptation layer (5) and the attenuating element (6), as shown in Figure 7.
  • this first embodiment of transducer is completed with a power pulse generating device connected to the electrodes (4).
  • a second embodiment of a transducer according to the invention is described below which is formed by two sub-transducers that can function simultaneously as emitter and receiver, thus avoiding the need to use two transducers such as those described in the previous lines to explore a specimen.
  • this second embodiment of a transducer comprises two parallel circular plates, where the first plate is formed by a first disk (1 a) and a first concentric ring (1 b) relative to said first disk (1 a), and the second plate is formed by a second disk (2a) and a second concentric ring (2b) relative to said second disk (2a).
  • first plate is formed by a first disk (1 a) and a first concentric ring (1 b) relative to said first disk (1 a)
  • the second plate is formed by a second disk (2a) and a second concentric ring (2b) relative to said second disk (2a).
  • several polarized piezoelectric elements (3) are arranged regularly along their circumference, in this example specifically three, while perpendicular between the rings (2a, 2b) they are arranged also regularly along its circumference several piezoelectric elements, three in this example.
  • the axis that constitutes the center of disks (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b) is called the axis (0).
  • the transducer is connected to a power pulse generating device connected to the electrodes.
  • the discs (1 a, 2a) are made of a metallic material with dimensions of 5 mm radius and 5 mm thick, while the rings (1 b, 2b) are also made of a metallic material of 10 mm inner radius, 13 mm outer radius and 5 mm thick.
  • the piezoelectric elements (3) are made of PZT-4 or PZT-5 piezoelectric ceramics, and have dimensions of 1 x1 x1 mm. These elements thus arranged form in practice two separate sub-transducers, an inner sub-transducer formed by the disks (1, 2a) together with their corresponding piezoelectric elements (3), and an external sub-transducer formed by the rings (1 b, 2b) together with their corresponding piezoelectric elements (3).
  • the piezoelectric elements (3) are polarized and have two electrodes arranged in a direction perpendicular to the polarization direction (P) fixed thereto, the electrode direction being understood as the one that follows between Positive and negative charges.
  • the electrodes are made of silver resin.
  • the electrodes are located on the sides perpendicular to the radius of the disks (1 a , 2a) or rings (1 b, 2b), specifically on the inner side and the outer side, as shown in Fig. 10a.
  • Fig. 10a In another preferred embodiment of the invention shown in Fig.
  • the electrodes they will be located on the connecting faces between the piezoelectric elements (3) and the disks (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b).
  • the inner face of the disks (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b) may further comprise an electrode-like conductive coating (4) that is in contact with the piezoelectric elements ( 3).
  • an electric field is created, which combined with the transverse polarization direction, it generates a tension associated with a shear movement.
  • This shear movement when transmitted to the disks (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b), generates ultrasonic torsion waves that are transmitted along the axis (0).
  • the transducer further comprises an adaptation layer (5) disposed on the outer face of the first disk (1 a) and ring (1 b), as shown in Fig. 12.
  • This adaptation layer (5) is designed to create the necessary gap between the wave generated by the piezoelectric elements (3) and its wave reflected in the second plate (2a, 2b) so that both are in phase and sum.
  • the adaptation layer (5) is fixed to the outer face of the first disk (1 a) and ring (1 b) by means of resin, its dimensions being evidently the same as those of said first disc and ring (1 a, 1 b), and is made of any material that has a sound impedance value that is between the value of the acoustic impedance of the material with which the first plate is made (1 a, 1 b ) and the acoustic impedance value of the steel.
  • the transducer can incorporate another protective layer to protect this adaptation layer (5) or the first disc (1 a) and ring (1 b) against physical aggressions, such as scratches and bumps.
  • FIG. 13 Another example of a transducer is shown in Fig. 13 where the outer face of the second plate (2a, 2b) further comprises an attenuating element (6) made of standard attenuating resin in order to prevent the propagation of torsion waves in the direction contrary to the specimen and, therefore, loss of energy.
  • the dimensions of the attenuating element may be similar to those of the second disk (2a) and ring (2b), in which case forming two separate elements, or having a 13mm radius disk shape to cover both pieces. Its thickness in this example is 10mm thick, and it is attached to the second disk (2a) and ring (2b) by resin.
  • a transducer comprises, attached to the outer face of the second disk (2a) and the second ring (2b), or to the attenuating element (6), an inertia element (7) made of any high material density in order to avoid the inertia of the entire system.
  • This inertia element (7) can have a disk shape of dimensions similar to those of the disks (1 a, 2a) and rings (1 b, 2b), or have a carcass shape that covers the assembly formed by the disks ( 1 a, 2a), the rings (1 b, 2b), the piezoelectric elements (3) and, depending on the embodiment, the electrodes (4), the adaptation layer (5) and the attenuating element (6), as shown in Fig. 14. As mentioned above, its mass will be at least twice the mass of the rest of the device.
  • connection of the piezoelectric elements (3) and wiring to the electrodes is done with conductive silver resin.

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Abstract

La presente invención describe un transductor de ondas de torsión cuya novedosa configuración permite emitir y recibir ondas de torsión, al mismo tiempo que se evita casi totalmente la emisión ondas de compresión espúreas que contaminan la señal por sus complejos modos de propagación. Además, puesto que el dispositivo propuesto carece del gran vástago transmisor central empleado en dispositivos de la técnica anterior, se consigue eliminar la inercia y la atenuación innecesarias y se permite la emisión de ondas de torsión a una mayor frecuencia dentro del rango ultrasónico.

Description

TRANSDUCTOR DE ONDAS DE TORSIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de los transductores piezoeléctricos no destructivos utilizados para el diagnóstico en campos como la medicina y la monitorización industrial o aeronáutica, entre otras.
Más concretamente, el objeto de la invención es un emisor/detector de ondas de torsión en medios sólidos, cuasi-incompresibles (con coeficiente de Poisson cercano a 0.5), geles y ciertos fluidos que, tras atravesar las ondas un determinado material, preferentemente un tejido biológico, permiten obtener información útil acerca de su estructura interior.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otro tipo diferente a la salida. Entre estos dispositivos se encuentran los transductores electromecánicos, que transforman energía eléctrica en mecánica en forma de desplazamientos acoplados elásticamente con tensiones, de forma bidireccional.
Dentro del campo de la medicina, existen transductores ultrasónicos que emiten y reciben ondas ultrasónicas que, a partir de la mecánica de sólidos, permiten identificar cambios de consistencia en tejidos que podrían indicar la presencia de tumores, cuantificar cambios mecánicos o físicos en el tejido o anticipar ciertas patologías antes que otras técnicas de diagnosis. La utilización de ondas ultrasónicas como magnitud física presenta dos ventajas fundamentales: En primer lugar, es una onda mecánica controlable y por lo tanto más sensible a las propiedades mecánicas que cualquier otra medida indirecta. En segundo lugar, la onda se genera en un régimen de baja energía, que es más sensible a las variaciones en la consistencia de tejidos que las generadas a alta energía. Además, la técnica de ultrasonidos es una técnica de bajo coste que no presenta efectos ionizantes, como otros medios de diagnóstico tales como los rayos X. El principio físico que permite caracterizar mecánicamente la estructura de un medio es el siguiente: una magnitud física se propaga en forma de onda a través del medio a analizar, lo que distorsiona la onda hasta que se mide en una superficie accesible. Los parámetros mecánicos responsables de la modificación de la onda se pueden deducir a partir de las medidas que se realicen por medio de la teoría del problema inverso basado en modelos. Esta técnica es la estrategia más potente conocida hasta el momento.
Algunos transductores ultrasónicos conocidos emiten y reciben ondas P (longitudinales), que son generadas por la excitación eléctrica de cristales piezoeléctricos dispuestos en ciertas direcciones respecto a su polarización, con lo que generan movimientos de compresión. Sin embargo, la propagación de estas ondas longitudinales está correlacionada con el módulo de compresibilidad, que para tejidos blandos presenta variaciones inferiores al 1 % en áreas con patologías. Por ese motivo, la sensibilidad obtenida con transductores ultrasónicos basados en ondas P es limitada. Entre los dispositivos para elasto-sonog rafia actuales se conocen diversos productos comerciales, como por ejemplo Fibroscan, que emite únicamente un pulso de ondas de compresión de baja frecuencia, cuya propagación se monitoriza mediante el principio elastográfico usando un segundo frente de ondas de compresión a mayor frecuencia.
Las ondas de torsión son una distribución espacial de ondas S (transversales) que se propagan a lo largo de un eje en las que se produce un movimiento de partículas a lo largo de una circunferencia con centro en dicho eje, de forma que la amplitud del movimiento en el plano de generación es proporcional a la distancia al eje dentro del diámetro del transductor. Estas ondas se propagan a través de medios sólidos y semisólidos, pero no a través de líquidos perfectos, por lo que la medición de la velocidad del sonido en este tipo de medios puede ser de gran utilidad para estudiar sus características estructurales. La propagación de las ondas de torsión está correlacionada con el módulo de cizalla mediante las ecuaciones de propagación de ondas elásticas. Sin embargo, para tejidos blandos el módulo de cizalla varía en varios órdenes de magnitud en áreas con patologías, por lo que el empleo de ondas de torsión permite conseguir sensibilidades muy superiores a las obtenidas con ondas P. Actualmente se conocen generadores de ondas de torsión por medio de bobinados, pero presentan como principal inconveniente la limitación superior de frecuencias debido a la presencia de un gran vástago central, no permitiendo emitir ondas ultrasónicas, y además aparece contaminación de las ondas de torsión con otras ondas espúreas como consecuencia de la complejidad de los sistemas y el acoplamiento entre varios modos de movimiento. Ese es el caso de la patente US 5,321 ,333, que presenta un dispositivo bilateral (genera sendas ondas en cada extremo) para generar movimientos de cizalla basado en la combinación de elementos piezoeléctricos polarizados que están unidos a un vástago central sólido para trasmitir el movimiento.
En definitiva, no se conocen actualmente transductores capaces emitir y recibir ondas de torsión con frecuencia ultrasónica que permitan obtener una sensibilidad apropiada para la detección de irregularidades en la consistencia de tejidos sin que la señal se vea contaminada por ondas espúreas, motivo por el cual tales irregularidades son hasta ahora indetectables salvo por palpación
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Como se ha mencionado anteriormente, el campo de aplicación de la invención es el de los análisis no destructivos de materiales y concretamente, el uso de ondas ultrasónicas para analizar, preferentemente, tejidos biológicos. Este tipo de dispositivos permiten obtener información estructural de entornos físicos y químicos y conseguir, a partir de esta información, señales o impulsos eléctricos o viceversa.
A lo largo de la presente descripción, el término "espécimen" hace referencia al material, preferentemente tejido, cultivo tisular o cultivo celular, por el que se hacen pasar las ondas emitidas por el transductor para conocer sus características estructurales (parámetros elásticos, viscoelásticos, de geometría microestructural, porosa, o modelos de disipación energética, entre otros).
La presente invención describe un transductor de ondas de torsión cuya novedosa configuración permite emitir y recibir ondas de torsión, al mismo tiempo que se evita casi totalmente la emisión ondas de compresión espúreas que contaminan la señal por sus complejos modos de propagación. Además, puesto que el dispositivo propuesto carece del gran vástago transmisor central empleado en dispositivos de la técnica anterior, se consigue eliminar la inercia y la atenuación innecesarias y se permite la emisión de ondas de torsión a una mayor frecuencia dentro del rango ultrasónico. Para reconstruir los parámetros mecánicos del espécimen a partir de las ondas recibidas después de atravesar dicho espécimen se utiliza un modelo computacional que se combina con un algoritmo de "problema inverso" que recibe como entrada las medidas de parámetros mecánicos tales como el módulo de Young, relacionado con la compresibilidad de las muestras, la atenuación de las ondas transmitidas a través de dichas muestras, así como los módulos de compresibilidad y/o cizalladura de la onda ultrasónica con el espécimen. Además, a diferencia de otros dispositivos conocidos, el presente dispositivo permite emitir ondas de torsión a varias frecuencias, mediante excitación eléctrica a dichas frecuencias, cuya velocidad de propagación depende muy directamente del módulo de cizalla, principal indicador de consistencia de tejidos blandos. El rango de frecuencias está dentro del orden de entre 5 kHz hasta varios MHz, aunque por simplicidad en la presente solicitud se hablará en todo momento de ondas ultrasónicas.
En definitiva, como consecuencia de la sustitución del vástago central por dos o más vástagos uniformemente distribuidos y más pequeños se consiguen las siguientes mejoras:
- minimización de las ondas espúreas
- reducción drástica de la inercia y atenuación innecesarias
- posibilidad de generación de ondas de torsión a varias frecuencias, desde subultrasónicas, hasta ultrasónicas de alta frecuencia, en función de la selección de dimensiones de las partes
- posibilidad de generación a frecuencia variable o amplio espectro, adicionando un atenuante trasero adecuado
La presente invención describe un transductor capaz de generar un pulso ultrasónico de torsión que se propaga en la dirección de un eje, siendo además el transductor de la invención capaz de actuar como receptor para recoger el pulso distorsionado después de atravesar un espécimen. Más concretamente, el transductor comprende los siguientes elementos:
- Una primera placa circular de material metálico o cerámico con centro en un eje.
- Una segunda placa circular de material metálico o cerámico paralela a dicho primer disco y con centro en dicho eje.
- Al menos dos elementos piezoeléctricos polarizados fijados de manera equidistante y en perpendicular entre la primera placa y la segunda placa
Cada elemento piezoeléctrico está además en contacto con dos electrodos de distinta carga dispuestos en perpendicular a la dirección de la polarización de dicho elemento piezoeléctrico. Cuando estos electrodos son excitados eléctricamente por medio de un dispositivo generador de pulsos de potencia se crea un campo eléctrico que, combinado con la dirección de polarización de los elementos piezoeléctricos que es perpendicular a dicho campo eléctrico, provoca que éstos sufran un movimiento de cizalla. El funcionamiento de este transductor cuando funciona en modo de emisión sería como sigue. En primer lugar, al deformarse los elementos piezoeléctricos a cizalla simultáneamente al pulso aplicado, se produce una rotación relativa entre las placas circulares. Dicho movimiento interactúa con la inercia propia y la del resto del dispositivo, la rigidez elástica de las barras y la de torsión de las mismas (siendo esta última muy inferior en magnitud), que responde a las ecuaciones del movimiento de la elasticidad y piezoelectricidad (concretamente, ecuaciones de equilibrio, compatibilidad, comportamiento, tanto elásticos como piezoeléctricos, de forma acoplada). Como consecuencia, el sistema crea un movimiento oscilatorio de magnitud amplificada debido al fenómeno de resonancia. La oscilación del disco activo con el espécimen le induce un movimiento de torsión.
El funcionamiento del transductor de la invención cuando funciona como receptor sería completamente simétrico al descrito para su funcionamiento como emisor. El movimiento ultrasónico del espécimen se transmite a la placa, que entra en resonancia y provoca una deformación de los elementos piezoeléctricos. Los elementos piezoeléctricos, a su vez, convierten la deformación en una señal eléctrica que es recibida e interpretada por un equipo electrónico adecuado.
En una realización particularmente preferida de la invención, la primera placa consiste en un primer disco circular y la segunda placa consiste en un segundo disco circular. Con esta configuración, el transductor es capaz de emitir de ondas de torsión a lo largo de un eje determinado minimizando las ondas espúreas o, alternativamente, de recibir las ondas ya distorsionadas como consecuencia de su paso a través del espécimen. Por lo tanto, para llevar a cabo este la exploración de un espécimen con este transductor será necesario utilizar dos dispositivos: uno que actúa como emisor en un lado del espécimen y otro que actúa como receptor en el lado opuesto del espécimen.
Con el objeto de evitar esta limitación, en otra realización particularmente preferida de la invención el transductor de la invención se configura como un transductor doble capaz de emitir y recibir simultáneamente ondas ultrasónicas de torsión. Concretamente, en esta realización preferente del transductor de la invención:
- la primera placa comprende un primer disco y un primer anillo concéntrico con relación a dicho primer disco.
- la segunda placa comprende un segundo disco y un segundo anillo concéntrico con relación a dicho segundo disco. - los elementos piezoeléctricos comprenden al menos dos elementos piezoeléctricos fijados entre el primer disco y el segundo disco y al menos dos elementos piezoeléctricos adicionales fijados entre el primer anillo y el segundo anillo.
En esta realización, por tanto, se puede decir que el transductor está formado por un sub-transductor interno con forma de disco y un sub-transductor externo con forma de anillo. El funcionamiento de este segundo sub-transductor anular es similar al descrito anteriormente con relación a la realización preferida anterior de transductor con forma de disco: se aplica un pulso eléctrico a los electrodos acoplados a los elementos piezoeléctricos que provoca que éstos se deformen a cizalla, interactuando dicha deformación con el resto del dispositivo para provocar la generación de un pulso de torsión en la dirección del eje de simetría de los anillos. O alternativamente, en modo recepción, el movimiento del espécimen provoca que los anillos entren en resonancia y deformen los elementos piezoeléctricos, que como respuesta generan una señal eléctrica.
Esta realización preferente comprende por tanto un sub-transductor emisor capaz de generar un pulso ultrasónico de torsión que se propaga a lo largo del eje de simetría del disco/anillo emisor atravesando el espécimen y un sub-transductor receptor para recoger el pulso distorsionado tras atravesar el espécimen. Ambos sub-transductores están ubicados concéntricamente en disposición de disco y anillo, y pueden funcionar simultáneamente, además de tener funciones intercambiables. Es decir, cualquiera de ellos puede funcionar como emisor, en cuyo caso sería excitado por un equipo electrónico adecuado, o bien como receptor, estando en ese caso el equipo configurado para la recepción e interpretación de las señales. Además, en otra realización preferida de la invención el segundo disco y el segundo anillo están unidos parcial o completamente formando una única pieza.
La polarización de los elementos piezoeléctricos de cualquiera de las configuraciones de transductor de la presente invención puede llevarse a cabo de dos modos diferentes. En una realización preferente, la polarización es perpendicular al eje en dirección circunferencial, estando los electrodos dispuestos en la unión entre dichos elementos piezoeléctricos y las placas; en otra realización preferente alternativa, la polarización es paralela al eje, estando los electrodos dispuestos en caras laterales de dichos elementos piezoeléctricos. En caso de que los electrodos estén dispuestos en la unión entre los elementos piezoeléctricos y las placas, preferentemente los electrodos consisten en un recubrimiento conductor en las caras internas de los discos y anillos.
Los elementos piezoeléctricos, incluyendo los elementos piezoeléctricos adicionales, preferentemente se distribuyen uniformemente a lo largo de la circunferencia de las placas, y pueden estar fabricados en cerámica piezoeléctrica PZT-4 o PZT-5.
El transductor de la invención puede comprender adicionalmente una capa de adaptación en la cara externa de la primera placa para poner en fase una onda de torsión generada por los elementos piezoeléctricos y la reflexión de dicha onda en la segunda placa. Esta capa de adaptación tendrá un grosor que se calcula teniendo en cuenta su impedancia acústica, la distancia entre placas y la frecuencia de las ondas emitidas.
Más concretamente, con el objeto de conseguir transmitir la máxima cantidad de energía, el material de la capa de adaptación tiene preferentemente una impedancia acústica que pertenece al rango entre la impedancia acústica del material con el que está hecha la primera placa y la impedancia acústica del acero.
En otra realización particular, el transductor de la invención además comprende un elemento atenuante, preferentemente de resina atenuante, fijado a la cara exterior de la segunda placa con el objeto de evitar la propagación de ondas de torsión en sentido contrario al espécimen, y por lo tanto también evitando pérdidas de energía. De este modo, la emisión efectiva de ondas de torsión se produce en una sola cara del transductor, que será la que se ponga en contacto con el espécimen, anulándose la oscilación de la cara posterior mediante el elemento atenuante. Además, la anulación de las ondas emitidas en sentido opuesto al espécimen ocasiona que las ondas emitidas requieren un procesado más sencillo, ya que se consigue una señal más limpia.
En otra realización preferida más de la invención, el transductor de la invención además comprende un elemento de inercia dispuesto sobre la cara exterior de la segunda placa con el objeto de evitar la inercia, y cuya masa es muy superior a la del conjunto formado por las placas y los elementos piezoeléctricos. Se consigue así un balance que permite que la mayoría del movimiento salga por el extremo del dispositivo donde se encuentra el espécimen, y sólo una pequeña parte por detrás. Este elemento de inercia puede estar fabricado en cualquier material de alta densidad, como por ejemplo acero, aluminio, cerámica, resina o fibra de carbono, y su masa total preferentemente es al menos dos veces la masa total del conjunto formado por las placas y los elementos piezoeléctricos. En otra realización preferida, el elemento de inercia tiene una forma de carcasa que rodea el conjunto formado por las placas y los elementos piezoeléctricos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de una primera realización del transductor donde las placas consisten en un par de discos.
La Fig. 2 muestra una vista en planta del transductor de la Fig. 1 donde se aprecia la distribución regular de los elementos piezoeléctricos.
Las Figs. 3a y 3b muestran respectivamente dos elementos piezoeléctricos del transductor de la Fig. 1 , respectivamente con polarización perpendicular a los discos de contacto y con polarización paralela a los discos de contacto.
La Fig. 4 muestra una vista de alzado del transductor de la Fig. 1 donde se aprecian los electrodos.
La Fig. 5 muestra un alzado parcial de un transductor similar al de las figuras anteriores que está dotado además de una capa de adaptación.
La Fig. 6 muestra un alzado de un transductor similar al de las figuras anteriores que además está dotado de una capa atenuante.
La Fig. 7 muestra un alzado de un transductor similar al de las figuras anteriores que además está dotado de una carcasa.
La Fig. 8 muestra una vista en perspectiva de una segunda realización del transductor de la invención que tiene un par de discos para formar un primer sub-transductor interior y adicionalmente un par de anillos para formar un segundo sub-transductor exterior.
La Fig. 9 muestra una vista en planta del transductor de la Fig. 8 donde se aprecia la distribución regular de los elementos piezoeléctricos adicionales.
Las Figs. 10a y 10b muestran respectivamente dos elementos piezoeléctricos del transductor de la Fig. 8, respectivamente con polarización perpendicular a los discos de contacto y con polarización paralela a los discos de contacto.
La Fig. 1 1 muestra una vista de alzado del transductor de la Fig. 8 donde se aprecian los electrodos.
La Fig. 12 muestra un alzado de un transductor similar al de la Fig. 8 que además está dotado de una capa de adaptación. La Fig. 13 muestra un alzado de un transductor similar al de la figura anterior, que además está dotado de una capa atenuante.
La Fig. 14 muestra una vista de alzado de un transductor similar al de la figura anterior, que además está dotado de una carcasa.
REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación una realización preferida de la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. Concretamente, las Figs. 1-7 muestran ejemplos de una primera realización preferida de la invención donde el transductor está formado por discos (1 a, 2a) circulares, mientras que las Figs. 8-14 muestran ejemplos de una segunda realización preferida de la invención donde el transductor está formado por discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b).
El transductor de la Fig. 1 tiene una primera placa formada por un primer disco (1 a) y una segunda placa formada segundo disco (2a) paralelo al primero, ambos con centro en un eje (0), entre los que hay dispuesta una pluralidad de elementos piezoeléctricos (3) polarizados, en este caso siete, regularmente a lo largo de la circunferencia de los discos (1 a, 1 b). Además, cada uno de dichos discos (1 a, 1 b) está recubierto por su cara interior por una capa conductora (4) que conforma respectivamente un ánodo en el primer disco (1 a) y un cátodo en el segundo disco (2a). En este ejemplo concreto, ambos discos están fabricados de material cerámico, aunque como se ha descrito anteriormente, sería posible fabricarlos también de material metálico.
En este ejemplo, las dimensiones de los discos (1 a, 2a) son de 10 mm de diámetro y un mm de espesor, mientras que los 7 elementos piezoeléctricos, hechos de cerámica piezoeléctrica PZT-4 o PZT-5, tienen unas dimensiones de 1x3x10 mm. La unión entre los elementos piezoeléctricos (3) y de cableado a los electrodos se realiza con resina de plata conductora.
Los elementos piezoeléctricos (3) polarizados tienen unos electrodos ubicados según una dirección perpendicular a la dirección de la polarización. Las Figs. 3a y 3b muestran respectivamente dos realizaciones preferidas de la invención. En una primera realización mostrada en la Fig. 3a, los elementos piezoeléctricos (3) están polarizados en dirección paralela al eje (0) - la polarización se ha representado por medio de la flecha P - mientras que los electrodos se sitúan en lados perpendiculares a la dirección del radio de los discos (1 a, 2a). En una segunda realización mostrada en la Fig. 3b, los elementos piezoeléctricos (3) están polarizados en la dirección circunferencial, en paralelo a los discos (1 a, 2a), mientras que electrodos están ubicados en la unión entre los elementos piezoeléctricos (3) y la cara interior de los discos (1 a, 1 b). La Fig. 4 muestra un caso concreto de este segundo modo de realización donde el primer disco (1 a) y el segundo disco (1 b) comprenden, además, un recubrimiento conductor a modo de electrodo (4) que está en contacto con los elementos piezoeléctricos (3).
Como se ha mencionado previamente en el presente documento, al colocar los electrodos de alguna de estas dos formas y aplicar pulso eléctrico, en forma de diferencia de potencial, sobre sendos electrodos positivo y negativo de cada elemento piezoeléctrico (3), se crea un campo eléctrico, que combinado con la dirección de polarización transversal, hace que los elementos piezoeléctricos (3) generen una tensión asociada a un movimiento de cizalla. En las siguientes figuras, la polarización de los elementos piezoeléctricos (3) es perpendicular al eje (0), por lo que los electrodos están conformados como un recubrimiento (4) conductor de la cara interior de los discos (1 a, 2a).
El primer disco (1 a) puede estar directamente en contacto con el espécimen, excepto en el caso en que el transductor comprende además una capa de adaptación (5) dispuesta sobre la cara exterior del primer disco (1 a), como se muestra en la Fig. 5. Esta capa de adaptación, que tiene forma de disco y está fijada a dicho primer disco (1 a) por medio de resina, crea el desfase necesario entre la onda generada por los elementos piezoeléctricos (3) y su onda reflejada en el segundo disco (2a) de forma que ambas estén en fase y se sumen. Para ello, la capa de adaptación (5) puede estar hecha de cualquier material que posea un valor de impedancia acústica que esté entre el valor de la impedancia acústica del material con el que está hecho el primer disco (1 a) y el valor de la impedancia acústica del acero.
Adicionalmente, la cara exterior del primer disco (1 a) puede tener otra capa protectora para proteger esta capa de adaptación (5), o el propio primer disco (1 a), frente a agresiones físicas, como golpes o arañazos.
En otra realización, el dispositivo puede comprende además un elemento atenuante (6) dispuesto sobre la cara exterior del segundo disco (2a) para evitar la propagación de ondas de torsión en dirección en sentido contrario al espécimen y, por tanto, pérdida de energía. En este ejemplo concreto, el elemento atenuante (6) es de resina atenuante estándar, tiene forma de disco de 10 mm de diámetro y 10 mm de espesor, y está unido al segundo disco (2a) mediante resina, está hecho de resina atenuante estándar. Por último, esta primera realización de transductor puede comprender, unido al segundo disco (2a), o bien al elemento atenuante (6), un elemento de inercia (7) fabricado en cualquier material de alta densidad con el objeto de evitar la inercia. Este elemento de inercia (7) puede tener forma de disco con un radio similar al de los discos (1 a, 2a), o bien hacer de carcasa que recubra el conjunto que comprende los discos (1 a, 2a), los elementos piezoeléctricos (3) y, en función de la realización, los electrodos (4), la capa de adaptación (5) y el elemento atenuante (6), como se muestra en la Figura 7.
Aunque no se muestra en las figuras, esta primera realización de transductor se completa con un dispositivo generador de pulsos de potencia conectado a los electrodos (4).
Se describe a continuación una segunda realización de transductor de acuerdo con la invención que está formado por dos sub-transductores que pueden funcionar simultáneamente como emisor y como receptor, evitando así la necesidad de utilizar dos transductores como los descritos en las líneas anteriores para explorar un espécimen.
Concretamente, esta segunda realización de transductor comprende dos placas circulares paralelas, donde la primera placa está formada por un primer disco (1 a) y un primer anillo (1 b) concéntrico con relación a dicho primer disco (1 a), y la segunda placa está formada por un segundo disco (2a) y un segundo anillo (2b) concéntrico con relación a dicho segundo disco (2a). En perpendicular entre los dos discos (1 a, 2a) se disponen varios elementos piezoeléctricos (3) polarizados dispuestos regularmente a lo largo de su circunferencia, en este ejemplo concretamente tres, mientras que en perpendicular entre los anillos (2a, 2b) se disponen también regularmente a lo largo de su circunferencia varios elementos piezoeléctricos, tres en este ejemplo. El eje que constituye el centro de discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b) se denomina eje (0). Además, y aunque no se representa en las figuras, el transductor está conectado a un dispositivo generador de pulsos de potencia conectado a los electrodos.
En este ejemplo, los discos (1 a, 2a) están hechos de un material metálico con unas dimensiones de 5 mm de radio y 5 mm de espesor, mientras que los anillos (1 b, 2b) también están hechos de un material metálico de 10 mm de radio interior, 13 mm de radio exterior y 5 mm de espesor. Los elementos piezoeléctricos (3) están fabricados de cerámica piezoeléctrica PZT-4 o PZT-5, y tienen unas dimensiones de 1 x1 x1 mm. Estos elementos así dispuestos conforman en la práctica dos sub-transductores separados, un sub- transductor interior formado por los discos (1 a, 2a) junto con sus correspondientes elementos piezoeléctricos (3), y un sub-transductor exterior formado por los anillos (1 b, 2b) junto con sus correspondientes elementos piezoeléctricos (3). Al igual que en la realización preferida descrita anteriormente, los elementos piezoeléctricos (3) están polarizados y tienen fijados a los mismos dos electrodos dispuestos según una dirección perpendicular a la dirección de polarización (P), entendiendo como dirección de los electrodos aquella que siguen entre las cargas positivas y negativas. En este ejemplo, los electrodos son de resina de plata.
Concretamente, en una realización preferida de la invención en la que los elementos piezoeléctricos (3) están polarizados en dirección paralela al eje (0), los electrodos (ánodo y cátodo) se sitúan en los lados perpendiculares al radio de los discos (1 a, 2a) o anillos (1 b, 2b), concretamente en el lado interior y el lado exterior, como se muestra en la Fig. 10a. En otra realización preferida de la invención mostrada en la Fig. 10b en la que los elementos piezoeléctricos (3) están polarizados en dirección circunferencial, en paralelo a los discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b), los electrodos se situarán en las caras de unión entre los elementos piezoeléctricos (3) y los discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b). En este modo de realización, la cara interior de los discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b) pueden comprender, además, un recubrimiento conductor a modo de electrodo (4) que está en contacto con los elementos piezoeléctricos (3).
Al colocar los electrodos de alguna de estas dos formas y aplicar pulso eléctrico en forma de diferencia de potencial sobre sendos electrodos positivo y negativo de cada elemento piezoeléctrico (3), se crea un campo eléctrico, que combinado con la dirección de polarización transversal, les hace generar una tensión asociada a un movimiento de cizalla. Este movimiento de cizalla, al transmitirse a los discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b), genera unas ondas ultrasónicas de torsión que se transmiten a lo largo del eje (0).
Al igual que ocurría en el caso anterior, una de las placas, por ejemplo la formada por el primer disco (1 a) y el primer anillo (1 b), normalmente estará en contacto con el espécimen durante el funcionamiento del dispositivo. Sin embargo, en una realización preferente el transductor comprende además una capa de adaptación (5) dispuesta sobre la cara exterior del primer disco (1 a) y anillo (1 b), como se muestra en la Fig. 12. Esta capa de adaptación (5) está diseñada para crear el desfase necesario entre la onda generada por los elementos piezoeléctricos (3) y su onda reflejada en la segunda placa (2a, 2b) de forma que ambas estén en fase y se sumen. En este ejemplo, la capa de adaptación (5) está fijada a la cara exterior del primer disco (1 a) y anillo (1 b) por medio de resina, siendo sus dimensiones evidentemente iguales que las de dichos primer disco y anillo (1 a, 1 b), y está hecho de cualquier material que posea un valor de impedancia acústica que esté entre el valor de la impedancia acústica del material con el que está hecha la primera placa (1 a, 1 b) y el valor de impedancia acústica del acero.
Adicionalmente, el transductor puede incorporar otra capa protectora para proteger esta capa de adaptación (5) o el primer disco (1 a) y anillo (1 b) frente a agresiones físicas, como arañazos y golpes.
En la Fig. 13 se muestra otro ejemplo de transductor donde la cara exterior de la segunda placa (2a, 2b) comprende además un elemento atenuante (6) hecho de resina atenuante estándar con el objeto de evitar la propagación de ondas de torsión en dirección contraria al espécimen y, por tanto, pérdida de energía. Las dimensiones del elemento atenuante pueden ser similares a las del segundo disco (2a) y anillo (2b), formando en ese caso dos elementos separados, o bien tener forma de disco de 13mm de radio para cubrir ambas piezas. Su espesor en este ejemplo es de 10mm de espesor, y está unido al segundo disco (2a) y anillo (2b) mediante resina.
Por último, otro ejemplo de transductor comprende, unido a la cara exterior del segundo disco (2a) y del segundo anillo (2b), o bien al elemento atenuante (6), un elemento de inercia (7) fabricado en cualquier material de alta densidad con el objeto de evitar la inercia de todo el sistema. Este elemento de inercia (7) puede tener forma de disco de dimensiones similares a las de los discos (1 a, 2a) y anillos (1 b, 2b), o bien tener forma de carcasa que recubra el conjunto formado por los discos (1 a, 2a), los anillos (1 b, 2b), los elementos piezoeléctricos (3) y, en función de la realización, los electrodos (4), la capa de adaptación (5) y el elemento atenuante (6), como se muestra en la Fig. 14. Como se ha mencionado anteriormente, su masa será al menos el doble de la masa del resto del dispositivo.
La unión de los elementos piezoeléctricos (3) y de cableado a los electrodos se realiza con resina de plata conductora.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Transductor de ondas de torsión para la emisión/recepción de ondas en la dirección de un eje (0), caracterizado porque comprende:
- una primera placa (1 a, 1 b) circular de material metálico o cerámico con centro en el eje (0);
- una segunda placa (2a, 2b) circular de material metálico o cerámico paralela a dicha primera placa (1 a, 1 b) y con centro en el eje (0);
- al menos dos elementos piezoeléctricos (3) polarizados fijados de manera equidistante y en perpendicular entre la primera placa (1 a, 1 b) y la segunda placa (2a, 2b), comprendiendo cada elemento piezoeléctrico (3) dos electrodos de distinta carga dispuestos en perpendicular a la dirección de la polarización de dicho elemento piezoeléctrico (3).
2. Transductor de acuerdo con la reivindicación 1 , donde la primera placa consiste en un primer disco (1 a) y la segunda placa consiste en un segundo disco (2a), estando los al menos dos elementos piezoeléctricos (3) conectados entre dicho primer disco (1 a) y dicho segundo disco (1 b).
3. Transductor de acuerdo con la reivindicación 1 , donde:
- la primera placa comprende un primer disco (1 a) y un primer anillo (1 b) concéntrico con relación a dicho primer disco (1 a);
- la segunda placa comprende un segundo disco (2a) y un segundo anillo (2b) concéntrico con relación a dicho segundo disco (2a); y
- los elementos piezoeléctricos (3) comprenden al menos dos elementos piezoeléctricos (3) fijados entre el primer disco (1 a) y el segundo disco (2a) y al menos dos elementos piezoeléctricos adicionales (3) fijados entre el primer anillo (1 b) y el segundo anillo (2b).
4. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el segundo disco (2a) y el segundo anillo (2b) están unidos formando una única pieza.
5. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los elementos piezoeléctricos (3) están uniformemente distribuidos a lo largo de la circunferencia de las placas (1 a, 1 b, 2a, 2b).
6. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los elementos piezoeléctricos (3) están fabricados en cerámica piezoeléctrica PZT-4 o PZT-5.
7. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, donde la polarización de los elementos piezoeléctricos (3) es paralela al eje (0), estando los electrodos dispuestos en caras laterales de dichos elementos piezoeléctricos (3).
8. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, donde la polarización de los elementos piezoeléctricos (3) es perpendicular al eje (0), en dirección circunferencial, estando los electrodos dispuestos en la unión entre dichos elementos piezoeléctricos (3) y las placas (1 a, 1 b, 2a, 2b).
9. Transductor de acuerdo con la reivindicación 8, donde los electrodos consisten en un recubrimiento conductor (4) en las caras internas de las placas (1 a, 1 b, 2a, 2b).
10. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una capa de adaptación (5) en la cara externa de la primera placa (1 a, 1 b) para poner en fase una onda de torsión generada por los elementos piezoeléctricos (3) y la reflexión de dicha onda en la segunda placa (2a, 2b).
1 1. Transductor de acuerdo con la reivindicación 10, donde la capa de adaptación (5) está hecha de un material cuya impedancia acústica pertenece al rango entre la impedancia acústica del material con el que está hecha la primera placa (1 a, 1 b) y la impedancia acústica del acero.
12. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un elemento atenuante (6) fijado a la cara exterior de la segunda placa (2a, 2b).
13. Transductor de acuerdo con la reivindicación 12, donde el elemento atenuante
(6) está hecho de resina atenuante.
14. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un elemento (7) de inercia dispuesto sobre la cara exterior de la segunda placa (2a, 2b) cuya masa es muy superior a la del conjunto formado por las placas (1 a, 1 b, 2a, 2b) y los elementos piezoeléctricos (3) con el objeto de evitar la inercia.
15. Transductor de acuerdo con la reivindicación 14, donde la masa del elemento
(7) de inercia es al menos dos veces la masa total del conjunto formado por las placas (1 a, 1 b, 1 c, 1 d) y los elementos piezoeléctricos (3).
16. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14-15, donde el elemento (7) de inercia tiene una forma de carcasa que rodea el conjunto formado por las placas (1 a, 1 b, 2a, 2b) y los elementos piezoeléctricos (3).
17. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14-16, donde el elemento (7) de inercia está hecho de acero, aluminio, cerámica, resina o fibra de carbono.
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