Diseñando un transductor longitudinal-torsional

Diseñando un transductor longitudinal-torsional

  Usando el vibrómetro láser 3D se pueden llevar a cabo mediciones con combinaciones complejas de diferentes modos                       de vibración que operan juntos a frecuencias ultrasónicas. Dichas vibraciones han sido usadas para optimizar el desempeño de sonotrodos                                                                                                                              longitudinales-torsionales (L-T) en la Universidad de Glasgow.

 

Usando el vibrómetro láser 3D se pueden llevar a cabo mediciones con combinaciones complejas de diferentes modos de vibración que operan juntos a frecuencias ultrasónicas.

Estas mediciones han sido usadas para optimizar el desempeño de sonotrodos longitudinales-torsionales (L-T) en la Universidad de Glasgow. La vibración ultrasónica L-T tienen diversas aplicaciones, incluyendo dispositivos quirúrgicos, soldadura industrial y motores ultrasónicos.

Investigadores de la Universidad de Glasgow han incluso desarrollado herramientas de perforación para la exploración planetaria. Debido a la poca gravedad, la perforación tradicional será difícil y la siguiente generación de exploradores de Marte requerirán dispositivos de baja reacción para la perforación de la superficie.

Desarrollando propiedades ultrasónicas.

Un sonotrodo, es una barra de metal comúnmente usada para aumentar la amplitud del desplazamiento oscilatorio proporcionado por un transductor ultrasónico. Este dispositivo es necesario para transferir de manera eficiente la energía acústica del transductor ultrasónico en el medio en que se está tratando. El sonotrodo es comúnmente una barra de metal sólido con una sección transversal redonda y una sección longitudinal de forma variable. La longitud del metal debe ser tal que no provoque resonancia mecánica en la frecuencia ultrasónica deseada de la operación de una o varias longitudes de onda media de ultrasonido en el material del sonotrodo.

Se han hecho esfuerzos con el fin de estimular las respuestas longitudinales-torsionales en los dispositivos usando dos técnicas diferentes; acoplando los modos longitudinal y torsionales, y causando la degeneración del modo longitudinal para tener una respuesta longitudinal-torsional mediante la incorporación de aberturas helicoidales.

El acoplamiento de los modos de vibración longitudinales y torsionales ha resultado una tarea complicada, esto debido a que la geometría del sonotrodo se modifica de forma incremental, las dos frecuencias modales han sido encontradas una cerca de la otra y después separadas pero sin puntos de cruce en donde los modos estén totalmente acoplados.

Por ejemplo, usando el vibrómetro láser 3-D de Polytec, la interacción del primer modo longitudinal (L1), el segundo modo torsional (T2) y el modo de la curva (B) pueden ser observados en la primera imagen. En términos de amplitud longitudinal y tangencial en la longitud de onda media en un paso del sonotrodo así como la longitud de la sección de la base de este se reduce gradualmente. En la imagen de la izquierda podemos observar la interacción de los modos de la longitud de un sonotrodo que se altera de forma incremental.

Ya que es bastante difícil lograr el acoplamiento efectivo de éstos dos modelos, los sonotrodos que aprovechan este enfoque suelen ser caracterizados por una baja sensibilidad o alternativamente se necesita incorporar dos diferentes polos de pilas piezocerámicas en el transductor para estimular ambos modos, por lo tanto el método de degeneración del modo es considerado más prometedor y gracias a eso se ha desarrollado un transductor (Imagen 2) que tome ventaja de esta técnica. Este transductor puede proporcionar salidas longitudinales-torsionales cuando sea estimulado por el modo de vibración longitudinal en una sola pila piezocerámica.

Análisis modal experimental

Con el fin de evaluar el comportamiento del transductor, la respuesta modal de operación es determinada por un análisis modal (EMA). La efectividad del transductor está caracterizada por su capacidad de torsión, la cual es el ratio de la amplitud de vibración longitudinal y torsional. El vibrómetro láser fue usado para medir la respuesta, debido a que permite obtener los datos sin afectar la frecuencia natural, la forma modal o la amortiguación, independientemente si el dispositivo es estimulado en el aire (sin carga) o bajo una carga representando una aplicación en el mundo real.

Usando el vibrómetro 3-D, se adquieren respuestas en tres direcciones ortogonales en una cuadricula de puntos de superficie en el transductor y las frecuencias modales y los modos animados son extraídas usando un software ME´scope. Los resultados nos permiten evaluar las características de vibración del modo operativo y el espaciamiento de frecuencia entre el modo deseado y los modos de vibración circundante. Las mediciones del vibrómetro también pueden ser usadas para validar modelos de elementos finitos (FE) del transductor (Imagen 3).

Conclusión

Los resultados muestran que el modelo puede ser usado de manera viable para diseñar nuevas formas de transductores y evaluar las características de respuesta longitudinal-torsional para maximizar el rendimiento de los dispositivos.

Hassan Al-Budairi, Dr. Patrick Harkness, Prof. Margaret Lucas De la Escuela de Ingenieria de la Universidad de Glasgow en Reino Unido. “Drill tools for earth and space”. En Polytec.com [documento en línea: www.gla.ac.uk/schools/engineering / www.polytec.com/us acceso: Diciembre del 2013].

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