Vibraciones Mecanicas

Guimarães - Portugal

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ESTUDIO DE VIBRACIONES PARAMÉTRICAS Y NO LINEALES EN TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOS DE POTENCIA
D. Chacón y E. Riera.
Instituto de Acústica, CSIC, Serrano 144, 28006 Madrid, España dchacon@ia.cetef.csic.es RESUMEN: En general, los dispositivos ultrasónicos de potencia presentan no linealidades cuando son excitados con señales de elevada amplitud. Eneste caso pueden ser excitados los modos situados por debajo de la frecuencia del modo de trabajo del transductor, participando en la respuesta y provocando un incorrecto funcionamiento del sistema. Este comportamiento es típico de los sistemas paramétricos, en los que dos o más modos pueden manifestarse bajo una excitación cuya frecuencia resulta ser combinación lineal de las frecuenciascorrespondientes a los modos excitados. Otro tipo de no linealidades que también presentan este tipo de transductores son saltos en la amplitud de respuesta, cambios en la frecuencia de resonancia y fenómenos de histéresis. En este trabajo se presenta una revisión del estado del arte de estos fenómenos en transductores ultrasónicos de potencia, con objeto de extender el análisis al caso de los transductoresmacrosónicos del tipo placa vibrante. ABSTRACT: High-power ultrasonic devices usually present nonlinearities when they are driven with high voltage levels. Modes which are below the working frequency can be also excited, taking part in the system response and leading the system into a non-correct operation. This behaviour is similar to the parametric systems, where two or more modes of vibrationcan be excited if the frequency of the driving signal is a linear combination of the frequency of the excited modes. Another kind of nonlinearities that high-power ultrasonic transducers show are: amplitude and frequency jumps and hysteresis phenomenon. This paper reviews the state of art of these phenomena in high-power ultrasonic devices, with the goal of extending this analyst to stepped plateultrasonic transducers.

1.-INTRODUCCIÓN
El empleo de los ultrasonidos de elevada intensidad en medios fluidos representa un campo muy prometedor de aplicaciones en procesos industriales que está siendo actualmente investigado. Los transductores se basan en radiadores del tipo placa radiante escalonada o biescalonada flexionalmente vibrante y poseen elevado rendimiento electro-acústico y altacapacidad de potencia. El diseño de los radiadores permite la generación de campos acústicos intensos de diferente configuración (radiación coherente o focalizada) [1]. Estos transductores consisten básicamente en un sandwich piezoeléctrico resonante en su primer modo longitudinal (λ / 2 ) , conectado a un amplificador mecánico. Al conjunto se le acopla una placa radiante rectangular biescalonadadiseñada para vibrar en un modo alto, como por ejemplo de 14 líneas nodales paralelas al ancho de la placa, con una frecuencia aproximada de 21 kHz. Si el transductor es excitado con bajos niveles de potencia, el sistema se comporta de forma lineal, tal y como predicen las simulaciones por elementos finitos que se emplean en su diseño. Sin embargo cuando la amplitud de la señal de excitación rebasacierto nivel umbral aparecen fenómenos no lineales tales como: la disminución de la frecuencia de resonancia con el nivel de excitación, la aparición de ruidos provocados por la excitación de modos de baja frecuencia, los calentamientos localizados en la unión placa-vibrador, la aparición de grietas

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en el material de la placa radiante por efecto dela fatiga ultrasónica, etc. Estos fenómenos tienen un claro efecto negativo sobre el sistema ya que limitan la máxima capacidad de potencia del transductor. Parece claro entonces que los problemas que presentan este tipo de transductores se derivan de los altos niveles de excitación a los que están sometidos y que son debidos en parte a la fuerte no linealidad que presentan las cerámicas...