WO1991001814A1

WO1991001814A1 - Realisation de resonateurs electromecaniques, excites electriquement et asservis par effet magnetostrictif

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Publication number: WO1991001814A1
Application number: PCT/FR1990/000609
Authority: WO
Inventors: André BILLMANN
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 1992-02-10
Also published as: FR2650766A1; FR2650766B1

Abstract

L'invention concerne la réalisation de résonateurs électro-mécaniques composites ayant une très grande amplitude vibratoire. Ces transducteurs comportent une excitation électrique (3) (piézo-électrique ou magnétostrictive). Les masses métalliques (30 et 40) sont constituées, partiellement ou dans leur totalité, d'alliages ferromagnétiques choisis pour leur faible coefficient de frottements internes. Un double asservissement permet: d'alimenter l'excitation électrique à la fréquence de résonance du résonateur, quelle que soit la dérive de cette dernière; de rétablir les maxima d'amplitude des vibrations mácaniques, quels que soient l'impédance acoustique et l'amortissement du milieu insonifié. Son fonctionnement repose sur l'effet magnétostrictif. En effet les vibrations de la masse ferromagnétique (30) produisent, dans ce matériau, des variations d'aimantation qui se traduisent par des variations de flux à travers la bobine (60). Le courant induit (20) qui en résulte, représente correctement l'état vibratoire du matériau. Ce courant subit un traitement électronique simple dans le filtre-déphaseur (1), avant d'être amplifié dans l'amplificateur (2) qui alimente l'excitation électrique (3). De plus, le comparateur électronique (4) entretient les vibrations mácaniques à leur maximum d'amplitude par l'action de l'appareil de réglage (5) qui rééquilibre en permanence le résonateur au niveau de l'extrémité libre (31) de la masse d'amortissement (30), et qui maintient, éventuellement, le plan de fixation en coïncidence avec un plan nodal (6). Ces résonateurs constituent de puissants générateurs d'ultrasons et permettent en outre d'étudier: les vibrations de grande amplitude ainsi que leur propagation dans différents matériaux; les propriétés de ces matériaux dans le domaine non linéaire et notamment leur fatigue et leur vieillissement.

Description

REALISATION DE RESONATEURS ELECTROMECANIQUES, EXCITES ELECTRIQUEMENT ET ASSERVIS PAR EFFET MAGNETOSTRICTIF.

La présente invention est relative à la réalisation de résonateurs électromécaniques très performants destinés à engendrer un flux intense d'ultrasons de puissance.

Dans la technique actuelle, la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique acoustique se fait au moyen de dispositifs appelés transducteurs (ou traducteurs) .

Dans le cas des ultrasons de puissance, on utilise souvent, comme transducteurs, des résonateurs électromécaniques compo¬ sites, constitués par un ensemble de masses métalliques, généra- lement de nature et/ou de forme différentes, mises en vibration à des fréquences comprises entre 10 et 90 kHz, au moyen d'un effet lié au courant électrique tel que la piézoélectricité (ou la magnétostriction, etc.). Donc, ce type de résonateur acousto- mécanique, encore appelé sonotrode, peut être considéré comme l'association d'un dipôle électrique d'excitation _n interaction avec un résonateur mécanique constitué de masses métalliques sy¬ métriques ou non.

Les dispositifs les plus efficaces sont généralement basés sur l'excitation piézoélectrique et vibrent sur un mode longitudinal (ondes de compression); la longueur du résonateur doit corres¬ pondre à un nombre entier de quart de longueur d'onde ( deux ou plus).

En règle générale un résonateur destiné à fournir des ultrasons de puissance possède une structure dissymétrique: la masse émettrice d'ultrasons est appelé masse avant; l'autre masse est appelée masse arrière ou amortisseur.

Cependant la qualité vibratoire d'un tel résonateur, c'est- à-dire son aptitude à être le siège d'un système d ' o n de s stationnaires de résonance, nécessite que des conditions aux limites très strictes soient satisfaites, principalement aux interfaces en contact avec l'excitation électrique ainsi qu'aux extrémités libres, mais également au niveau du plan de fixation du résonateur sur son support ou dans son boîtier de protection, plan qui doit coïncider rigoureusement avec un plan nodal c vibrations. Lorsque ces différentes conditions sont réalisées et que le résonateur est alimenté par un courant sinusoïdal à sa fréquence de résonance, il est le siège de vibrations de très grande amplitude (quelques dizaines de micromètres) avec des flux d'énergie acousto-mécaniques très importants (quelques dizaines de watts/ cm² dans le résonateur). On peut même augmenter l'amplitude des vibrations en utilisant des amplificateurs de déplacement ( par exemple coniques ou exponentiels ). Malheureusement ce type de générateur ultrasonore présente plusieurs défauts.

D'abord leur aptitude vibratoire peut être grandement modifiée selon les propriétés mécaniques (impédance acoustique, amortissement, etc..) des milieux insonifiés qui interagissent sur la masse vibrante par l'intermédiaire de l'interface émettrice: on observe un déplacement des ventres et des noeuds de vibrations comme si la longueur apparente de la masse vibrante en contact avec le milieu insonifré était augmentée.

Ensuite lorsqu'un tel résonateur est au maximum de sa puissance, il est le siège d'un échauffement important dû princi¬ palement aux frottements internes visco-élastiques, dans les parties métalliques où le déplacement particuiaire est le plus grand c'est-à-dire au voisinage des ventres des vibrations de déplacements (qui correspondent à des noeuds de contraintes). Non seulement cette perte d'énergie acousto-mécanique, sous forme^" de chaleur, limite l'énergie ultrasonore utilisable mais encore réchauffement entraîne un glissement notable de la fréquence de résonance (plusieurs dizaines de hertz ). De plus on constate que les vibrations des masses métalliques ne sont plus sinusoïdales et leur étude par analyse de Fourier montre l'ap¬ parition d'harmoniques en proportion considérable, parfois au delà de l'ordre dix. Alors le dipôle d'excitation électrique a un réponse non linéaire. Toujours dans l'état actuel de la technique, il n'existe aucun dispositif d'asservissement permettant de rechercher l'am¬ plitude maximale des vibrations en fonction du milieu insonifié, tandis que la plupart des asservissements en fréquence reposent sur la recherche d'un maximum de l'amplitude du courant élec¬ trique d'alimentation et fonctionnent mal aux fortes puissances, parce qu'if apparaît alors un écart notable entre la fréquence fondamentale de résonance mécanique et la fréquence correspon¬ dant à un maximum du courant électrique.

La présente invention concerne la réalisation de réso¬ nateurs électromécaniques de puissance, du type de ceux décrits précédemment*- Elle a pour but d'augmenter considérablement l'amplitude vibratoire du résonateur ainsi que la pu issan ce ultrasonore utile délivrée, quelle que soit les conditions d'utflisation :

- grâce à un double automatisme d'asservissement agissant sur . la fréquence du courant électrique d'alimentation de façon qu'elle suive toute dérive éventuelle de la fréquence de résonance du résonateur, . la longueur apparente d'une ou des deux masses vibrantes en fonction de la variation des propriétés mécaniques des milieux insonifiés, - par l'emploi de dispositifs de fixation du résonateur sur son support, dispositifs se ramenant à trois types: . soit une fixation flottante à faible couplage mécanique de façon à minimiser les pertes par transfert d'énergie vers le support, . soit une fixation mobile asservie, à blocage pneumatique ou oléo-pneumatique, permettant de rechercher en permanence une parfaite coïncidence avec un plan nodal, notamment lors des changements du milieu insonifié, . soit une fixation immuable placée entre les plaques piézoélectriques, dans une position qui est un noeud de vibration lorsque le système est bien réglé. - par le choix de matériaux appropriés, ayant de très faibles coefficients d'amortissement et de frottements internes, de façon que les très grandes amplitudes vibratoires obtenues n'occasionnent pas des pertes d'énergie rédhibitoires dans le résonateur, sous forme de chaleur. (En ce qui concerne les matériaux métalliques, un certain nombre d'alliages contenant des éléments comme le nickel, le cobalt, le chrome, le fer, etc ..., remplissent ces conditions.)

Les automatismes d'asservissement utilisés par l'invention sont fondés sur le phénomène de magnétostriction dont les matériaux ferromagnétiques sont le siège, de sorte que ces asservissements reposent sur le seul paramètre vérita¬ ble, à savoir l'amplitude des vibrations mécaniques dont les masses métalliques du résonateur sont le siège. En effet il est bien connu qu'un barreau d'un matériau ferro- magnétique s'aimante lorsqu'il subit un effort longitudinal de traction; l'aimantation s'inverse pour une compression. C'est l'ef¬ fet V i l lari .

Dans ces conditions, si un solénoïde entoure le barreau, la force électro motrice e = - dΦ / dt , induite par la variation de flux magnétique due à la variation d'aimantation, représente la dérivée

( par rapport au temps ) de la déformation du barreau, avec une fidélité très satisfaisante. Le so lén oïd e joue ainsi le rôle de

"capteur de vibrations mécaniques".

Pour appliquer cette propriété à des résonateurs électromécani- ques, on peut utiliser:

- soit un matériau magnétostrictif massif,

- soit un matériau non ferromagnétique, chemisé par un tube de matériau ferromagnétique de 2 à 3 mm d'épaisseur, ou incrus- té à sa surface par une ou plusieurs petites règles ferroma¬ gnétiques. Un capteur, constitué d'une petite bobine de quelques centai¬ nes de spires placée autour de la masse ferromagnétique vibrante, permet d'obtenir une force électromotrice de quelques dixièmes de volts.

Alors l'asservissement en fréquence est obtenu automati¬ quement car la vibration libre du résonateur induit, dans la bobine, un courant qui est amplifié avant de revenir alimenter l'excitation électrique du résonateur, à la fréquence qui donne la plus grande amplitude. En réalité, il faut préamplifier ce courant, le filtrer pour sélectionner la fréquence de pilotage (en général la fréquence fondamentale mais éventuellement un de ses harmoniques), l'inté¬ grer et le remettre en phase avant de l'envoyer sur l'amplificateur de puissance. Ce type d'asservissement en fréquence, déjà connu est utilisé dans toutes les réalisations de résonateurs concernées par l'invention.

L'asservissement de la longueur apparente des masses vibrantes est rendu nécessaire: - d'abord parce que les propriétés mécaniques des matériaux, constituant ces masses, varient avec la température, et notam¬ ment la vitesse de propagation des ondes élastiques, ce qui entraîne un changement de conditions aux limites,

- ensuite parce que le milieu insonifié interagit avec la masse émettrice d'ultrasons; en effet, lorsque l'interface émet- trice est en contact avec un milieu solide ou liquide, elle ne reste pas un noeud de contraintes (ventre de vibrations): tout se passe comme si la longueur de cette masse vibrante était augmentée: là encore il y à modification des conditions aux limites.

Cet allongement apparent dépend des propriétés mécani¬ ques du milieu insonifié (impédance acoustique et amortisse¬ ment) et il est d'autant plus grand que le milieu est plus dense ou plus absorbant. De plus il entraîne un petit déplacement des plans ventraux et nodaux accompagné d'une légère dérive de la fréquence.

Il est possible de compenser ces allongements apparents en modifiant la ré pa rt it i o n des m a s s e s vibrantes, par un dép lacement de m asses à la surface et/ou à l'intérieur des masses vibrantes constituant la partie mécanique du résonateur.

D'après l'invention, ces masses sont constituées:

- soit par un ensemble de deux bagues métalliques, filetées inté¬ rieurement et dentées extérieurement, qui se vissent sur un fi- letage extérieur des masses vibrantes cylindriques: un moteur électrique, dont l'axe porte un pignon s'engrenant sur les dentures extérieures des deux bagues, permet de contrôler la rotation de l'ensemble des deux bagues et donc leur position; un micro-piston ou un tube déformable, à commande oléo-pneuma- tique, permet de bloquer les deux bagues sur le filetage et de les rendre solidaires des masses vibrantes ,

- soit par un tube, fermé à une extrémité, vissé sur la masse vibrante dite amortisseur et se bloquant sur son filetage à l'aide d'un micro-piston à commande oléo-pneumatique,

- soit par des tubulures de petit diamètre, percées dans la masse selon un diamètre ou enroulées en spirale et soudées à la périphérie de la masse vibrante: du mercure ou du gallium peuvent y être introduit en plus ou moins grande quantité par un dispositif oléo-pneumatique,

Au lieu d'utiliser un déplacement de masse pour modifier les conditions aux limites au niveau de l'amortisseur, on peut agir sur la face libre de ce dernier au moyen d'un puissant c o u p l ag e magnétique ajustable, éventuellement renforcé par l'emploi de matériaux magnétiques finement divisés, sous forme de poudres ou de liquides (ferro-fluides).

La recherche de l'amplitude maximale de vibrations est commandée par un dispositif électronique dénommé ci-après com¬ parateur qui analyse les signaux provenant d'un ou de plusieurs capteurs-bobines et détecte toute diminution d'amplitude.

En dessous d'une certaine valeur ajustable V_{seu j |} de l'amplitude de vibration, le comparateur commande successivement les diffé¬ rents dispositifs équipant ιe système et contrôle:

- le déplacement des masselottes, - le changement du couplage magnétique,

- le déplacement du plan de fixation, afin de rétablir l'amplitude maximale de vibration. La commande de chacun des asservissements peut être soit suspendue, soit activée manuellement. Dans tous les cas, un problème fondamental se pose: pour utiliser le résonateur, il est nécessaire de le fixer sur un support ou à l'intérieur d'un boîtier de p Otection ou encore de le suspendre. Or la fixation doit se faire impérativement au niveau d'un plan nodal de vibrations sous peine de diminuer de façon considérable l'amplitude vibratoire.

Trois procédés de fixation peuvent remplir ces conditions.

- Le mode de fixation préférentiel est le plus simple mais ne s'applique qu'à une excitation piézoélectrique contrairement aux deux autres. Il consiste à intercaler, entre les céramiques, une plaque métallique de quelques millimètres d'épaisseur qui sera désignée dorénavant par la dénomination plaque centrale. Elle permet une fixation facile sur n'importe quel support. Cette plaque coïncide exactement avec un nœud de vibrations, quand son épaisseur est petite, que le résonateur est symétrique ou encore qu'il est bien réglé, suivant l'invention.

- Le second^ type de fixation consiste à fixer le résonateur par l'une des masses métalliques au niveau d'un plan nodal de vibration. A cette fin, la masse concernée possède un filetage qui se visse dans un trou taraudé pratiqué dans une plaque de fixation. Afin de limiter le contact au voisinage immédiat du plan nodal, sans diminuer la rigidité de la liaison, la plaque est amincie sur les bords * du trou. Ainsi, une légère rotation produit un déplacement du résonateur suivant son axe de révolution et permet de ramener le plan nodal dans le pian du support. La recherche de cette coïncidence est une des fonctions d'asservissement dévolues au comparateur qui bloque ensuite le résonateur dans la position optimale à l'aide d'une bague munie d'un micro-piston oléopneumatique.

- Le troisième type de liaison est réservé à des réalisations plus simples de l'invention, limitées au seul asservissement en fréquence et destinées plus spécialement à produire des actions physico-chimiques dans des fluides, par cavitation ultrasonore. II consiste à utiliser un boîtier de suspension, constitué de deux plaques métalliques parallèles placées entre masses métal¬ liques et excitation électrique, et qui entoure complètement cette dernière. Ce boîtier possède un dispositif de suspension souple, par un axe ou un anneau par exemple. Il possède deux tubulures, servant de passage aux différents conducteurs électriques et permettant la circulation d'un courant gazeux. Ce dernier crée une surpression interdisant toute infiltration de liquide et assure un refroidissement efficace.

L'invention et ses différentes réalisations seront mieux comprises en se référant aux figures 1 à 12.

Les figures 1 et __ 2 représentent le principe de l'asservis¬ sement par magnétostriction, à l'aide de bobine(s)-capteur(s) et d'un comparateur microprogrammé. Les figure 3 et 4 montrent l'utilisation de chemise et d'incrustations superficielles en matériaux ferromagnétiques.

Les figures 5 à 8 montrent comment il est possible de modifier la longueur apparente par déplacement de bagues (figures 5 et 6) ou de liquides plus moins denses (figures 7 et 8).

FEUILLE DΞ REMPLACEMENT La figure 9 schématise un exemple de réalisation avec asservissement en fréquence et réglage magnétique avec la fixation préférentielle de la plaque centrale, sur un epaulement à l'intérieur du boîtier de protection. Les figures 10 et 11 schématisent le principe de fixation par plaque porteuse, assujettie à rester en coïncidence avec un plan nodal.

La figure 12 représente une réalisation de l'invention, limitée au seul asservissement en fréquence et munie d'un boîtier de suspension assurant l'isolement électrique.

La figure 13 représente un embout focalisant calculé pour obte¬ nir une concentration maximum à 15 mm en avant de la sonotrode. Dans la réalisation d'un modèle simple de résonateur la masse 30 (amortisseur) est constituée d'un matériau dense, tandis que la masse 40 (émetteur) est constituée d'un matériau de faible masse volumique, de façon à être animée de déplacements particulaires de plus grande amplitude, au niveau du plan 41 qui peut être éventuellement une extrémité libre, émettrice d'ultra¬ sons. (Par exemple, pour un résonateur demi-onde vibrant à 20 kHz, la longueur entre les interfaces 31 et 41 est de l'ordre du déci¬ mètre). Cependant rien n'empêche d'utiliser des masses identi¬ ques pour constituer un résonateur symétrique.

Dans une réalisation plus élaborée, la masse 40 est prolongée au-delà du pian 41 , par un transformateur de vitesse afin d'obtenir des déplacements de l'ordre du millimètre. Ainsi,

420 schématise un transformateur de vitesse exponentiel dans lequel 41 et 44 représentent les traces de deux plans ventraux de vibrations tandis que 43 correspond à un plan nodal. Les bobines

60, 61 et 62 permettent d'effectuer des comparaisons de phase. L'excitation électrique est représentée en 3. Elle peut être magnétostrictive ou piézoélectrique. Dans ce dernier cas, l'assemblage des céramiques piézoélectriques 3, précontraintes par serrage entre les masses 30 et 40, est effectué selon l'une des techniques connues de l'art actuel (vis centrale , vis périphériques, etc.).

Les contacts électriques sont assurés par la rondelle 8 (en cui¬ vre au béryllium) e' ^'_ plaque 9 qui, dans la réalisation préfé¬ rentielle, sert à fi r le résonateur sur l'épaulement 76 solidaire du boîtier de protection 75. En outre, la plaque 9 permet d'assurer un refroidissement efficace des céramiques 3.

L'asservissement, sur lequel repose l'invention, consiste à utiliser un matériau ferromagnétique pour constituer les deux masses 30 et 40 ou simplement l'une d'entre elles, par exemple la

FEUILLE DE REMPLACEMENT masse 30. Si l'utilisation massive d'un matériau ferromagnétique présente un inconvénient, on peut simplement incruster des barreaux ferromagnétiques 310 selon quelques-unes des géné¬ ratrices de la masse 30 et/ou de la masse 40 ou chemiser par un tube ferromagnétique 311.

La bobine 60 comporte quelque dizaines à quelques centaines de spires et capte les variations du flux magnétique dues au changement de l'aimantation magnétostrictive de la masse 30 selon son état vibratoire. Le courant 20, induit dans la bobine 60, présente un déphasage par rapport au courant 27 alimentant l'excitation électrique 3.

C'est pourquoi il est préamplifié, filtré, intégré puis remis en phase dans l'amplificateur-déphaseur 1 avant d'être envoyé dans l'amplificateur de puissance 2 qui alimente l'excitation électrique 3. La chaîne 60, 1 , 2 et 3 permet d'entretenir indéfiniment le résonateur sur sa fréquence de résonance, instantanément dés la mise sous tension, sans réglage préalable ni contrôle.

D'autre part, une partie du courant induit dans la bobine 60 est envoyée sur le comparateur électronique 4, qui comporte une mi- croprogrammation et commande les différents mécanismes 5 de réglage de la longueur apparente et/ou le déplacement du plan de fixation, afin de ramener les vibrations à leur maximum d'amplitude.

Dans l'une des réalisations possibles, le dispositif de réglage 5 est constitué par un moteur électrique (non représenté) dont l'axe 51 porte une roue dentée 511 qui met en rotation les bagues jumelées 320 et 321 , vissées sur le filetage extérieur des masses 30 et ou 40. La bague 321 porte un tube de section elliptique 322 et/ou des micro-pistons 323. Sous l'action d'une pression d'huile, commandée par une pompe oléo-pneumatique appartenant au dispositif 5, le tube elliptique (et/ou le piston) se déforme, exerce une pression sur la bague 320 et provoque le blocage des deux bagues 320 et 321 sur les filets du filetage 301.

Dans une, seconde réalisation, les masses 30 et/ou 40 comportent des tubulures capillaires, soit diamétrales 340, soit soudées à leur périphérie, reliées par les tubes souples 342 à un dispositif à commande oléo-pneumatique. Sous l'action d'un déplacement d'huile, une certaine quantité d'un liquide dense (mercure, gallium, etc.), contenu dans le réservoir 343, est poussé dans le capillaire ou inversement ramené dans le réservoir de façon à ajuster la longueur apparente de la masse vibrante.

Dans une autre réalisation, la masse 30 constitue l'armature d'un circuit magnétique constitué par les pièces 549,

FEUILLE DE REMPL 550 et 551 , de forte perméabilité magnétique. Ce circuit magnétique, fixé au boîtier de protection 75 par l'intermédiaire d'un bloc de caoutchouc dur 54, est magnétisé par la bobine 552 qui reçoit du comparateur un courant d'asservissement 554. Ce dispositif permet d'exercer une action très énergique sur la masse

30. L'effet peut encore être renforcé par l'emploi de matériaux magnétiques finement divisés 555, placés dans l'entrefer 556; 557 est un second entrefer, annulaire, tandis que 553 représente une ligne d'induction. On notera, dans ce montage, l'emploi du mode de fixation préférentielle par plaque centrale 9

Le second type de fixation se compose de la plaque porteuse 70, d'épaisseur 10 à 12 millimètres, percée d'un trou taraudé 72. La plaque 70 est amincie aux abords 71 du trou, jusqu'à une épaisseur de 4 à 5 millimètres au niveau du filetage 72. Le trou taraudé 72 se visse sur le filetage 301 de la masse cylindrique 40 ou celui de la masse 30. Dans ce cas, la masse 30 et/ou la masse 40 sont éventuellement prolongées d'une tranche de métal correspondant à une demie longueur d'onde. Le comparateur 4 commande, par l'intermédiaire de l'appareil de réglage 5, la rotation du résonateur afin de rechercher, par de petits déplacements transversaux, la coïncidence entre le plan nodal de la masse 30 ou 40 et le plan médian 700 de la plaque porteuse 70. Lorsque celle-ci est réalisée, le résonateur est verrouillé. Le blocage est assuré par un bague filetée 321 , munie d'un anneau elliptique déformable 322 et/ou de micro-piston 323.

Dans une autre réalisation, la fixation se fait par l'intermédiaire d'un boîtier 90 comportant un dispositif de suspension 92 fixé au deux plaques parallèles 91 qui prennent appui sur les épaulements 94 que présentent les masses 30 et 40 dans ce type de réalisation . L'assemblage et la précontrainte sont assurés par la vis de serrage 95 et la rondelle d'appu 96. 98 représente une bague d'isolement électrique. Deux tubulures 93, dont une seule est représentée, permettent le passage des conducteurs électriques et la mise sous pression par circulation du courant gazeux 97.

Pour faciliter le dessin, seule l'excitation par disques de céramiques piézoélectriques a été représenté, mais tout ce qui précède est valable, en principe, pour une excitation magnéto- strictive.

Dans certaines réalisations particulières, il peut être utile d'employer plusieurs bobines capteurss 60, 61 , 62, 63 et 64 dont les courants induits respectifs 20, 21 , 22, 23 et 24, sont

FEUILLE DE REMPLACEMENT analysés par une version élaborée du comparateur 4 afin de caractériser les vibrations des masses 30 et 40 ainsi que leur propagation,

Enfin, dans certaines réalisations, il peut être utile d'utiliser un embout focalisant dont la surface 304 est calculée pour concentrer l'énergie acoustique en un point F situé à quelques centimètres du plan 305.

Eh conclusion, l'utilisation de matériaux ferromagné¬ tiques, associés à l'emploi de capteurs et d'un dispositif d'analyse (comparateur) appropriés, permet :

- d'obtenir des courants caractérisant l'état vibratoire du système en ses différents points,

- de suivre toute dérive de la fréquence de résonance Fo,

- de compenser les excursions des plans nodaux et ventraux, de façon à conserver les conditions requises pour la résonance optimaje.

L'emploi de matériaux métalliques à très faible coeffi¬ cient de frottements internes, améliore considérablement le rendement mécanique. Ainsi, l'invention permet de réaliser des résona urs très performants qui constituent des sources d'ultra¬ sons très intenses, stables en fréquence et en puissance.

Il faut bien noter que, en plus des usages habituels des sonotrodes, ces résonateurs de puissance, asservis en fréquence et animés de fortes vibrations mécaniques, rendent possible l'étude - des onde de compression de très grande amplitude (plus proche de l'onde de choc que de la vibration sinusoïdale), - des propriétés des matériaux sous l'effet d'une telle sollicitation (amortissement, propagation non linéaire, viscoélas- ticité.frottements internes, fatigue etc.). Ainsi l'invention permet également l'étude de certains matériaux, de leur fatigue et de leur vieillissement sous des contraintes de l'ordre de la centaine de mégapascals, à des fréquence variant entre 10 kHz et 100 kHz.

FEUfLLE DE REMPLACEMENT

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé, applicable à la réalisation de divers types de résonateurs électromécaniques composites, susceptibles de nom¬ breuses applications dans différents domaines, utilisant:

- la création de courants électriques induits, grâce à l'effet ma- gnetostrictif, par les vibrations mécaniques animant ces résonateurs

- et l'asservissement en fréquence par ces courants, caractérisé en ce qu'il permet :

- l'obtention, après intégration, de signaux électriques propor- tionnels aux vibrations mécaniques et les représentant avec une fidélité satisfaisante,

- la visualisation, l'enregistrement et l'analyse ( notamment par transformation de Fourier ) des signaux électriques engen¬ drés par les vibrations mécaniques, - l'adaptation aux modifications des conditions aux limites liées aux changements d'impédance acoustique des milieux insonifiés,

- la réduction des pertes d'énergie, sous forme de chaleur, par l'utilisation de matériaux appropriés, ayant un très faible coefficient de frottements internes, - la mise en résonance forcée d'un système mécanique constitué par un ensemble de masses métalliques notamment les masses 30 et 40,

- la production de vibrations de grande amplitude (de l'ordre du millimètre), - la mise en oeuvre de très fortes contraintes , de l'ordre de la centaine de mégapascals,

- l'utilisation d'un domaine de fréquences allant de 10 kHz à 100 kHz, ledit procédé permettant : - d 'o bte n ir des générateurs performants d'ultrasons de puissance,

- de réaliser des sources d'intense cavitation dans les liquides,

- d'étudier, dans divers matériaux : - l'allure des vibrations mécaniques de grande amplitude ainsi que leurs répartitions spectrales, depuis l'onde sinusoïdale jusqu'à l'onde de choc, - la fatigue et le vieillissement de ces matériaux à des fréquences variant entre 10 kHz et 100 kHz.

2. Dispositif d'asservissement pour mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte :

FEUILLE DE REMPLACEMENT - des matériaux ferromagnétiques pour constituer le résonateur, totalement (masse 30 et/ou masse 40) ou partiellement (incrustations 300 ou chemise 301 ),

- une bobine capteur 60 (ou plusieurs bobines 61 , 62, etc.), entourant la masse 30 (et/ou la masse 40), bobine(s) desti¬ née^) à fournir, grâce à l'effet magnétostrictif, une tension électrique 20 (et ou des tensions électriques 21 , 22, etc.) induite(s) par les variations de flux magnétique dues aux variations d'aimantation produites par les vibrations mécaniques dans les masses ferromagnétiques.

3. Dispositif d'asservissement selon la revendication 2 , caractérisé en ce qu'il comporte :

- un comparateur 4 permettant :

. d'obtenir une (des) tension(s) électrique(s) représentatives(s) de l'état vibratoire du système (en un et/ou plusieurs points).

. et/ou de comparer la valeur actuelle de cette tension avec une valeur précédente et/ou avec une valeur de consigne, . et ou de comparer entre elles les tensions induites dans la bobine 60, avec la tension 21 induite dans la bobine 61 , . de comparer et/ou de prendre en compte les tensions induites dans l'ensemble des bobines captrices 60, 61 ,62, etc.

- un ensemble d'appareil de réglage 5, commandés par le compa¬ rateur 4 et permettant de modifier la longueur apparente de l'une quelconque ou des masses vibrantes 30 et/ou 40 de façon à obtenir ou à retrouver l'amplitude maximale de vibration.

4. Dispositif de modification de longueur apparente des masses vibrantes filetées, par déplacement et blocage de masse- lottes sur ce filetage, selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il se compose de deux bagues jumelées, munies d'un file- tage intérieur et d'une denture extérieure, entraînées ensemble en rotation par l'intermédiaire d'un pignon, l'une des bagues étant susceptible d'exercer sur l'autre une forte pression au moyen d'une partie déformable, sous l'action d'une commande oléo-pneumatique.

5. Dispositif de modification de longueur apparente par déplacement de masse à la surface ou à l'intérieur du résonateur selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte des tubulures, de très petit diamètre intérieur, percées dans la masse du résonateur ou bobinées et soudées à sa surface, susceptibles d'être plus ou moins remplies par un liquide dense par un moyen oléo-pneumatique.

6 . Dispositif de modification de longueur apparente selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique 549,550 et 551 permettant d'exercer une action très énergique sur la masse 30, action renforcée au besoin par, les matériaux magnétiques 555 ( poudres ou ferrofluides).

7. Dispositif de fixation pour mise en œuvre du procédé selon les revendications 2 et 3, dans une version simplifiée, caractérisé en ce qu'il comporte une fixation du résonateur sur un support quelconque ou à l'intérieur d'un boîtier de protection 70, par l'intermédiaire de l'épaulement 76 au moyen de la plaque 9

(dite centrale) .

8 Dispositif asservi (ou déclenché manuellement) selon les revendications 2 ,3 et 4 caractérisé en ce qu'il comporte, dans certaines réalisations :

- un filetage à filet simple ou multiple 301 sur l'une des masses 30 et ou 40 du résonateur,

- un trou taraudé 72, à bords amincis 71 , pratiqué sur la plaque 70 et destiné à recevoir la vis 301 , afin de fixer le résonateur sur un bâti ou dans un boîtier de protection,

- un système rotatif permettant un déplacement du résonateur selon son axe, par simple vissage ou dévissage, de façon à amener un plan nodal de vibration en coïncidence avec le plan moyen 700 de la plaque 70 puis son blocage,

- un système de blocage destinée à immobiliser le résonateur, dans la position optimale, sur le filetage 301 , à l'aide d'une bague filetée 321 , maintenue à proximité de la plaque 70 par une fixation souple et susceptible d'exercer sur elle une forte pression par commande oléo-pneumatique 322.

9. Dispositif selon les revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte, dans certaines réalisations, un boîtier de liai¬ son mécanique 90 comportant: deux plaques parallèles 91 prenant appui sur les épaulements 94, un système de fixation 92, deux tubulures 93 pour le passage des connexions électriques, la circulation d'un courant gazeux 97 et la création d'une surpression, boîtier constituant un moyen de suspension ou de fixation et un isolement électrique étanche.

10. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte, vissé à l'extrémité emettrice, un embout focalisant dont la forme est calculée pour obtenir une concentration d'énergie acoustique en un point de l'axe du résonateur et à quelques centimètres de l'extrémité emettrice.

FEUILLE DE REMPLACEMENT