y si alguien quiere enterarse ....
Limpieza por ultrasonidos
Piezoeléctrico y Magnetostrictivo Transductores Acústico electrónicos
Limpieza por ultrasonidos
Limpiar un elemento equivale a retirar de su superficie los cuerpos extraños. Esta operación se obtiene, generalmente, utilizando la combinación de una acción química, con detergentes, y una acción mecánica (ej. frotación). Se puede obtener una acción mecánica bastante enérgica y eficaz introduciendo en el líquido limpiador ondas acústicas de fuerte intensidad. Un transductor acústico electrónico, parecido a un altavoz, es capaz de transformar la energía eléctrica en energía sonora en un medio elástico, como por ejemplo el aire. Otros transductores acústico electrónicos similares (ultrasonidos) se utilizan para generar sonidos de alta energía en líquidos, con frecuencias superiores al límite auditivo del hombre.
Con el fin de comprender cómo una onda acústica ultrasonora puede crear una acción de lavado en una cuba, podemos utilizar como ejemplo el esquema siguiente, en el que se representa un recipiente con paredes metálicas, conteniendo líquido y, en el fondo, un transductor electromecánico capaz de emitir una potencia acústica de una frecuencia específica.
Transductor ultrasonidos
La onda acústica se propaga en el líquido a la velocidad del sonido, que es de aproximadamente 1.500 metros por segundo en el agua.
Este fenómeno comporta una vibración de las moléculas del líquido que aportan variaciones de presión a su alrededor y que, a la vez, provocan otros desplazamientos de las moléculas del líquido; y así sucesivamente.
Si consideramos qué es lo que sucede en una punto específico de la cuba, podemos observar una vibración de las moléculas con una frecuencia igual a la que es introducida por el transductor y, de la misma manera, una oscilación del valor instantáneo de la presión con la misma frecuencia.
El valor medio de la presión será el mismo que el valor que se obtiene en ausencia de onda sonora, es decir, el valor de la presión atmosférica adicionada a la del volumen del agua en tanto que valor instantáneo oscilará entre un valor mínimo y un valor máximo.
Hay que recordar que el estado físico del líquido o del vapor depende de la temperatura y de la presión. Por ejemplo, el agua hierve a 100 ºC si la presión atmosférica es de 1 Bar, pero se transforma en vapor con una temperatura inferior si la presión es lo suficientemente baja.
Si la intensidad de la onda acústica es lo bastante grande, en el momento en que la presión llegue al valor crítico se crea una burbuja de vapor, y continuará aumentando en volumen almacenando energía potencial en función de la duración de tiempo Tb.
Al final de este infinitesimal momento, cuando la presión sigue aumentando, el estado de vapor no continuará siendo posible y la burbuja de vapor explotará sobre un punto muy pequeño, virtualmente invisible, y restituirá entonces la energía precedente acumulada.
Aunque sea tan pequeña, la implosión de una simple burbuja crea una subida muy alta de energía ya que estallan en un instante.
Por analogía, puede usarse de ejemplo el martillo, que es capaz de acumular energía y de transmitirla en un instante produciendo valores de presión enormemente amplificados.
¿Qué frecuencia es necesaria seleccionar para la onda acústica?
Según lo que hemos podido ver anteriormente, podemos deducir que la intensidad y la amplitud de la súbita energía, creada por cada burbuja de vapor cuando explosiona a causa del fenómeno llamado cavitación, se calcula en función de la intensidad de la onda acústica aplicada y del tiempo Tb. de aumento en la burbuja de cavitación. Tb disminuye cuando la frecuencia aumenta y viceversa.
Con el fin de aprovechar el máximo de la energía creada por cada burbuja, escogeremos la frecuencia más baja posible: el límite inferior está constituido por la máxima frecuencia audible por el hombre, que está alrededor de 16 kHz.
Para algunas aplicaciones, por ejemplo la limpieza de moldes, es mejor operar con una frecuencia alrededor de 19 kHz.
Piezoeléctrico y Magnetostrictivo Transductores Acústico electrónicos
Para realizar el transductor, elemento que puede transformar la energía eléctrica en energía mecánica y, en consecuencia, igualmente en energía acústica, podemos escoger entre dos tecnologías diferentes:
Tecnología Piezoeléctrica
Consiste en utilizar las características de ciertos materiales cerámicos que modifican sus tensiones elásticas internas y su forma cuando se les aplica un campo eléctrico. Los elementos utilizados para crear ondas acústicas ultrasónicas tienen, normalmente, la forma de un anillo o, más exactamente, de un disco de varios milímetros de espesor y un diámetro de varios centímetros. Hay un agujero central que permite el paso sin ningún contacto de un tornillo de blocaje.
Cada transductor piezoeléctrico está constituido de varias partes, según el esquema siguiente:
Cada transductor está fabricado juntando dos cerámicas piezoeléctricas la una bajo la otra, entre las dos partes metálicas de aluminio y de acero y apretadas con un tornillo. El conjunto está calculado de forma que constituya una estructura mecánica con una propia frecuencia de oscilación, similar a la de la onda acústica deseada.
Se obtiene así un sistema resonante capaz de aumentar la amplitud del movimiento de las superficies de las cerámicas piezoeléctricas, cuando se aplique a estas últimas el campo magnético alterno, normalmente con varios cientos de voltios de tensión, y cuya frecuencia coincida exactamente con la resonancia mecánica.
Cada transductor está diseñado para ser capaz de crear 50 W de poder ultrasónico. Con el fin de realizar un diafragma que irradie 600 W de fuerza como la representada más abajo, es necesario aplicar 12 elementos, conectados en paralelo.
¿Por qué necesitamos dos cerámicas piezoeléctricas?
Porque el tornillo, necesario para conservar con la suficiente fuerza las dos partes, es metálico y provocaría un corto circuito entre las dos caras de la cerámica.
Si utilizamos dos cerámicas, poniendo especial atención en colocar cara a cara dos polaridades iguales, hemos resuelto el problema.
¿Por qué acero sobre el lado alejado de la pared de la cuba y aluminio en la cara más próxima de la pared?
Porque queremos que la transferencia de las cerámicas hacia la cuba sea la máxima posible y, por el contrario, que la de la parte opuesta, es decir el aire, sea la mínima.
Con la utilización de aluminio optimizamos la adaptación de la impedancia acústica entre el líquido y las cerámicas.
Por contra, con acero se consigue un máximo de reflexión en relación con el aire.
¿Cómo se obtiene la polarización de las cerámicas piezoeléctricas?
La fabricación de las cerámicas necesita de una formulación, una dosificación y una mezcla de diferentes elementos.
Se parte de un tipo especial de arena que se comprime en unos moldes específicos que reproducen la forma final. Una larga exposición en un horno a alta temperatura provoca la cristalización.
Se obtiene el aspecto normal de la cerámica. A continuación se realiza una serie de trabajos mecánicos como la rectificación de las superficies planas y su metalización.
La última fase corresponde al proceso de polarización: se obtiene aplicando un potencial eléctrico constante de algunos cientos de voltios a los electrodos (caras planas metalizadas) de la cerámica, mientras que esta última es sumergida en un baño de aceite diatérmico a una temperatura de algunos cientos de grados centígrados.
Finalmente, se deja enfriar la cerámica manteniendo siempre la tensión.
En este momento, la cerámica está polarizada.
Tecnología Magnetostrictiva
Un importante fenómeno asociado al ferromagnetismo se da en la variación de las tensiones elásticas internas de los cristales de un material ferromagnético cuando es sometido a la acción de un campo magnético. Se ha constatado que, a menudo, emana un ronroneo desde los transformadores de energía que suministran la corriente eléctrica y que son causados por la vibración de las láminas.
Sin embargo, se trata de un fenómeno útil empleado para la realización de los transductores ultrasónicos.
El mejor material para esta aplicación es el níquel, debido a las siguientes características:
Alta permeabilidad ferromagnética que comporta altos valores en la inducción, incluso con la aplicación de los valores moderados en el campo magnético.
Alta resistencia al ensayo mecánico.
Suficientemente dúctil: se puede laminar, cortar.
Inalterable a los agentes atmosféricos (no se oxida con la humedad).
Efecto magnetostrictivo elevado