ES2209038T3 - Dispositivo rotativo para la aplicacion de ultrasonidos y aplicacion del mismo. - Google Patents

Dispositivo rotativo para la aplicacion de ultrasonidos y aplicacion del mismo.

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ES2209038T3
ES2209038T3 ES98121219T ES98121219T ES2209038T3 ES 2209038 T3 ES2209038 T3 ES 2209038T3 ES 98121219 T ES98121219 T ES 98121219T ES 98121219 T ES98121219 T ES 98121219T ES 2209038 T3 ES2209038 T3 ES 2209038T3
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ES
Spain
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application
radial
radial surface
amplitude
ultrasound
Prior art date
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ES98121219T
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English (en)
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Joseph George Neuwirth
Thomas David Ehlert
Norman Rudolf Stegelmann
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Kimberly Clark Worldwide Inc
Kimberly Clark Corp
Original Assignee
Kimberly Clark Worldwide Inc
Kimberly Clark Corp
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Abstract

UNA BOBINA ROTATORIA ULTRASONICA A EXCITAR A UNA FRECUENCIA DE 18 KHZ APROXIMADAMENTE A 60 KHZ APROXIMADAMENTE, CUYA BOCINA COMPRENDE UN OBJETO METALICO SOLIDO CONFORMADO CON UNA SUPERFICIE RADIAL QUE TERMINA EN UN PRIMER EXTREMO Y UN SEGUNDO EXTREMO, Y UN EJE ROTATORIO, EN QUE CADA UNO DE LOS EXTREMOS ANTEDICHOS QUEDA DEFINIDO POR UNA SUPERFICIE Y EL OBJETO ES AXIALMENTE SIMETRICO CON LO QUE EL DIAMETRO, ANCHO Y GROSOR SE SELECCIONAN PARA UNA FRECUENCIA DESEADA DE MODO QUE DICHA BOCINA, AL SER EXCITADA CON UNA ENERGIA ULTRASONICA A TAL FRECUENCIA QUE SE INTRODUCE EN EL EJE ROTATORIO EN, Y SUSTANCIALMENTE PERPENDICULAR A, UNO O LOS DOS EXTREMOS, SE ADAPTE PARA RESONAR DE MODO QUE: (1) EL EXTREMO EXCITADO SE MUEVA SUSTANCIALMENTE EN FASE CON EL MOVIMIENTO DE LA FUENTE DE EXCITACION; (2) EL EXTREMO OPUESTO, TANTO SI HA SIDO ACTIVAMENTE EXCITADO COMO SI NO, SE DESFASE RESPECTO AL MOVIMIENTO DEL EXTREMO EXCITADO; (3) LA SUPERFICIE DE CONTACTO DE TRABAJO RADIAL ANTEDICHA SE DESFASE TAMBIEN SUSTANCIALMENTE RESPECTO AL MOVIMIENTO DEL EXTREMO EXCITADO; Y (4) DICHA BOCINA TENGA UN SOLO PUNTO NODAL EN SU CENTRO GEOMETRICO. EL DIAMETRO DE DICHA BOCINA ES DE 4 CM APROXIMADAMENTE A 19 CM APROXIMADAMENTE. EL ANCHO DE DICHA BOCINA POR LA PARTE DE SU SUPERFICIE RADIAL ES DE 0,6 CM APROXIMADAMENTE A 13 CM APROXIMADAMENTE. EL GROSOR DE DICHA BOBINA POR LA PARTE DEL EJE ROTATORIO DE LA MISMA ES DE 0,6 CM APROXIMADAMENTE A 15 CM APROXIMADAMENTE Y ES INDEPENDIENTE DEL ANCHO DE DICHA BOCINA POR LA PARTE DE SU SUPERFICIE RADIAL. DICHA BOCINA TIENE UNA MASA DE ENTRE 0,06 KG APROXIMADAMENTE Y 30 KG APROXIMADAMENTE. DICHOS PRIMER Y/O SEGUNDO EXTREMOS TIENEN UNA CONFIGURACION SUSTANCIALMENTE CONCAVA CON LO QUE QUEDA EXCLUIDA UNA BOCINA CON UN GROSOR MAYOR O IGUAL QUE EL DIAMETRO DE DICHA BOCINA; Y EL ANCHO DE DICHA BOCINA POR SU SUPERFICIE RADIAL Y EL GROSOR DE DICHA BOCINA SON TALES QUE EL PERFIL DE AMPLITUD SEA ESENCIALMENTE PLANO POR EL ANCHO DE DICHA SUPERFICIE RADIAL. LA BOCINA PUEDE COMPRENDER UNAS CAMPANAS EN CADA UNO DE LOS EXTREMOS, SIENDO LAS CAMPANAS PIEZAS SOLIDARIAS CON LA BOCINA; Y PUEDE COMPRENDER TAMBIEN UNOS PERNOS ROSCADOS QUE SOBRESALEN DE LOS EXTREMOS O DE LAS CAMPANAS. LA BOCINA ROTATORIA ULTRASONICA DE LA PRESENTE INVENCION ES PARTICULARMENTE UTIL EN PROCESOS CONTINUOS PARA LA UNION DE DOS O MAS CAPAS DE MATERIALES AL MENOS PARCIALMENTE TERMOPLASTICOS ENTRE SI, TALES COMO TEJIDOS TEJIDOS Y NO-TEJIDOS Y PELICULAS.

Description

Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos y aplicación del mismo.
La presente invención se refiere a un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos ("ultrasonic rotary horn").
La utilización de la energía en forma de ultrasonidos para la unión y/o corte de materiales termoplásticos de manera continua es bien conocida, siendo una de las primeras referencias la Patente inglesa Nº 1.018.971 de Bull de 1966. Las solicitudes de patente comprenden la soldadura continua o unión por puntos de artículos en rollo (Patente de Canadá Nº 1.092.052 de USS Engineers and Consultants, Inc.), la unión por ultrasonidos de materiales para formar un cierto dibujo o modelo en un elemento laminar de capas múltiples que es cortado a continuación de dicho elemento laminar (Patente U.S.A. Nº 3.562.041 de Robertson), el cierre estanco de los extremos de productos absorbentes individuales (Patente U.S.A. Nº 3.677.861 de Knauf), la laminación según un modelo o conformación de elementos laminares de género no tejido, entretelas de fibras ("fiberfill") y envolventes de tela tejida para producir colchones y cubiertas de cama (Patente U.S.A. Nº 3.733.238 de Long y otros), así como la unión y soldadura simultánea de dos elementos laminares para formar guantes (Patente U.S.A. Nº 3.939.033 de Grgach y otros).
Muchas aplicaciones de energía de ultrasonidos para la unión y/o corte de materiales termoplásticos comportan elementos de aplicación de ultrasonidos o "horns", o herramientas estacionarias (es decir, no rotativas), en las que la dirección de aplicación del dispositivo que actúa sobre la superficie coincide con la dirección de las vibraciones mecánicas aplicadas. Esos dispositivos de aplicación son cilindros escalonados o cuchillas escalonadas. Por lo tanto, la superficie de trabajo del elemento de aplicación es desplazada axialmente contra una base de soporte o yunque rígido de diseño adecuado, quedando dispuestos los materiales a unir o a cortar entre el dispositivo aplicador y el soporte o yunque.
En una interesante variación de la configuración del dispositivo rígido se conoce una referencia que da a conocer un dispositivo de aplicación que no entra en contacto con los materiales a unir. Ver Patente U.S.A. Nº 4.668.316 de Sager.
Otra configuración, que conduce más a operaciones de unión continua a alta velocidad, consiste en la de un dispositivo aplicador estacionario y un soporte o yunque rotativo; ver a título de ejemplo, las Patentes U.S.A. Nos. 3.562.041, 3.733.238 y 3.939.033, a continuación, Patentes U.S.A. Nos. 3.844.869 de Rust, Jr. (aparato para soldadura por ultrasonidos de materiales laminares) 3.993.532 McDonald y otros (soldadura por ultrasonidos en rollo, es decir, soporte o yunque rotativo con una cierta conformación), y Nº 4.659.614 de Vitale (género no tejido unido por ultrasonidos por la utilización de un yunque rotativo) y la solicitud de Patente alemana publicada Nº 2.259.203 de J.H. Benecke GmbH (mejora de las propiedades físicas de materiales no tejidos por unión por ultrasonidos). En esta configuración, los materiales a unir se hacen pasar de manera continua entre el dispositivo aplicador y el yunque rotativo. La velocidad lineal de los materiales es de manera típica igual a la velocidad tangencial de la superficie de trabajo del soporte o yunque rotativo. Ver, también, Patente U.S.A. Nº 3.575.752 de Carpenter en la que se utiliza un yunque rígido inmediatamente antes de un tambor de impulsión.
Si bien la utilización de un yunque rotativo fue una mejora significativa en los procesos de unión continua con aplicación de energía por ultrasonidos, dicha utilización tiene algunas limitaciones intrínsecas que afectan de manera adversa a la velocidad de la línea y a la calidad de la unión. Desde luego, es necesario hacer pasar de manera continuada el material a unir entre el estrecho intersticio formado por el yunque rotativo y el dispositivo de aplicación rígido y estacionario. Esto conduce frecuentemente a un efecto perjudicial en el borde delantero del dispositivo aplicador y también a posibles variaciones de compresión debido a faltas de uniformidad en el grosor del material. Por lo tanto, se crea una situación de pegado-deslizamiento que influye fuertemente en la eficacia de la transferencia de energía acústica. Esto afecta notablemente la calidad de la unión resultante lo que, a su vez, limita las velocidades de la línea. Este fenómeno limita también el volumen compresible o grosor de los materiales a unir.
Un enfoque para disminuir la magnitud de estas limitaciones ha sido el desarrollo de un dispositivo aplicador con perfil arqueado que presenta un intersicio progresivo convergente-divergente. Ver, por ejemplo, la Patente U.S.A. Nº 4.404.052 de Persson y otros. Otro enfoque ha sido el de orientar un dispositivo aplicador en forma de cuchilla escalonada modificada paralelamente a los elementos laminares a unir y situado entre ellos, tal como se muestra en la Patente U.S.A. Nº Re. 33.063 de Obeda. No obstante, es evidente que siempre que se utilice un dispositivo aplicador estacionario, los problemas asociados con movimiento del material a unir más allá del dispositivo de aplicación no se podrán eliminar de modo completo por el hecho de que es necesario un contacto íntimo para la transferencia eficaz de la energía acústica.
El enfoque que parece haber recibido más atención es la utilización de un dispositivo de aplicación con capacidad de giro (giratorio) conjuntamente con un soporte o yunque rotativo. Esta configuración se describe mejor como dos o más superficies cilíndricas que se encuentran en íntima proximidad entre sí y que giran en direcciones opuestas con iguales velocidades tangenciales. Los materiales a unir pasan entre las superficies cilíndricas a una velocidad lineal que es igual a las velocidades tangenciales de dichas superficies. Por esta razón, se elimina prácticamente la posibilidad de averías y de pegado-deslizamiento ("stick-slip").
El concepto de un dispositivo de aplicación de ultrasonidos de tipo rotativo, típicamente utilizado conjuntamente con un soporte o yunque rotativo para la unión de una serie de materiales es, desde luego, bien conocida. Ver, por ejemplo, las Patentes U.S.A. Nos. 3.017.792 de Elmore y otros (dispositivo vibratorio), 3.217.957 de Jarvie y otros (aparato de soldadura), 3.224.915 de Balamuth y otros (método para la unión de material termoplástico laminar por vibraciones de ultrasonidos), 3.272.682 de Balamuth y otros (aparato para la unión de material laminar termoplástico), 3.455.015 de Daniels y otros (método de soldadura por ultrasonidos y su aparato), 3.623.926 de Sager (método y aparato para el acoplamiento de elementos termoplásticos), 3.955.740 de Shoh (aparato para la soldadura vibratoria de costuras), 4.252.586 de Scott (método y aparato para la fabricación de un elemento para dispositivo de fijación deslizante con elementos de acoplamiento plegados y unidos moldeados de manera continua), 4.333.791 de Onishi (aparato de soldadura ultrasónica de costuras) y 4.473.432 de Leader y otros (engrapado térmico por puntos); Patentes rusas Nos. 178.656 (dispositivo de soldadura de costuras por ultrasonidos), 272.020 (aparato de soldadura de costuras por ultrasonidos), 277.524 (dispositivo de soldadura de metales por ultrasonidos), 524.699 (dispositivo de soldadura de costuras por ultrasonidos en materiales plásticos), 670.406 (aparato para la soldadura de costuras por ultrasonidos), y 785.051 (equipo para la soldadura de costuras de materiales polímeros); solicitudes de Patentes japonesas publicadas Nos. 51-69578 (sistema oscilador para soldadura continua por ultrasonidos de materiales plásticos) y 58-42049 (dispositivo para la unión continua por ultrasonidos para papeles fotográficos); Patente francesa Nº 1.459.687 (soldadura por ultrasonidos de un elemento laminar de aluminio sobre una placa de cristal, ver también Patente japonesa Nº 42-22222); solicitud de Patente alemana publicada Nº 3.147.255 de Licentia Patent-Verwal-tungs-GmbH (aparato para la soldadura de contactos de células solares y conectores); y Patente australiana Nº 260.888 de Knudsen y otros (rodillos de soldadura por ultrasonidos a utilizar en la fabricación de un depósito metálico).
También se conocen aplicaciones sin unión de dispositivos aplicadores de ultrasonidos de tipo rotativo, incluyéndose como ejemplos de las mismas a efectos de completar la información: Patentes U.S.A. Nos. 3.096.672 de Jones (rodillo vibratorio y su método), 3.292.838 de Farley (dispositivo rotativo de soldadura por ultrasonidos), 3.550.419 de Fox y otros (métodos y aparatos para laminado de metales), 3.620.061 de Cunningham y otros (diseño de transductores de ultrasonidos a utilizar con rodillos de laminación), 3.678.720 de Dickey y otros (vibrador de rodillos y método de nivelado), y 3.908.808 de Busker (calandrado ultrasónico de papel).
Un sistema de unión disponible a escala comercial que utiliza un dispositivo rotativo aplicador de ultrasonidos es ya conocido. Este sistema, fabricado por Mecasonic, empresa Francesa (se pueden conseguir suministros de la firma Mecasonic-KLN, Inc., Fullerton, California), explota el efecto de acoplamiento llamado Poisson. Se consigue un desplazamiento radial máximo en una zona de desplazamiento longitudinal mínimo que se encuentra a una cuarta parte de la longitud de onda desde el extremo libre de un eje circular de una longitud de onda que es excitado longitudinalmente por ultrasonidos, es decir, a lo largo de su eje por un conjunto de cristal piezoeléctrico. Un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que parece ser esencialmente igual que el dispositivo Mecasonic es el que se describe en la solicitud de Patente japonesa publicada Nº 51-69578, que se ha mencionado anteriormente. Ver asimismo la solicitud de Patente europea Nº 88402437.3, publicación Nº 0 313 425 A1 de la Société Mecasonic, que describe la utilización del dispositivo Mecasonic conjuntamente con un soporte o yunque rotativo o soporte para suavizar costuras recién cosidas en materiales flexibles.
Un dispositivo aplicador por ultrasonidos según el preámbulo de la reivindicación 1 es conocido, por ejemplo, de la Patente US-A-3 955 740.
Otros dispositivos aplicadores de ultrasonidos que muestran características similares a las del dispositivo Mecasonic se describen en las patentes FR-A-2 082 090 y DE-A-1 704 178. Ambos dispositivos de aplicación de ultrasonidos transforman una vibración longitudinal en vibración radial. Los dispositivos aplicadores tienen una forma geométrica tal, que su longitud es superior al diámetro máximo de los dispositivos. Un dispositivo aplicador de ultrasonidos similar se da a conocer también en la Patente US-A-3.955.740. Dicho dispositivo comprende un disco resonante en modalidad radial que establece contacto con una pieza a trabajar en una región nodal del dispositivo de ultrasonidos. La superficie de contacto con la pieza a trabajar del dispositivo de aplicación de ultrasonidos realiza un movimiento vibratorio normal a la superficie de la pieza a trabajar.
La parte de diámetro mayor o parte de disco del dispositivo aplicador está situada en una zona nodal longitudinal en la que el desplazamiento radial de la parte del disco es máxima, es decir, en el antinodo radial. La longitud total del dispositivo aplicador es igual a una longitud de onda y la distancia más corta desde el centro de la parte del disco al extremo libre o no impulsado del elemento de aplicación es una cuarta parte de la longitud de onda. Después de someter al dispositivo de aplicación a excitación por ultrasonidos en el extremo activado, cuando la fuente de excitación se desplaza hacia el extremo activado del aplicador, la totalidad del dispositivo se desplaza longitudinalmente alejándose de la fuente de excitación, mientras que la superficie radial se desplaza hacia adentro. Cuando la fuente de excitación se aleja del extremo activado, la totalidad del dispositivo aplicador se desplaza hacia el mismo mientras la superficie radial se desplaza hacia afuera. Si bien el movimiento radial se encuentra en un valor máximo en el centro de la parte del disco, disminuye con rapidez en cualquier dirección en la superficie de la parte del disco incrementando la distancia desde el nodo longitudinal (antinodo radial). En los casos en los que la resistencia de la unión es como mínimo en parte una función de la amplitud, esta variación de amplitud debe resultar en una variación en la resistencia de la unión. Por lo tanto, la anchura útil de la parte del disco se puede reducir a algo menos que la anchura real de 30 mm si se desea una resistencia de unión uniforme según la anchura de la zona de unión. Esta falta de uniformidad es claramente poco deseable, excepto que la resistencia mínima de la unión que se ha conseguido resista los esfuerzos ejercidos sobre la zona de unión.
Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo aplicador de ultrasonidos de tipo rotativo, mejorado, que pueda funcionar a una frecuencia de excitación comprendida aproximadamente entre 18 y 60 kHz y que proporcione una unión relativamente amplia u otro campo de proceso con características de amplitud relativamente constante según la anchura de la superficie radial, y rendimiento mejorado, así como otras características ventajosas. La invención, a efectos de cumplir con estas necesidades, proporciona un elemento rotativo de aplicación de ultrasonidos de acuerdo con las reivindicaciones independientes 1 y 2. Otras características ventajosas y otras ventajas del dispositivo de aplicación de ultrasonidos son evidentes de las reivindicaciones dependientes, de la descripción, ejemplos y dibujos. La invención da a conocer también tipos especiales de utilización del dispositivo de aplicación de ultrasonidos, de acuerdo con la reivindicación independiente 18. Otras aplicaciones del dispositivo de ultrasonidos serán evidentes de las reivindicaciones dependientes y de la descripción. La invención da a conocer además un aparato para la producción de uniones por ultrasonidos, de acuerdo con la reivindicación independiente 20. Otras características y detalles de este aparato quedarán evidentes de las reivindicaciones dependientes, de la descripción, de los ejemplos y de los dibujos.
La presente invención da a conocer también un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, que tiene características exclusivas, cuando funciona a una frecuencia comprendida aproximadamente entre 18 y 60 kHz. La presente invención se refiere también a una mejora en dicho dispositivo de aplicación de ultrasonidos que se refiere a la configuración de los extremos del dispositivo.
Por lo tanto, constituye un aspecto de la presente invención el dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, mejorado, que puede funcionar con una frecuencia de excitación desde 18 a 60 kHz aproximadamente.
Otro aspecto de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene capacidad de presentar una superficie radial efectiva mayor de 2,5 cm, aproximadamente.
Otro aspecto adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene capacidad de presentar una superficie radial efectiva mayor de unos 2,5 cm, cuya superficie tiene un perfil de amplitud radial relativamente constante.
Otro aspecto de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene una anchura de la superficie radial efectiva de unos 13 cm aproximadamente, cuya superficie tiene un perfil de amplitud radial relativamente constante.
Otro aspecto adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene capacidad de presentar una superficie radial efectiva mayor de unos 2,5 cm, con una proporción de la amplitud radial en la superficie radial con respecto a la amplitud longitudinal aplicada al dispositivo que tiene capacidad de ser, como mínimo, de uno aproximadamente con respecto a la anchura de la superficie radial del dispositivo.
Otro aspecto de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, mejorado, que posee una anchura de la superficie radial efectiva de unos 13 cm, siendo la proporción de la amplitud radial promedio en la superficie radial con respecto a la amplitud longitudinal aplicada al dispositivo, como mínimo, de uno con respecto a la anchura de la superficie radial del dispositivo.
Otro aspecto adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, mejorado, que después de ser excitado por energía de ultrasonidos que es introducida en uno o ambos extremos y, sustancialmente perpendicular a los mismos, a lo largo del eje de rotación de dicho dispositivo, está adaptado para resonar de manera tal que el movimiento del extremo excitado y el movimiento del extremo opuesto, tanto si está activamente excitado como no, se encuentran desfasados, desplazándose la superficie radial del dispositivo en desfase con el movimiento del extremo excitado, y el dispositivo muestra un punto nodal único en su centro geométrico.
Los anteriormente indicados y otros aspectos quedarán evidentes a los técnicos con una formación ordinaria en esta materia, después de tomar en consideración la descripción y reivindicaciones siguientes.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, ésta da a conocer un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos destinado a ser excitado a una frecuencia de aproximadamente 18 a 60 kHz, cuyo dispositivo comprende un objeto de metal sólido dotado de una determinada conformación, que posee una superficie radial terminada en un primer extremo y un segundo extremo, y un eje de rotación, siendo dicho objeto axialmente simétrico, de manera que el diámetro, anchura y grosor se seleccionan para una determinada frecuencia, de manera que dicho dispositivo de aplicación de ultrasonidos, después de ser excitado con energía de ultrasonidos a la frecuencia que es introducida en el eje de rotación en uno o ambos extremos y de manera sustancialmente perpendicular a los mismos, está adaptado para resonancia de manera tal que:
(1)
el extremo excitado se desplaza sustancialmente en fase con el movimiento de la fuente de excitación;
(2)
el extremo opuesto, tanto si está activamente excitado como no, se desplaza sustancialmente en desfase con el movimiento del extremo excitado;
(3)
dicha superficie de contacto de trabajo radial se desplaza también sustancialmente de manera desfasada con el movimiento del extremo excitado; y
(4)
dicho dispositivo muestra un único punto nodal en su centro geométrico,
caracterizado porque
(A)
el diámetro de dicho dispositivo se encuentra dentro de una gama de valores de 4 cm a 19 cm aproximadamente;
(B)
la anchura de dicho dispositivo en la mencionada superficie radial está comprendida entre 0,6 cm y 13 cm aproximadamente;
(C)
el grosor de dicho dispositivo en el eje de rotación del mismo está comprendido aproximadamente entre 0,6 cm y 15 cm y depende de la anchura del dispositivo en dicha superficie radial
(D)
dicho dispositivo tiene una masa comprendida aproximadamente entre 0,06 kg y 30 kg;
(E)
dichos primer y/o segundo extremos tienen una configuración substancialmente cóncava, de manera que se excluyen (dispositivos de ultrasonidos que tengan un grosor superior o igual que el diámetro de dicho dispositivo queda; y
(F)
la anchura de dicho dispositivo en la superficie radial y el grosor de dicho dispositivo son tales que el perfil de amplitud es esencialmente plano con respecto a la anchura de dicha superficie radial.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención prevé además un aparato para la unión por ultrasonidos de dos o más materiales entre sí, o para el proceso ultrasónico de un material, cuyo aparato comprende un dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos destinado a su excitación a una frecuencia comprendida aproximadamente entre 18 y 60 kHz, un dispositivo vibrador para proporcionar una fuente de vibración mecánica longitudinal acoplada a uno o ambos extremos de dicho dispositivo, opcionalmente con intermedio de una guía de ondas alargada, medios de soporte para dicho dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, medios de impulsión para la rotación de dicho dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos, y un soporte o yunque rotativo con gran proximidad a dicho dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos, caracterizado porque el dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos es un dispositivo según el primer aspecto de la invención.
En ciertas realizaciones preferentes, dicha superficie radial tiene un perfil, tal como se define a continuación, que es sustancialmente lineal, en cuyo caso el dispositivo se puede describir como sección cilíndrica circular recta. En otras realizaciones preferentes, dicha superficie radial tiene un perfil que es de tipo no lineal, en cuyo caso el dispositivo se puede describir como troncocónico con superficie curvilínea.
En otras realizaciones preferentes, el dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos objeto de la presente invención comprende cubos o muñones en cada uno de los dos extremos. En otras realizaciones preferentes, dichos cubos son partes integrales del dispositivo. En otras realizaciones preferentes, el dispositivo comprende unos salientes roscados que sobresalen de los extremos o de dichos cubos o muñones en caso de que existan. En otras realizaciones preferentes, dichos muñones son partes integrales del dispositivo. En otras realizaciones preferentes, se utiliza una guía de ondas alargada que forma parte integral del dispositivo. En otras realizaciones preferentes, los extremos del dispositivo son sustancialmente cóncavos o convexos.
En otras realizaciones preferentes, el primer y segundo extremos del dispositivo tienen una configuración sustancialmente cóncava que comprende una parte central, circular, plana que es concéntrica con dicho eje de rotación, y una parte de forma general convexa desde dicha parte plana a la superficie radial, en la que:
(a) el diámetro de dicha parte plana es, como mínimo, aproximadamente 20 por ciento del diámetro del dispositivo;
(b) dicha parte de forma general convexa es una superficie curvada que tiene simetría axial y un perfil curvilíneo en sección transversal por dicho eje de rotación, que descansa en el área triangular definida por (i) una línea recta que conduce desde el límite externo de dicha parte plana al borde de dicha superficie radial; (ii) una línea recta que es paralela al eje de rotación y que empieza en el límite externo de dicha parte plana; y (iii) una línea recta que es perpendicular al eje de rotación y que se extiende desde el borde de dicha superficie radial a dicha línea recta paralela al eje de rotación;
(c) el dispositivo tiene una variancia no superior aproximadamente al 20 por ciento sobre dicha superficie radial; y
(d) la relación de la amplitud radial promedio a la amplitud longitudinal es, como mínimo, de 1.
El dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, según la presente invención, es particularmente útil en procesos de unión y/o corte de tipo continuo, tales como unión entre sí de dos o más capas de materiales termoplásticos, por ejemplo, telas de tipo tejido y no tejido, y elementos laminares; perforación por ultrasonidos de un material; y similares.
Las figuras 1-2 son representaciones esquemáticas de diferentes realizaciones del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos al que hace referencia la presente invención.
Las figuras 3-14, inclusive, son representaciones esquemáticas de diferentes realizaciones del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos objeto de la presente invención.
La figura 15 es una representación esquemática de un extremo de una realización del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la presente invención, mostrando las variables de tres ecuaciones diferentes que se pueden utilizar para determinar la curvatura de los extremos sustancialmente cóncavos.
La figura 16 es una representación esquemática de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos similar al de la figura 7 y que muestra los parámetros dimensionales del dispositivo.
La figura 17 es una representación esquemática de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de tipo comercial, que identifica los parámetros dimensionales del dispositivo.
La figura 18 es una representación esquemática de la disposición experimental y equipos requeridos para medir las características acústicas y mecánicas de los dispositivos rotativos para la aplicación de ultrasonidos, por ejemplo, un dispositivo según la presente invención, representado por la figura 16, y un dispositivo similar de tipo comercial, representado en la figura 17.
Las figuras 19 y 20 muestran los puntos en los que se han tomado mediciones para determinar las características acústicas y mecánicas de los dispositivos representados por las figuras 16 y 17, respectivamente.
Las figuras 21 y 22 muestran las definiciones de dispositivos "en fase" y "desfasados" representados en las figuras 16 y 17, respectivamente, cuyas definiciones se utilizan en las descripciones de las características acústicas y mecánicas de los dos dispositivos.
La figura 23 consiste en las representaciones de los perfiles de la amplitud radial de las superficies de contacto de trabajo de los dispositivos rotativos de aplicación de ultrasonidos representados por las figuras 16 y 17.
La figura 24 es un gráfico de la frecuencia resonante de modalidad más grave de 20 kHz del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos objeto de la presente invención con respecto al diámetro del dispositivo y muestra la dependencia de parámetros de frecuencia con respecto al diámetro del dispositivo.
La figura 25 es un gráfico similar al de la figura 24, excepto que las variables son la frecuencia resonante y la masa del dispositivo; la figura muestra el efecto relativo sobre la frecuencia cuando se varía la masa al cambiar el diámetro del dispositivo o la anchura del mismo.
La figura 26 es una representación esquemática de la disposición experimental y equipo requerido para determinar las formas de los dispositivos de las figuras 16 y 17.
Las figuras 27 y 28 muestran los puntos en los que se han tomado mediciones para determinar las formas modales de los dispositivos representados en las figuras 16 y 17, respectivamente.
La figura 29 es una representación esquemática bidimensional de la forma modal del dispositivo según la presente invención, es decir, el dispositivo representado en la figura 16.
La figura 30 es una representación esquemática bidimensional de la forma modal de un dispositivo de tipo comercial, es decir, el dispositivo representado en la figura 17.
La figura 31 es un gráfico de la ganancia promedio con respecto a la anchura del dispositivo para una serie de dispositivos similar al de la figura 16, es decir, dispositivo según la presente invención.
La figura 32 es una representación esquemática de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos similar al de la figura 10 y muestra los parámetros de dimensiones del dispositivo.
La figura 33 muestra los puntos en los que se han tomado mediciones para determinar las características acústicas y mecánicas del dispositivo mostrado en la figura 32.
La figura 34 muestra los gráficos de perfil de amplitud radial de la superficie de contacto de trabajo del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos representado en la figura 32 en cada una de tres combinaciones amplificadoras separadas.
La figura 35 es una representación esquemática de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos similar al de la figura 11, mostrando los parámetros de dimensiones del dispositivo. La figura 36 muestra los puntos en los que se han tomado las mediciones para determinar las características acústicas y mecánicas del dispositivo representado en la figura 35.
La figura 37 es un gráfico de la frecuencia resonante en modalidad más grave de un dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos de 40 kHz, según la presente invención, con respecto al diámetro del dispositivo, y muestra la dependencia de los parámetros de frecuencia con respecto al diámetro del dispositivo.
La figura 38 es una representación esquemática de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos similar al de la figura 6, y muestra los parámetros dimensionales del dispositivo.
La figura 39 muestra los puntos en los que se han tomado mediciones para determinar las características acústicas y mecánicas del dispositivo representado en la figura 38.
La figura 40 es una vista esquemática desde un extremo que muestra los parámetros dimensionales de una realización preferente del dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos de la presente invención, cuya realización se refiere a la configuración de los extremos del dispositivo.
La figura 41 es una representación esquemática desde un extremo de la cuarta parte superior derecha del dispositivo de la figura 40, indicando el perfil del extremo en sección pasando por el eje de rotación del dispositivo.
La figura 42 es un gráfico del porcentaje de amplitud máxima sobre la superficie radial del dispositivo de la figura 40, con respecto a la distancia desde el extremo excitado.
Tal como se utiliza en esta descripción, los términos "unión" y "soldadura" son sinónimos y se refieren simplemente a la unión sustancialmente permanente de, como mínimo, una capa de un material con otra capa de un material similar o distinto. La naturaleza de los materiales a unir no se sabe que sea crítica. No obstante, la presente invención es particularmente útil en la unión de dos o más capas de materiales que se seleccionan entre el grupo que consiste en telas tejidas, telas no tejidas, y elementos laminares o películas que preferentemente están realizados, por lo menos en parte, a partir de polímeros termoplásticos. Tal como se ha indicado anteriormente, la presente invención es útil también en procesos que comportan la perforación de un material por ultrasonidos.
Debe ser evidente que se puede conseguir una unión adecuada por una serie de mecanismos. Por ejemplo, la unión puede resultar de la fusión parcial o completa en la zona de unión de la totalidad de los materiales a unir. En este caso, existe una fusión parcial o completa en el área de unión de dichos materiales. De manera alternativa, la unión puede resultar de la fusión parcial o completa de uno o varios materiales a unir, de manera que el material parcial o completamente fundido fluye hacia adentro o sobre los materiales adyacentes, lo que tiene como resultado a su vez una interconexión mecánica de un material con el otro.
Tal como se utiliza en esta descripción, el término "tela" se utiliza de manera amplia con el significado de una lámina u hoja de un material tejido o no tejido que puede ser continuo, tal como un rollo, o discontinuo.
El término "modalidad más grave" se utiliza con el significado de la modalidad resonante más fundamental de vibración para una geometría determinada en un conjunto determinado de condiciones.
El término "amplitud" se utiliza en esta descripción con el significado de la distancia de desplazamiento máximo de una superficie en su excitación o recorrido total pico a pico. Este desplazamiento o recorrido se indica en esta descripción en micras. El término "rendimiento" se utiliza en esta descripción con el significado de amplitud por vatio introducido o potencia de excitación, y tiene por lo tanto las unidades de micras por vatio.
Los términos "proporción de amplitud" y "ganancia del dispositivo" se utilizan de manera intercambiable con el significado de la proporción de amplitud radial con respecto a la amplitud longitudinal. Tal como se aplica al dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la presente invención, la amplitud radial es la amplitud de la superficie radial del dispositivo y la amplitud longitudinal es la amplitud de un extremo. Si no se indica de otro modo, la amplitud longitudinal se refiere al movimiento del extremo excitado. Dado que la ganancia del dispositivo es una proporción de valores que tienen las mismas unidades, su valor carecerá de unidades.
El término "ganancia" o "ganancia de amplificación" se utiliza en esta descripción con el significado de la proporción de amplitud longitudinal de salida con respecto a la amplitud longitudinal de entrada de un amplificador. El término "ganancia total" se refiere a la ganancia combinada de dos amplificadores utilizados en combinación. Estos tres términos de ganancia son, desde luego, términos sin unidades.
"Variancia" es una forma cómoda de expresar matemáticamente un perfil de amplitud. Es un valor calculado para la superficie radial del dispositivo aplicador de ultrasonidos. La variancia se calcula como diferencia entre el valor de amplitud más elevado y el valor de amplitud más bajo dividido por el valor más alto, multiplicado por 100. Por lo tanto, la variancia es un porcentaje.
Tal como se utiliza en esta descripción, el término "anchura" se refiere, en general, a la anchura de la superficie radial del grosor del dispositivo en la superficie radial. El término "grosor" se utiliza preferentemente para hacer referencia a la anchura o grosor del dispositivo en el eje central o eje de rotación del dispositivo. No obstante, los términos son utilizados en algunos casos de manera general, pero si se utilizan de esta manera, el significado quedará claro a partir del contexto. Dicho de modo distinto, si no se desprende otro significado más amplio del contexto, cada uno de los términos indicados tendrá el significado que se ha explicado.
El término "sustancialmente cóncavo" se utiliza en relación con una superficie de un extremo de una realización preferente con respecto a la configuración de los extremos, con el significado de que no hay parte alguna de dicha superficie que se extienda hacia afuera más allá del plano definido por el borde de la superficie radial más próximo a dicha superficie, siendo dicho plano perpendicular al eje longitudinal del dispositivo.
Haciendo referencia a continuación al dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos según la presente invención, el objeto metálico macizo, dotado de una conformación determinada, que comprende el dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos según la presente invención, se designa frecuentemente como dispositivo de la presente invención o bien, cuando lo permite el contexto, simplemente como "el dispositivo" o "dicho dispositivo" o variaciones del mismo. El extremo excitado es un extremo en el que se aplica la excitación mecánica cíclica en el eje de rotación, de manera directa o con intermedio de un vástago, eje y/o guía de ondas o amplificador. El término "el otro extremo" significa solamente el extremo restante, tanto si dicho extremo es un extremo excitado o no. Cualquiera de los extremos puede ser soportado por un dispositivo de soporte adecuado o por un dispositivo de guía de ondas o amplificador. Además, ambos extremos pueden ser extremos activados o excitados, en cuyo caso la relación de los extremos entre sí y con respecto a otras superficies todavía se cumplen, y las reivindicaciones están destinadas a tener esta interpretación.
Será evidente que los términos "primer extremo" y "segundo extremo" son sinónimos con los términos "extremo excitado" y "otro extremo". El primer par de términos hace referencia estructuralmente al dispositivo, y el segundo par se refiere funcionalmente al dispositivo. Por lo tanto, el dispositivo tiene claramente dos extremos solamente, es decir, un "primer extremo" y un "segundo extremo", de los que uno o ambos pueden ser un "extremo excitado". Si solamente un extremo es un extremo excitado, entonces el segundo extremo es "otro extremo". Si ambos extremos son extremos excitados, el "otro extremo" es también un "extremo excitado".
Después de someter el dispositivo de la presente invención a excitación mecánica por ultrasonidos, suponiendo que exista solamente un extremo único excitado, cuando la fuente de excitación se desplaza hacia el extremo excitado del dispositivo, el extremo excitado se aleja de la fuente de excitación. Por lo tanto, el extremo excitado se desplaza hacia adentro, hacia el interior del dispositivo (o hacia el otro extremo). No obstante, el otro extremo se desplaza también hacia adentro hacia el interior del dispositivo (o hacia el extremo excitado o fuente de excitación). Si bien ambos extremos se desplazan hacia adentro hacia el interior del dispositivo, se mueven en direcciones opuestas. Por lo tanto, los movimientos de los extremos entre sí se dice que se encuentran desfasados. Los movimientos de los extremos estarían en fase si se desplazaran en la misma dirección, es decir, en alejamiento de la fuente de excitación, tal como la fuente de excitación se desplaza hacia el dispositivo. De manera coherente con la definición anterior de "desfasado", los movimientos de los extremos se encontrarían en fase si los extremos se desplazan en la misma dirección, por ejemplo, en alejamiento de la fuente de excitación al desplazarse dicha fuente de excitación hacia el dispositivo. En este caso, el extremo excitado se desplazaría hacia adentro o hacia el interior del dispositivo, al desplazarse el otro extremo hacia afuera o en alejamiento con respecto a dicho dispositivo. El movimiento del extremo excitado, desde luego, se encontrará siempre en fase con el movimiento de la fuente de excitación. Como consecuencia, el movimiento del otro extremo se encontrará siempre desfasado con respecto a la fuente de excitación.
Cuando ambos extremos son extremos excitados, debe ser evidente para los técnicos ordinarios en la materia que los movimientos de los extremos entre sí se deben sincronizar con los movimientos que se han descrito, a efectos de evitar el imponer esfuerzos adicionales al dispositivo.
Al desplazarse la fuente de excitación hacia un dispositivo con el movimiento simultáneo del extremo excitado hacia adentro, hacia el interior del dispositivo, el movimiento de la superficie radial del dispositivo de la presente invención tiene lugar hacia afuera o en alejamiento del eje de rotación. Este movimiento de la superficie radial con respecto al movimiento del extremo excitado se define como desfasado. Por otra parte, si la superficie radial se desplaza hacia adentro, hacia el eje de rotación, este movimiento con respecto al movimiento hacia adentro del extremo excitado se definiría como movimiento en fase.
Debe ser evidente para un técnico ordinario en la materia que las definiciones anteriormente realizadas de "desfasado" y "en fase" son arbitrarias o subjetivas. Lo que es importante, no obstante, no son las definiciones que se escojan, sino la forma en que las definiciones se aplican a los diferentes dispositivos. Esto quedará más evidente de los ejemplos en los que se describen, de manera más detallada, los movimientos de las superficies radiales y de los extremos excitados.
Dado que los movimientos de los extremos y la superficie radial del dispositivo de la presente invención que se ha descrito, existe un solo punto nodal cuando el dispositivo está excitado, en el que no tiene lugar movimiento de ningún tipo. Este punto se encuentra en el eje de rotación y está situado en el eje geométrico del dispositivo. Es una característica distintiva significativa del dispositivo de la presente invención.
La configuración de la superficie radial del dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos según la presente invención se describe de manera típica como poseedor de un perfil determinado. Utilizado de este modo, el término "perfil" hace referencia a la línea que describe la superficie radial cuando se observa en sección transversal por el eje de rotación del dispositivo. Por lo tanto, cuando la superficie radial es plana, es decir, cada punto de la superficie radial se encuentra equidistante con respecto al eje de rotación del dispositivo, el perfil de la superficie radial se dice que es lineal. De manera similar, si la superficie radial ha sido dotada de rugosidad, por ejemplo, por chorro de arena, proyección de plasma o recubrimiento texturado de cromo, pero por otra parte es sustancialmente plana, el perfil de la superficie radial es sustancialmente lineal. Si la superficie radial no es plana, por ejemplo, la superficie tiene una o varias zonas elevadas (mesetas) o zonas rebajadas (ranuras o valles), el perfil es no lineal. El término "no lineal" está destinado a su comprensión amplia en cuanto a su alcance y sin limitación en cuanto a las realizaciones específicas mencionadas de forma ilustrativa. Por lo tanto, si el perfil es no lineal, la superficie radial puede tener características distintas, tales como una o varias zonas planas o mesetas, o bien ranuras, o bien una superficie curvada que cambia suavemente o gradualmente, o bien alguna combinación de características distintivas y una superficie curvada que cambia gradualmente.
Tal como se ha indicado anteriormente, el dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos objeto de la presente invención comprende un objeto metálico macizo y dotado de una conformación determinada. En general, cualquier metal que tenga características acústicas y mecánicas adecuadas podrá ser utilizado. No obstante, desde el punto de vista práctico, los metales más adecuados son aluminio, monel, titanio y algunos aceros aleados. En caso deseado, el dispositivo puede ser dotado de un recubrimiento o revestimiento de otro metal para reducir el desgaste por abrasión. Para aplicaciones que requieren una elevada amplitud y elevados esfuerzos, el titanio es preferente. En general, estas variables tales como diámetro, masa, anchura y grosor del dispositivo, así como la configuración de los extremos del mismo, no son críticas a condición de que dichas variables se encuentran dentro de las gamas de valores que se especifican en esta descripción. Estas variables son críticas, no obstante, si se desea un dispositivo con resonancia en la modalidad más grave con una frecuencia específica y con una amplitud determinada. Dicho de otro modo, cualquier dispositivo para la aplicación de ultrasonidos que se encuentre dentro de las especificaciones que se indican en esta descripción vibrará de la forma más grave a una frecuencia determinada, pero dicha frecuencia determinada puede ser más baja o más alta que la frecuencia deseada o considerada óptima para la aplicación específica. Se consigue vibración en la modalidad más grave a la frecuencia deseada, al ajustar el diámetro del dispositivo de aplicación de ultrasonidos. La proporción de amplitud o ganancia depende principalmente de la proporción grosor: anchura.
En su forma más simple, un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que hace referencia a la presente invención, se ha representado esquemáticamente en la figura 1A que muestra una vista en planta y una vista en sección, según la línea de corte A-A, tal como se aprecia en las figuras 1-15, ambas inclusive. En la figura 1A, el dispositivo (10) tiene una superficie radial (11), un primer extremo (12), un segundo extremo (13), y una sección transversal circular representada por el extremo (12). Los extremos (12) y (13) son planos, paralelos y normales al eje de rotación (14) del dispositivo (10). El extremo (12) tiene un orificio cilíndrico (15) y el extremo (13) tiene el orificio cilíndrico (16), estando centrado cada uno de dichos orificios (15) y (16) alrededor del eje de rotación (14). Por lo tanto, los orificios (15) y (16) y los extremos (12) y (13) son concéntricos.
En caso deseado, los orificios (15) y (16) pueden ser roscados, para aceptar vástagos o ejes, o bien se pueden soldar vástagos o se pueden fijar de otro modo al dispositivo (10). De manera alternativa, y de forma preferente, los vástagos roscados salientes son mecanizados en su propio lugar durante el proceso de mecanización del dispositivo (10). Si los vástagos para montar o fijar ejes no se mecanizan como parte integral del dispositivo, la vida del dispositivo durante su utilización se reduce de manera significativa.
La utilización del término "parte integral" con respecto a cualquier característica o componente del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la presente invención, significa que dicha característica o componente está constituida a partir de la misma pieza de material que el dispositivo para la aplicación de ultrasonidos, de manera que no hay discontinuidades estructurales entre dicha característica o componente y el dispositivo. Así pues, cualquier característica o componente que se deba fijar de manera subsiguiente al dispositivo por cualquier medio, no forma parte integral del dispositivo.
Esta realización preferente se ha mostrado en la figura 1B, que es una vista en sección según la línea A-A de la figura 1A. El dispositivo (10) es idéntico al dispositivo de la figura 1A, excepto que, en lugar de los orificios (15) y (16), unos vástagos roscados (15A) y (16A), respectivamente, se encuentran presentes como partes integrales del dispositivo (10). Estos vástagos son concéntricos con los extremos (12) y (13).
Una variación del dispositivo mostrado en la figura 1B es la que se muestra en la figura 1C, que muestra una vista en planta y una sección transversal según la línea de corte A-A. Conceptualmente, el dispositivo (10) de la figura 1C es el dispositivo (10) de la figura 1B, a la que se han roscado sobre los vástagos (15A) y (16A), respectivamente, los cubos (17) y (18) que tienen un orificio roscado que los atraviesa, acoplándose de manera íntima contra los extremos (12) y (13). El dispositivo (10) y los vástagos (17) y (18) pueden quedar realizados en el mismo metal o en metales distintos, si bien la utilización del mismo metal es preferente.
Se debe observar que, si bien son preferentes unos elementos en forma de cubos o núcleos, éstos se muestran solamente en las figuras 1B, 1C, 2B, 2C, 7 y 8, a efectos de ilustrar las variaciones que son posibles con respecto al dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos de la presente invención. La ausencia de dichos cubos en otras figuras, no obstante, no se debe considerar en modo alguno como limitadora del espíritu o ámbito de la presente invención.
Si se incluye un cubo en cada extremo como una parte integral del dispositivo (10) de la figura 1A, se consigue el dispositivo rotativo para aplicación de ultrasonidos de la figura 2A. De este modo, el dispositivo (20) tiene una superficie radial (21), un primer extremo (22), un segundo extremo (23) y una sección transversal circular, tal como se ha representado por el extremo (22). Los extremos (22) y (23) son planos, paralelos y perpendiculares al eje de rotación (24) del eje (20). El extremo (22) tiene un cubo (25) y el extremo (23) tiene el cubo (26). Cada uno de dichos cubos es circular y concéntrico con los extremos (22) y (23). Los orificios cilíndricos (27) y (28) están situados en los cubos (25) y (26), respectivamente, centrados alrededor del eje de rotación (24). Por lo tanto, los orificios (27) y (28), y los cubos (25) y (26) son concéntricos con los extremos (22) y (23). Si bien los cubos (25) y (26) se pueden mecanizar separadamente del dispositivo (20) y se pueden soldar o fijar de otro modo a los extremos (22) y (23), respectivamente, es preferible que los cubos estén mecanizados como parte integral del dispositivo (20), tal como se ha mostrado en la figura 2A.
Se debe observar en este punto que el grosor del dispositivo comprende el grosor de los cubos, en caso de que existan, pero no comprende la dimensión de los vástagos, en caso de que existan, que sobresalen de las superficies de cualquiera de los extremos del dispositivo o de las superficies externas de los cubos.
Igual que en el dispositivo de la figura 1A, los orificios (27) y (28) pueden ser roscados para recibir vástagos o ejes o bien se pueden soldar dichos vástagos o se pueden fijar de otro modo a los cubos (25) y (26), respectivamente, del dispositivo (20). De forma alternativa y preferentemente, los ejes o vástagos son mecanizados en su lugar durante el proceso de mecanización del dispositivo (20), realización que se ha mostrado en la figura 2B, que es una vista en sección transversal según la línea de corte A-A de la figura 2A. El dispositivo (20) es idéntico al dispositivo de la figura 2A, excepto que, en lugar de orificios (27) y (28), se encuentran presentes respectivamente unos vástagos roscados (27A) y (28A) como partes integrales del dispositivo (20). Estos vástagos son concéntricos con los extremos (22) y (23). Si ninguno de los orificios (28) ni el vástago roscado (28A) se encuentra presente en el extremo (23), se consigue el dispositivo de la figura 2C, que se ha mostrado solamente en sección transversal.
La figura 3 muestra un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos según la presente invención, en el que un extremo del dispositivo de la figura 1A se ha sustituido por un extremo de forma cóncava y se ha eliminado el orificio del otro extremo. De este modo, el dispositivo (30) tiene una superficie radial (31), un primer extremo (32), un segundo extremo (35) y una sección transversal circular, tal como se ha representado por el extremo (32). El extremo (32) es cóncavo, siendo su superficie la de un segmento de esfera con un radio (33) y un eje (34) situado sobre el eje de rotación (36) del dispositivo (30). La tangente (37) al extremo (32) en el punto en el que el extremo (32) corta el eje de rotación (36) del dispositivo (30) es perpendicular al eje de rotación (36). El extremo (35) es plano y normal al eje de rotación (36) del dispositivo (30) y paralelo a la tangente (37). El extremo (32) tiene un orificio cilíndrico (38) que está centrado alrededor del eje de rotación (36). Por esta razón, el orificio (38) y los extremos (32) y (35) son concéntricos.
Desde luego, el orificio (38) puede quedar situado en un extremo (35) en vez de encontrarse en el extremo (32). Los cubos y los vástagos o ejes pueden también existir, en caso deseado, tal como se ha descrito para los dispositivos (10) y (20) de las figuras 1A y 2A, respectivamente.
El dispositivo (40) de la figura 4 es una variación del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la figura 3. El dispositivo (40) tiene una superficie radial (41), un primer extremo (42), un segundo extremo (47), y una sección transversal circular tal como se ha representado por el extremo (42). El extremo (42) es cóncavo, consistiendo la superficie del mismo, en sección transversal, en los segmentos planos (43), (44) y (45). Los segmentos planos (43) y (45) son iguales en anchura y forman un ángulo (46) con respecto a la superficie radial (41) que es sustancialmente paralela al eje de rotación (48). El segmento plano (44) es normal al eje de rotación (48) y es concéntrico con el extremo (42). El extremo (47) es plano y normal al eje de rotación (48) del dispositivo (40) y paralelo al segmento plano (44). El extremo (47) tiene el orificio cilíndrico (49) que está centrado alrededor del eje de rotación (48). De este modo, el orificio (49), los extremos (42) y (47) y el segmento plano (44) son concéntricos.
El orificio (49) puede quedar situado en el extremo (42) en vez de encontrarse en el extremo (47), y los cubos o ejes pueden también encontrarse presentes, en caso deseado, tal como se ha descrito para los dispositivos de aplicación (10) y (20) de las figuras 1A y 2A, respectivamente.
La figura 5 muestra un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que es también una variación del mostrado en la figura 3. En la figura 5, el dispositivo (50) tiene una superficie radial (51), un primer extremo (52), un segundo extremo (55) y una sección transversal circular tal como se ha representado por el extremo (52). El extremo (52) es sustancialmente cóncavo, pero tiene un cubo (53) que se extiende más allá del borde (54) de la superficie radial (51). El cubo (53) tiene una cara (53A) plana y normal al eje de rotación (56) del dispositivo (50). Además del cubo (53), el extremo (52) queda definido en sección transversal por las líneas curvadas (52A) y (52B) que son idénticas (es decir, imágenes simétricas o especulares), de manera que el extremo (52) es simétrico radialmente. El extremo (55) es plano y normal al eje de rotación (56) del dispositivo (50) y paralelo a la cara (53A) del cubo (53). El extremo (52) tiene un orificio cilíndrico (57) centrado alrededor del eje de rotación (56). Por lo tanto, el orificio (57), el cubo (53) y los extremos (52) y (55) son concéntricos.
Son también posibles variaciones tales como las descritas en relación con las figuras anteriores, con el dispositivo de la figura 5.
La figura 6 muestra un dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos según la presente invención en el que ambos extremos son sustancialmente cóncavos y ambos extremos tienen cubos. Por lo tanto, el dispositivo (60) tiene una superficie radial (61), un primer extremo (62), un segundo extremo (65), y una sección transversal circular representada por el extremo (62). El extremo (62) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (63) que se extiende hacia afuera desde el extremo (62) pero que está rebajado con respecto al borde (64) de la superficie radial (61). El cubo (63) tiene la cara (63A) plana y normal al eje de rotación (68) del dispositivo (60). Además del cubo (63), el extremo (62) está definido en sección transversal por las líneas curvas (62A) y (62B) que son idénticas, de manera que el extremo (62) es simétrico radialmente. El extremo (62) tiene el orificio cilíndrico (63B) centrado en la cara (63A) del cubo (63) alrededor del eje de rotación (58). De manera similar, el extremo (65) es sustancialmente cóncavo y tiene un cubo (66) que se extiende hacia afuera desde el extremo (65), pero que está rebajado respecto al borde (67) de la superficie radial (61). El cubo (66) tiene la cara (66A) plana y normal al eje de rotación (68) del dispositivo (60). Además del cubo (66), el extremo (65) está definido en sección transversal por las líneas curvadas (65A) y (65B) que son idénticas, de manera tal que el extremo (65) es radialmente simétrico. El extremo (65) tiene el orificio cilíndrico (66B) que está centrado en la cara (66A) del cubo (66) alrededor del eje de rotación (68). De este modo, los orificios (63B) y (66B), los cubos (63) y (66), y los extremos (62) y (65) son concéntricos.
De la forma que no se ha descrito todavía, son posibles variaciones tales como las descritas en las figuras anteriores con el dispositivo de la figura 6.
Si el dispositivo de la figura 6 se hace más grueso en la parte central, de manera que los cubos se extienden más allá de los bordes de la superficie radial, se obtiene el dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la figura 7. En la figura 7, el dispositivo (70) tiene una superficie radial (71), un primer extremo (72), un segundo extremo (75) y una sección transversal tal como se ha representado por el extremo (72). El extremo (72) es sustancialmente cóncavo y tiene un cubo (73) que se extiende hacia afuera desde el extremo (72), y que se extiende más allá del borde (74) de la superficie radial (71). El cubo (73) tiene la cara (73A) que es plana y normal al eje de rotación (78) del dispositivo (70). Además del cubo (73), el extremo (72) queda definido en sección transversal por las líneas curvadas (72A) y (72B) que son idénticas, de manera tal que el extremo (72) es radialmente simétrico. El extremo (72) tiene el vástago roscado saliente (73B) centrado en la cara (73A) del cubo (73) alrededor del eje de rotación (78). De manera similar, el extremo (75) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (76) que se extiende hacia afuera desde el extremo (75) y que se extiende más allá del borde (77) de la superficie radial (71). El cubo (76) tiene una cara (76A) que es plana y normal al eje de rotación (78) del dispositivo (70). Además del cubo (76), el extremo (75) está definido en sección transversal por líneas curvadas (75A) y (75B) que son idénticas, de manera que el extremo (75) es radialmente simétrico. El extremo (75) tiene un vástago roscado y saliente (76B) que está centrado en la cara (76A) del cubo (76) alrededor del eje de rotación (78). De este modo, los vástagos (73B) y (76B), los cubos (73) y (76), y los extremos (72) y (75) son concéntricos. Además, el extremo (75) es una imagen simétrica o especular del extremo (72). Finalmente, se debe observar que los cubos (73) y (76) y los vástagos (73B) y (76B) son piezas integrales con respecto al dispositivo (70).
En la medida en que no se ha descrito todavía, son posibles variaciones con el dispositivo de la figura 7, tales como las que se han descrito en relación con las figuras anteriores.
En las figuras que se han descrito hasta el momento, los cubos, cuando existen, se prolongan o extienden hacia afuera desde los extremos del dispositivo. No obstante, dichos cubos pueden ser invertidos, tal como se muestran en la figura 8.
En la figura 8, el dispositivo (80) tiene una superficie radial (81), un primer extremo (82), un segundo extremo (85), y una sección transversal circular, tal como se ha representado por el extremo (82). La superficie radial (81) termina en los bordes (84) y (87). El extremo (82) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (83) que se extiende hacia adentro desde el extremo (82). El cubo (83) tiene la cara (83A) plana y normal al eje de rotación (88) del dispositivo (80) y la pared lateral (83B) que es sustancialmente equidistante con respecto al eje de rotación (88) con la que es concéntrica. Además del cubo (83), el extremo (82) está definido en sección transversal por líneas curvadas (82A) y (82B) que son idénticas, de manera que el extremo (82) es radialmente simétrico. El extremo (82) tiene un vástago roscado saliente (83C) que está centrado en la cara (83A) del cubo (83) alrededor del eje de rotación (88). De manera similar, el extremo (85) es sustancialmente cóncavo y tiene un cubo (86) que se prolonga hacia adentro desde el extremo (85). El cubo (86) tiene la cara (86A) plana y normal al eje de rotación (88) del dispositivo (80) y la pared lateral (86B) es sustancialmente equidistante y concéntrica con respecto al eje de rotación (88). Además del cubo (86), el extremo (85) está definido en sección transversal por las líneas curvadas (85A) y (85B) que son idénticas, de manera que el extremo (85) es radialmente simétrico. El extremo (85) tiene un vástago roscado y saliente (86C) que está centrado en la cara (86A) del cubo (86) alrededor del eje de rotación (88). De este modo, los vástagos (83C) y (86C), los cubos (83) y (86), y los extremos (82) y (85) son concéntricos, y los vástagos (83C) y (86C) sobresalen más allá de los bordes (84) y (87) de la superficie radial (81). Además, el extremo (85) es una imagen especular del extremo (82). Finalmente, se puede observar que los cubos (83) y (86), y los vástagos (83C) y (86C) son partes integrales del dispositivo (80).
Una realización preferente del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la figura 7 se ha mostrado en la figura 9. En la figura 9, el dispositivo (90) tiene una superficie radial (91), un primer extremo (92), un segundo extremo (95) y una sección transversal circular tal como se ha representado por el extremo (92). El extremo (92) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (93) que se extiende hacia afuera desde el extremo (92) y se extiende más allá del borde (94) de la superficie radial (91). El cubo (93) pasa a ser una guía de ondas alargada con un diseño normal (no mostrado) que es parte integral del dispositivo. Además del cubo (93), el extremo (92) está definido en sección transversal por líneas curvas (92A) y (92B) que son idénticas, de manera que el extremo (92) es radialmente simétrico. De manera similar, el extremo (95) es sustancialmente cóncavo y tiene un cubo (96) que se extiende hacia afuera desde el extremo (95), extendiéndose más allá del borde (97) de la superficie radial (91). El cubo (96) tiene la cara (96A) plana y normal al eje de rotación (98) del dispositivo (90). Además del cubo (96), el extremo (95) está definido en sección transversal por líneas curvadas (95A) y (95B) que son idénticas, de manera que el extremo (95) es radialmente simétrico. El cubo (93) y la guía de ondas alargada integral, cubo (96) y extremos (92) y (95), son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de una guía de ondas alargada, el extremo (95) es una imagen especular del extremo (92). Finalmente, se debe observar que los cubos (93) y (96) son partes integrales del dispositivo (90).
La figura 10 muestra la realización preferente de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene una zona o meseta elevada situada centralmente. En la figura 10, el dispositivo (100) tiene la superficie radial (101) que presenta una zona saliente (102), un primer extremo (103), un segundo extremo (106) y una sección transversal circular, tal como se ha mostrado por el extremo (103). El extremo (103) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (104) que se extiende hacia afuera desde el extremo (103) y que se prolonga más allá del borde (105) del dispositivo (100). El cubo (104) pasa a ser una guía de ondas alargada de diseño estándar (no mostrado) que es parte integral del dispositivo. Además del cubo (104), el extremo (103) está definido en sección transversal por las líneas curvadas (103A) y (103B) que son idénticas, de manera tal que el extremo (103) es simétrico radialmente. De manera similar, el extremo (106) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (107) que se extiende hacia afuera desde el extremo (106) y que se prolonga más allá del borde (108) del dispositivo (100). El cubo (107) tiene la cara (107A) que es plana y normal al eje de rotación (109) del dispositivo (100). Además del cubo (107), el extremo (106) está definido en sección transversal por las líneas curvas (106A) y (106B) que son idénticas, de manera tal que el extremo (106) es radialmente simétrico. El cubo (104) y la guía de ondas alargada integral, el cubo (107) y los extremos (103) y (106) son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de una guía de ondas alargada, el extremo (106) es una imagen simétrica o especular del extremo (103). Finalmente, se debe observar que los cubos (104) y (107) son partes integrales del dispositivo (100).
La figura 11 muestra una realización preferente de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene una zona saliente en el extremo no excitado. En la figura 11, el dispositivo (110) tiene la zona saliente (111) con una superficie radial (112), un primer extremo (113), un segundo extremo (116) y una sección transversal circular, tal como se ha representado por el extremo (113). El extremo (113) es sustancialmente cóncavo y tiene el cubo (114) que se extiende hacia afuera desde el extremo (113) y que se prolonga más allá del borde (115) del dispositivo (110). El cubo (114) pasa a ser una guía de ondas alargada de diseño estándar (no mostrado) que es parte integrante del dispositivo. Además del cubo (114), el extremo (113) está definido en sección transversal por las líneas curvas (113A) y (113B) que son idénticas, de manera que el extremo (113) es radialmente simétrico. De manera similar, el extremo (116) es sustancialmente cóncavo y tiene un cubo (117) que se extiende hacia afuera desde el extremo (116) y se prolonga más allá del borde (118) del dispositivo (110). El cubo (117) tiene la cara (117A) plana y normal al eje de rotación (119) del dispositivo (110). Además del cubo (117), el extremo (116) queda definido en sección transversal por las líneas curvadas (116A) y (116B) que son idénticas, de manera que el extremo (116) es radialmente simétrico. El cubo (114) y la guía de ondas alargada integral, el cubo (117), y los extremos (113) y (116) son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de una guía de ondas alargada y de la presencia de una zona saliente, el extremo (116) es una imagen especular del extremo (113). Finalmente, se debe observar que los cubos (114) y (117) son piezas integrales del dispositivo (110).
La figura 12 muestra una realización preferente de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos que tiene una ranura situada centralmente en la superficie radial. En la figura 12, el dispositivo (120) tiene la superficie radial (121) con una ranura situada centralmente (122), un primer extremo (123), un segundo extremo (126) y una sección transversal circular tal como se ha representado por el extremo (123). El extremo (123) es substancialmente cóncavo y tiene el cubo (124) que se extiende hacia afuera desde el extremo (123) y se prolonga más allá del borde (125) de la superficie radial (121). El cubo (124) pasa a ser una guía de ondas alargada de diseño estándar (no mostrada) que es parte integral del dispositivo. Además del cubo (124), el extremo (123) está definido en sección transversal por las líneas curvadas (123A) y (123B) que son idénticas, de manera que el extremo (123) es radialmente simétrico. De manera similar, el extremo (126) es substancialmente cóncavo y tiene el cubo (127) que se extiende hacia afuera desde el extremo (126) y que se prolonga más allá del borde (128) del dispositivo (120). El cubo (127) tiene la cara (127A) que es plana y normal al eje de rotación (129) del dispositivo (120). Además del cubo (127), el extremo (126) se define en sección transversal por líneas curvas (126A) y (126B) que son idénticas, de manera que el extremo (126) es simétrico radialmente. El cubo (124) y la guía de ondas alargada e integral, el cubo (127) y los extremos (123) y (126) son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de la guía de ondas alargada, el extremo (126) es una imagen especular del extremo (123). Finalmente, se debe observar que los cubos (124) y (127) son partes integrales del dispositivo (120).
Los dispositivos rotativos para la aplicación de ultrasonidos representados por las figuras 10-12, inclusive, tienen perfiles superficiales radiales no lineales con componentes distintivos, es decir, una zona saliente o una ranura. Un ejemplo del dispositivo en el que el perfil de la superficie radial se define por una línea no lineal que cambia suavemente, es el que se muestra en la figura 13.
En la figura 13, el dispositivo (130) tiene una superficie radial (131), un primer extremo (132), un segundo extremo (135) y una sección transversal circular tal como se ha representado por el extremo (132). La superficie radial (131) tiene un perfil no lineal que tiene dos zonas relativamente planas (131A) y (131C) a cada lado de la parte redondeada o curvada situada centralmente (131B). El extremo (132) es substancialmente cóncavo y tiene el cubo (133) que se extiende hacia afuera desde el extremo (132) y se prolonga más allá del borde (134) de la superficie radial (131). El cubo (133) pasa a ser una guía de ondas alargada de diseño estándar (no mostrado) que es parte integral del dispositivo. Además del cubo (133), el extremo (132) queda definido en sección transversal por las líneas curvadas (132A) y (132B) que son idénticas, y superficies planas (132C) y (132D) que son idénticas, de manera que el extremo (132) es radialmente simétrico. De manera similar, el extremo (135) es substancialmente cóncavo y tiene un cubo (136) que se prolonga hacia afuera desde el extremo (135) y se extiende más allá del borde (137) del dispositivo (130). El cubo (136) tiene la cara (136A) que es plana y normal al eje de rotación (138) del dispositivo (130). Además del cubo (136), el extremo (135) queda definido en sección transversal por líneas curvadas (135A) y (135B) que son idénticas, y superficies planas (135C) y (135D) que son idénticas, de manera que el extremo (135) es radialmente simétrico. El cubo (133) y la guía de ondas alargada e integral, el cubo (136) y los extremos (132) y (135) son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de la guía de ondas alargada, el extremo (135) es una imagen especular del extremo (132). Finalmente, se puede observar que los cubos (133) y (136) son partes integrales del dispositivo (130).
Finalmente, la figura 14 muestra una variante del dispositivo rotativo de la aplicación de ultrasonidos de la figura 10, es decir, un dispositivo que tiene dos zonas salientes, ninguna de las cuales está situada en un borde del dispositivo. En la figura 14, el dispositivo (140) tiene la superficie radial (141) dotada de dos zonas salientes situadas interiormente (142A) y (142B), un primer extremo (143), un segundo (146) y una sección transversal circular tal como se ha presentado por el extremo (143). El extremo (143) es substancialmente cóncavo y tiene el cubo (144) que se extiende hacia afuera desde el extremo (143) y que se prolonga más allá del borde (145) del dispositivo (140). El cubo (144) pasa a ser una guía de ondas alargada de diseño estándar (no mostrado) que es parte integral del dispositivo. Además del cubo (144), el extremo (143) queda definido en sección transversal por las líneas curvas (143A) y (143B) que son idénticas, de manera que el extremo (143) es simétrico radialmente. De manera similar, el extremo (146) es substancialmente cóncavo y tiene el cubo (147) que se extiende hacia afuera desde el extremo (146) y que se prolonga más allá del borde (148) del dispositivo (140). El cubo (147) tiene la cara (147A) que es plana y normal al eje de rotación (149) del dispositivo (140). Además del cubo (147), el extremo (146) está definido en sección transversal por las líneas curvadas (146A) y (146B) que son idénticas, de manera que el extremo (146) es simétrico radialmente. El cubo (144) y la guía de ondas alargada integral, el cubo (147) y los extremos (143) y (146) son concéntricos. Además, excepto por la ausencia de una guía de ondas alargada, el extremo (146) es una imagen especular del extremo (143). Finalmente, se debe observar que los cubos (144) y (147) son partes integrales del dispositivo (140).
Será evidente de la descripción realizada que la presencia o ausencia de cubos es opcional y depende de las características de rendimiento deseadas del dispositivo. Si bien la presencia de cubos afecta al rendimiento del dispositivo y se debe tener en cuenta cuando se diseña el dispositivo, las dimensiones de los cubos no se conocen como críticas. De manera típica, dichos cubos tendrán un diámetro del orden de 5 cm y una altura del escalón que llegará aproximadamente a 1,8 cm.
Cuando se desea un dispositivo con extremos substancialmente cóncavos, el perfil de la superficie substancialmente cóncava de cada extremo se describe por varios métodos conocidos por los técnicos ordinarios en la técnica de superficies geométricas. Por ejemplo, el perfil puede ser circular, de segundo orden, de segundo orden inverso, exponencial, exponencial inverso, de catenaria, de catenaria inversa, gausiano, gausiano inverso, combinaciones de los mismos y similares. Se indican a continuación en referencia a la figura 15 fórmulas útiles para los perfiles más habituales, es decir, de forma circular, de segundo orden y exponencial. En cada uno de los casos, (x) e (y) o (x') e (y') son los valores cartesianos de los puntos que definen la superficie cóncava.
Perfil circular
(1) y = \{[(L/2) ^{2}+ (r-d) ^{2})/2(r-d)] ^{2}-(x-L/2) ^{2}\}^{1/2} - \{[(L/2) ^{2}+ (r-d) ^{2})/2(r-d)]- (L/2) ^{2}\}^{1/2}
en las que L es la longitud del perfil, r es el radio del círculo que define la superficie cóncava y d es la profundidad de la superficie cóncava con respecto al borde de la superficie de contacto de trabajo. Son valores típicos para L y r-d 5,8 cm y 6,4 cm, respectivamente.
Perfil de segundo orden
(2)y' = a(x') ^{2}- b(x')
Son valores típicos para a y b 0,5356 y - 0,1289, respectivamente.
Perfil exponencial
(3)y' = ae^{bx'}- a
Son valores típicos para a y b 1,1535 y 0,5408, respectivamente.
En general, L y r, o los coeficientes a y b, se escogen para facilitar el valor deseado para d que típicamente se encontrará en una gama de valores de 0,1 a 4,5 cm aproximadamente, dependiendo de la anchura de la superficie de contacto de trabajo y de las características deseadas para el dispositivo.
Los ejes x, x', y e y' y las dimensiones r, d y L de las ecuaciones anteriores se han mostrado en la figura 15 que es una vista extrema esquemática que representa el dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos de la presente invención utilizado para hacer mediciones de características acústicas y mecánicas tal como se describe más adelante. Desde el punto de vista práctico, los perfiles de segundo orden son preferentes, puesto que parecen proporcionar el mejor rendimiento de los tres. Para un extremo cóncavo que tiene un perfil de segundo orden, los valores apropiados para a y b se colocan en la ecuación que se resuelve gráficamente. No obstante, para mecanizar el dispositivo, el gráfico resultante de la ecuación debe girar 45º a efectos de hacer el eje x' contiguo con el borde del dispositivo o el eje x. Para conseguirlo, cada punto a efectos de hacer el eje x' contiguo al borde del dispositivo o del eje x. A efectos de conseguir este resultado, cada punto del gráfico es convertido en un vector que es obligado a girar los 45º requeridos y a continuación se reconvierte en un punto.
Finalmente, se debe observar que los extremos del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la presente invención pueden ser planos. Es decir, excluyendo cubos y vástagos, en caso de que existan, los dos extremos pueden ser paralelos entre sí y perpendiculares al eje de rotación del dispositivo. No obstante, los dispositivos que tengan extremos planos, si bien son más fáciles y menos costosos de mecanizar, de manera típica no proporcionan las características de rendimiento de los dispositivos que tienen extremos cóncavos o convexos. Por lo tanto, los dispositivos que tienen extremos planos son menos preferibles que los de otras configuraciones permitidas.
La presente invención se describe adicionalmente por los ejemplos siguientes. Estos ejemplos, no obstante, no se deben considerar como limitativos en modo alguno en cuanto al espíritu o ámbito de la presente invención.
Ejemplo 1 Evaluación de un dispositivo de 20 kHz según la presente invención y su comparación con un dispositivo de tipo comercial
A efectos de medir las características mecánicas y acústicas del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos de la presente invención, se mecanizó a partir de una pieza maciza de titanio, un dispositivo similar al mostrado en la figura 7, incluyendo los cubos y vástagos. El dispositivo estaba destinado a su excitación a una frecuencia aproximada de 20 kHz. La superficie radial era aproximadamente de 5,1 cm de anchura y el dispositivo tenía un diámetro aproximado de 17,1 cm. Los extremos del dispositivo eran idénticos (es decir, eran imágenes especulares entre sí). Cada extremo tenía un cubo cilíndrico, cuya cara tenía 5,1 cm de diámetro. El cubo tenía un escalón paralelo a la superficie radial y al eje de rotación del dispositivo; el escalón tenía una longitud de unos 7 mm. Sobresaliendo de cada cubo concéntricamente con el eje de rotación del dispositivo, se encontraba un vástago roscado con un diámetro aproximado de 13 mm.
Las dimensiones reales en mm del dispositivo se muestran en la Tabla 1 con referencia a la figura 16 que es una representación desde un extremo del dispositivo, excepto por los vástagos que no se han mostrado. Además, las partes cóncavas de los extremos del dispositivo de la figura 16 tienen un perfil de segundo orden que no se ha mostrado, de manera que los coeficientes a y b tienen los valores 0,5356 y -0,1289, respectivamente (a efectos de comodidad, las partes cóncavas de los extremos de los dibujos tienen perfiles circulares). El dispositivo tenía una masa de 4,640 kg (todas las mediciones de masas se hicieron con una balanza electrónica Mettler Modelo PE16, Mettler Instrument Corp., Hightstown, New Jersey).
TABLA 1 Dimensiones del dispositivo de 20 kHz de la figura 16
Dimensión Valor (mm)
160 170,69
161 50,80
162 50,80
163 8,89
164 8,89
165 6^{a}
166 2,54 
\hskip4.7cm
^{a}Valor aproximado 
\newpage
Dado que se deseaban mediciones similares para el dispositivo Mecasonic, el dispositivo utilizado (Modelo Nº 2994) se ha representado en la figura 17 en forma de vista lateral del dispositivo Mecasonic que muestra los parámetros dimensionales. Las dimensiones reales en mm se muestran en la Tabla 2. El dispositivo tenía una masa de 4,668 Kg.
TABLA 2 Dimensiones del dispositivo Mecasonic de la figura 17
Dimensión Valor (mm)
1700 242,14
1701 130,18
1702 199,87
1703 170,03
1704 63,58
1705 22,71
1706 17,30
1707 2,01
1708 69,95
1709 59,84
1710 21,95
1711 -^{a}
1712 30,07
1713 41,99 
\hskip3.5cm
^{a}M16 x 2 hilos, profundidad 22,73 mm.
La disposición experimental para dichas mediciones se ha mostrado en la figura 18 que muestra una representación esquemática de la disposición del conjunto de excitación, amplificadores y dispositivos. En cada caso, el desplazamiento en rotación del dispositivo se consigue por medio de un transductor piezoeléctrico que consistía en una cerámica de titanato de bario de forma convencional de resonador de media onda, es decir, el conjunto de excitación Dukane (1800) (Pieza Nº 110-3123, Dukane Corporation, St. Charles, Illinois). El dispositivo de excitación (1800) fue fijado a un amplificador 1:1 (1801), tal como el amplificador Dukane (Parte Nº 2177T) o su equivalente. El amplificador (1801) por su parte se fijó a un amplificador 2:1 (1802), tal como el amplificador Dukane (Parte Nº 2181T) o su equivalente. El amplificador (1802) fue fijado a cualquiera de los dispositivos rotativos de la presente invención (1803) o dispositivo Mecasonic (1804).
Además, la figura 18 muestra también de manera esquemática el equipo auxiliar requerido para el procedimiento de prueba. El generador (1805) (un generador de 20 kHz Dukane de 1800 vatios, Parte Nº 20A1800) fue conectado al medidor de potencia (1806) (Sonic Systems Modelo Ml/SC3 Wattmeter, Sonic Systems, Inc., Newtown, Pensilvania). El medidor de potencia (1806) fue conectado al conjunto de excitación (1800). También, se conectó al conjunto de excitación (1800) el dispositivo analizador (1807) del dispositivo de aplicación de ultrasonidos (Dukane Horn Analyzer, Parte Nº 40A350). Se utilizó para medir desplazamientos en varios puntos de cada dispositivo, tal como se describirá más adelante, el sistema de medición de desplazamiento (1808) con sondas (1809) (Kaman Modelo KD4200-1S1/1S2 SPL Displacement Measuring System, Kaman Instrumentation Corp., Colorado Springs, Colorado). El sistema (1808) fue conectado al contador de frecuencia (1810) (B & K Precision Modelo 1822 Universal Counter, B & K Dynascan Corp., Chicago, Illinois) y al filtro analógico (1811) (Wavetek Modelo 452 Dual Channel Hi/Lo Analog Filter, Wavetek San Diego, Inc., San Diego, California). El filtro (1811) fue conectado a su vez al osciloscopio (1812) (Tektronix Modelo 5223 Digitizing Oscilloscope, Tektronix, Inc., Beaverton, Oregon).
En algunos de los últimos experimentos, algunos de los componentes mostrados en la figura 18 fueron substituidos por equipos equivalentes de la firma Branson Sonic Power Company (Danbury, Connecticut), es decir, el conjunto de excitación Dukane (1800), generador (1805), y uno o ambos amplificadores (1801) y (1802). Dichas substituciones, no obstante, no afectaron de manera significativa el método o los resultados obtenidos.
El conjunto de excitación, amplificadores y dispositivo de ultrasonidos sometidos a prueba fueron configurados tal como se muestra en la figura 18. El sistema fue excitado por medio del analizador del dispositivo para determinar la frecuencia resonante del sistema. A continuación se activó el generador y el sistema se excitó durante un minuto para permitir que el sistema se estabilizara. Después del período de estabilización, se colocó una sonda de medición de desplazamiento en la entrada de excitación del dispositivo y la otra sonda fue colocada en puntos consecutivos apropiados, principalmente a lo largo de la superficie radial del dispositivo. Las localizaciones de las ondas de medición de desplazamiento se muestran esquemáticamente en las figuras 19 y 20 para el dispositivo de 20 kHz de la presente invención y el dispositivo Mecasonic, respectivamente. En cada caso, el punto (1) representa el punto de entrada de excitación. Con el generador en marcha, se registran el nivel de amplitud, la amplitud de fase relativa al punto (1), consumo de potencia, y frecuencia, en cada uno de los puntos (2-11), ambos inclusive, con el dispositivo de 20 kHz de la presente invención (figura 19) y los puntos (2-10), inclusive, con el dispositivo Mecasonic (figura 20). Cada uno de los puntos (2) y (11) con el dispositivo de la presente invención, y los puntos (3) y (8) del dispositivo Mecasonic fueron situados aproximadamente a 2,5 mm desde el borde más próximo de la superficie radial, es decir, el borde más próximo a la fuente de excitación. Además, cada punto de la superficie radial de cada dispositivo se encontraba a unos 5 mm de los puntos adyacentes. Los datos obtenidos con el dispositivo de 20 kHz objeto de la invención se indican en la tabla 3, y los datos del dispositivo Mecasonic se resumen en la tabla 4. Las frecuencias resonantes o del analizador del dispositivo para los dos dispositivos fueron de 20.003 y 19.928 Hz, respectivamente.
TABLA 3 Resumen de datos para el dispositivo de 20 kHz según la presente invención a una potencia de excitación de 150 vatios
Potencia Fase^{a} Amplitud Ganancia del Rendimiento^{c} Frecuencia
(\mum) dispositivo^{b} (Hz)
1 - 34,0 - 0,23 20.003
2 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.003
3 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.002
4 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.001
5 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.001
6 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.001
7 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.000
8 Desfasado 40,6 1,19 0,27 20.000
9 Desfasado 40,4 1,19 0,27 19.999
10 Desfasado 39,9 1,17 0,27 19.999
11 Desfasado 39,6 1,16 0,26 19.998
^{a} Fase con respecto al punto (1).
^{b} Proporción de la amplitud radial con respecto a la amplitud longitudinal, estando representada esta
\hskip2mm última por el valor de amplitud del punto (1).
^{c} Rendimiento, en \mum por vatio.
TABLA 4 Resumen de datos para el dispositivo Mecasonic con un potencia de excitación de 220 Vatios
Potencia Fase^{a} Amplitud Ganancia del Rendimiento^{c} Frecuencia
(\mum) dispositivo^{b} (Hz)
1 - 31,2 - 0,14 19.907
2 En fase 3,8 0,12 0,02 19.907
3 En fase 36,8 1,18 0,17 19.902
4 En fase 38,6 1,24 0,18 19.901
5 En fase 39,6 1,27 0,18 19.901
6 En fase 40,1 1,29 0,18 19.899
7 En fase 38,1 1,22 0,17 19.898
8 En fase 37,1 1,19 0,17 19.898
9 -^{d} -^{d} - - 19.906
10 En fase 47,2 1,51 0,21 19.901
^{a} Fase, con respecto al punto (1).
^{b} Proporción de amplitud radial a amplitud longitudinal, estando representada esta última por el valor
\hskip2mm de la amplitud del punto (1).
^{c} Rendimiento, en \mum por vatio.
^{d} Las mediciones se encontraban por debajo de la sensibilidad del instrumento. 
\newpage
Se debe observar que la columna de "Fase" de las Tablas 3 y 4 indica la dirección del movimiento radial con respecto al movimiento longitudinal en el extremo sometido a excitación, particularmente con referencia a las figuras 21 y 22.
Los términos "en fase" y "desfasado", ya definidos, se comprenderán más fácilmente haciendo referencia a las figuras 21 y 22. La figura 21 consiste en tres vistas separadas de un dispositivo, según la presente invención. Cuando el dispositivo sin excitación (vista A) es excitado y la superficie del extremo excitado se desplaza con respecto al dispositivo, tal como se muestra en la vista B, el otro extremo se desplaza asimismo en alejamiento del dispositivo y la superficie radial se desplaza hacia adentro, hacia el eje de rotación o el interior del dispositivo. Cuando el extremo excitado se desplaza hacia adentro hacia el interior del dispositivo, tal como se muestra en la vista C, la superficie radial se desplaza hacia afuera alejándose del eje de rotación. Estos movimientos se describirán nuevamente en relación con las figuras 27 y 29.
De manera similar, la figura 22 consiste en tres vistas separadas del dispositivo Mecasonic. Tal como en la figura 21, las vistas B y C muestran los movimientos del extremo y las superficies radiales entre sí cuando se excita el dispositivo. Cuando el dispositivo en ausencia de excitación (vista A) es excitado y la superficie del extremo excitado se desplaza alejándose del dispositivo, tal como se ha mostrado en la vista C, la superficie radial se aleja del eje de rotación. Cuando la superficie radial excitada se desplaza también hacia el interior del dispositivo, o hacia el eje de rotación (vista B). La flecha de un borde de la superficie radial en las vistas B y C muestra que la superficie radial se desplaza también longitudinalmente en la misma dirección que el extremo sometido a excitación. En realidad, el conjunto del dispositivo se desplaza longitudinalmente en la misma dirección que el extremo sometido a excitación. Este movimiento se describirá nuevamente en relación con las figuras 28 y 30. Teniendo en cuenta las Tablas 3 y 4, los siguientes puntos se deben observar, de los que el primero es el más significativo:
(1)
cuando se somete a excitación mecánica longitudinal a frecuencia resonante, el dispositivo de 20 kHz de la presente invención muestra un desplazamiento radial que actúa simétricamente alrededor del plano medio del dispositivo, mientras que el del dispositivo Mecasonic disminuye significativamente a cualquier lado del plano antinodal radial, y el desplazamiento radial a lo largo de toda la anchura de la superficie radial del dispositivo de la presente invención se encuentra desfasado con el desplazamiento longitudinal, mientras que el desplazamiento radial según la anchura de la superficie radial del dispositivo Mecasonic se encontraba en fase con el desplazamiento longitudinal;
(2)
las necesidades de potencia para el dispositivo de 20 kHz de la presente invención eran inferiores a las del dispositivo Mecasonic; y
(3)
el perfil de amplitud según la anchura de la superficie radial del dispositivo de 20 kHz de la presente invención será más constante que el del dispositivo Mecasonic.
Para explicar más fácilmente los tres puntos anteriores, los valores de amplitud obtenidos (Tablas 3 y 4) fueron representados con respecto a la distancia de cada punto desde el extremo sometido a excitación del dispositivo, es decir, el extremo al que se acoplaban los amplificadores y el conjunto de excitación. Estos gráficos se muestran en la figura 23, en la que la curva A es la del dispositivo de 20 kHz de la presente invención (el dispositivo de la figura 16) y la curva B es para el dispositivo Mecasonic (dispositivo de la figura 17).
La figura 23 muestra de manera muy visible la diferencia en el perfil de amplitud en la cara de la superficie radial entre los dos dispositivos. El perfil de amplitud del dispositivo de 20 kHz de la presente invención es relativamente plano con respecto a la anchura de la superficie radial. Es decir, la amplitud más baja medida sobre la superficie radial no fue en ningún caso menor de aproximadamente 97 por cien de la medición de la amplitud máxima. El perfil de amplitud del dispositivo Mecasonic, por otra parte, muestra un valor máximo o pico de unos 28 mm desde el extremo sometido a excitación, disminuyendo la amplitud significativamente a uno y otro lado de este máximo, especialmente en el lado más alejado del extremo sometido a excitación. Basándose en los datos de las Tablas 3 y 4, los valores en variancia porcentual para el dispositivo de la presente invención del Ejemplo 1 y el dispositivo Mecasonic son de 2,5 y 8,2, respectivamente.
Se puede observar de las Tablas 3 y 4 que los valores de amplitud para el dispositivo Mecasonic no fueron significativamente distintos de los correspondientes al dispositivo de 20 kHz de la presente invención. No obstante, las amplitudes observadas con el dispositivo Mecasonic fueron resultado de una potencia de excitación más elevada. La potencia de excitación utilizada con el dispositivo Mecasonic era realmente 1,49 veces la utilizada con el dispositivo de la presente invención. Si el dispositivo Mecasonic se comportaba igual de bien que el dispositivo de 20 kHz de la presente invención, los valores de amplitud para el dispositivo Mecasonic deberían haber sido 1,49 veces los valores de la amplitud del dispositivo de la presente invención, es decir, alrededor de 1,75. Dado que la potencia de excitación juega un papel significativo en los valores de la amplitud medidos, los valores de rendimiento son más significativos que los valores de la amplitud porque los primeros son función tanto de la amplitud radial como de la potencia de excitación.
A efectos de simplificar la comparación de dispositivos realizada a diferentes niveles de potencia, se utiliza un término de ganancia relacionada con la potencia en toda esta descripción. El término, indicado PRG, es igual a la
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ganancia del dispositivo dividida por la potencia de excitación. A efectos de evitar pequeños números decimales, el cociente se multiplica por 10^{3}. Por lo tanto:
PRG = (Ganancia dispositivo/Potencia) vatios^{-1} x 10^{3}
Para ilustrar la utilización del término, se han calculado valores de PRG tanto para el dispositivo de 20 kHz de la presente invención como para el dispositivo Mecasonic, y se resumen en la Tabla 5.
TABLA 5 Resumen de valores PRG
Dispositivo de la presente invención Dispositivo Mecasonic
Punto Ganancia PRG^{a} Punto Ganancia PRG^{b}
1 - - 1 - -
2 1,19 7,9 2 0,12 0,5
3 1,19 7,9 3 1,18 5,4
4 1,19 7,9 4 1,24 5,6
5 1,19 7,9 5 1,27 5,8
6 1,19 7,9 6 1,29 5,9
7 1,19 7,9 7 1,22 5,5
8 1,19 7,9 8 1,19 5,4
9 1,19 7,9 9 - -
10 1,17 7,8 10 1,51 6,7
11 1,16 7,7
^{a} Ganancia relacionada con la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}, a una potencia de excitación de 150 vatios.
^{b} Ganancia relacionada con la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}, a 220 vatios de potencia de excitación.
De la observación de la Tabla 5 y de los valores correspondientes PRG, es claramente evidente que el dispositivo de 20 kHz de la presente invención se comporta significativamente mejor que el dispositivo Mecasonic. Se debe observar que una ganancia del dispositivo de 1,19 con el dispositivo de 20 kHz de la presente invención significa un PRG de 7,9 vatios^{-1} x 10^{3}, mientras que el mismo valor de ganancia para el dispositivo Mecasonic significa un PRG de solamente 5,4 vatios^{-1} x 10^{3}.
La comparación adicional de los comportamientos de los dos dispositivos requiere la recogida de ciertos valores promedio, así como cierta información adicional. En cualquier caso, el valor de amplitud en el punto (1) se ha tomado como amplitud de entrada. Una amplitud radial promedio, es decir, la amplitud promedio con respecto a la superficie radial, fue calculada a partir de los valores de amplitud en los puntos (2-11), ambos inclusive, para el dispositivo de 20 kHz de la presente invención y los puntos (3-8), ambos inclusive, para el dispositivo Mecasonic. Es decir, la amplitud radial promedio era el cociente de la suma de valores de amplitud para cada punto con respecto a la superficie radial dividida por el número de puntos. La ganancia promedio del dispositivo en cada caso era la relación entre la amplitud radial promedio y la amplitud de entrada. Estos valores promedio, junto con la potencia promedio y la anchura de la superficie radial, valor PRG promedio, y un "factor de rendimiento" calculado (PF) para cada dispositivo, se resumen en la Tabla 6. El PF, índice de rendimiento resumido, es un medio conveniente para la comparación del rendimiento de los dispositivos de unión de tipo rotativo. El PF, tal como se utiliza en esta descripción, se define como la amplitud radial promedio dividida por la potencia eléctrica promedio consumida por unidad de anchura de superficie radial. Así pues, el PF es la amplitud radial promedio dividida por la potencia por unidad de anchura de superficie radial y tendrá como unidades micras vatios^{-1} mm. Es equivalente al rendimiento por unidad de anchura de superficie radial. Debe ser evidente que cuanto mayor es el valor de PF, mayor es el potencial para un dispositivo para conseguir la unión de grosores mayores de materiales en un área mayor para la potencia consumida.
TABLA 6 Resumen de valores promedio y otras informaciones
Elemento Dispositivo de la Dispositivo
presente invención Mecasonic
Amplitud de entrada (\mum) 34,0 31,2
Amplitud radial promedio (\mum) 40,4 38,4
Ganancia promedio del dispositivo 1,19 1,23
Potencia promedio (vatios) 150 220
PRG promedio (vatios^{-1} x 10^{3} 7,9 5,6
Anchura de la superficie radial (mm) 50,8 29,8
Factor de rendimiento (\mum vatios^{-1} mm) 13,7 5,2
Tal como se ha mostrado en la Tabla 6, el dispositivo rotativo de 20 kHz de la presente invención tenía un PF de 13,7 micras vatios^{-1} mm, mientras que el dispositivo Mecasonic mostrado en PF, de 5,2 \mum vatios^{-1} mm. Ésto representa una mejora significativa de rendimiento por parte del dispositivo de la presente invención con respecto al dispositivo Mecasonic, aunque ambos dispositivos tenían aproximadamente ganancias equivalentes. Esta mejora se observa también por los valores PRG promedio de 7,9 vatios^{-1} x 10^{3} y 5,6 vatios^{-1} x 10^{3} para el dispositivo de la presente invención y el dispositivo Mecasonic, respectivamente.
Ejemplo 2 Variación de rendimiento acústico con los cambios de dimensiones y masa del dispositivo para dispositivos similares al del Ejemplo 1
A efectos de determinar la forma en la que varía el rendimiento acústico de un dispositivo rotativo de aplicación de ultrasonidos según la presente invención con los cambios en las dimensiones y masa del dispositivo, se mecanizaron en aluminio siete dispositivos según el modelo del dispositivo de la figura 1, con diferentes diámetros y masas, pero con configuraciones similares en el extremo y anchuras constantes en la superficie radial y grosor constante en el centro del dispositivo; cada uno de los dispositivos tenía cubos con un diámetro de 50,80 mm y una altura de 2,54 mm, teniendo cada uno de los cubos un orificio roscado con un diámetro de 12,7 mm en su parte central. Se fabricaron dos dispositivos adicionales que tenían diámetros iguales a uno de los siete dispositivos, pero con anchuras y grosores diferentes. Las anchuras, diámetros y masas de estos dispositivos se indican en la Tabla 7.
TABLA 7 Dimensiones y masas del dispositivo para la aplicación de ultrasonidos
Dispositivo Anchura del dispositivo Diámetro del dispositivo Masa del dispositivo
(mm) (mm) (kg)
A 50,80 187,96 3,970
B 50,80 182,88 3,770
C 50,80 177,80 3,564
D 50,80 172,72 3,369
E 50,80 165,10 3,073
F 50,80 158,75 2,836
G 50,80 152,40 2,629
H 44,45 177,80 3,118
J 38,10 177,80 2,680
Las características acústicas de los dispositivos fueron medidas tal como ya se ha descrito. Los resultados de estas mediciones se han mostrado en las figuras 24 y 25.
La figura 24 es un gráfico que muestra la frecuencia resonante con respecto al diámetro del dispositivo en mm, para siete dispositivos con anchura constante en la superficie radial de 50,80 mm y diámetros variables.
La figura 25 muestra dos gráficos. La primera curva I, es un gráfico de frecuencia resonante con respecto a masa del dispositivo en kg para siete dispositivos que tienen anchura constante a superficie radial de 50,80 mm y diámetros variables. Estos siete dispositivos son los mismos que se utilizaron para obtener los datos para la figura 24; en este caso, fue solamente necesario determinar la masa de cada dispositivo y trazar el gráfico de los valores de la frecuencia resonante con respecto a la masa, en vez del diámetro del dispositivo. La segunda curva de la figura 25 (curva II) es un gráfico de frecuencia resonante con respecto a la masa del dispositivo para un diámetro constante del mismo y anchuras variables en la superficie radial.
De la figura 24, se aprecia que la frecuencia resonante es inversamente proporcional al diámetro del dispositivo. Esta frecuencia también es inversamente proporcional a la masa del dispositivo, tal como se ha mostrado en la figura 25. No obstante, la frecuencia es mucho más sensible a cambios del diámetro del dispositivo que a cambios en la masa del mismo, que se consiguen con un diámetro constante variando el grosor de un dispositivo, o la anchura del mismo.
Ejemplo 3 Determinación de las formas modales de los dispositivos del Ejemplo 1
De la explicación realizada hasta el momento, es evidente que el dispositivo de la presente invención funciona de manera distinta a la del dispositivo Mecasonic. A efectos de comprender de manera más completa las características operativas de los dos dispositivos, se determinaron experimentalmente sus formas modales ("mode shapes").
A efectos de llevar a cabo el análisis modal, se utilizó el conjunto experimental mostrado en la figura 26. Dependiendo del dispositivo a comprobar, el dispositivo de 20 kHz de la presente invención (2600), o el dispositivo Mecasonic (2601), fueron suspendidos mediante cables (2602A) o (2602B), respectivamente, del soporte (2603). El equipo consistía en un Sistema Modal de Análisis Bruel y Kjaer (Bruel y Kjaer Instruments, Inc., Hoffman Estates, Illinois) conjuntamente con un ordenador Hewlett-Packard HP9000-217 (Hewlett-Packard Company, Ft. Collins, Colorado). De manera específica, se fijó mediante pernos al dispositivo de emisión de ultrasonidos el transductor de fuerza (2604) Bruel y Kjaer tipo 8200, en la cara de entrada del dispositivo sometido a pruebas. El transductor de fuerza (2604) fue conectado al excitador de vibración (2605) de Bruel y Kjaer tipo 4809 por medio de una varilla de nylon (2606) con la longitud de 7,6 cm y 3,2 mm de diámetro. El excitador de vibración (2605) fue excitado mediante el amplificador de potencia (2607) de Bruel y Kjaer tipo 2606 que a su vez recibió la señal de un analizador de señal de canal doble (2608) Bruel y Kjaer tipo 2032. También se conectó el transductor de fuerza (2604) a un primer amplificador de carga (2609) Bruel y Kjaer tipo 2635 que a su vez quedó conectado al analizador de señales (2608). Justamente en el momento en el que el transductor de fuerza (2604) medía la frecuencia y amplitud de la fuerza de la energía de excitación aplicada al dispositivo, la amplitud de aceleración de salida y la frecuencia en la superficie radial del dispositivo fueron medidas por medio del acelerómetro (2610) de Bruel y Kjaer tipo 4374 que estaba conectado a un segundo amplificador de carga (2611) Bruel y Kjaer tipo 2635. Finalmente, el analizador de señal (2608) fue conectado al ordenador Hewlett-Packard (2612).
Haciendo referencia a continuación a las figuras 27 y 28, el acelerómetro (2610) fue colocado sobre el dispositivo generador de ultrasonidos en la entrada. La entrada es representada por el punto (1ZA) de la figura 27 para el dispositivo de 20 kHz de la presente invención y el punto (1ZB) de la figura 28 para el dispositivo Mecasonic. Se realizó una medición en dicho punto para cada dispositivo mientras se producía la excitación del dispositivo con un ruido al azar. A continuación, se tomaron mediciones subsiguientes en los otros puntos indicados en las figuras 26 y 28 para el dispositivo de la presente invención y el dispositivo Mecasonic, respectivamente. Después de tomar las mediciones, los datos obtenidos fueron transferidos al ordenador Hewlett-Packard (2612) que, después de terminar el proceso de medición, fue utilizado para calcular y mostrar las formas modales de los dos dispositivos.
Las formas modales del dispositivo de 20 kHz de la presente invención y del dispositivo Mecasonic se han mostrado en las figuras 29 y 30, respectivamente. En cada una de las figuras, la vista A representa el dispositivo sin deformación, es decir, sin excitación. Las vistas B y C representan el dispositivo con deformación, en el que la amplitud radial en la superficie radial se encuentra en valores mínimo y máximo, respectivamente. Bajo la influencia de la excitación longitudinal, el dispositivo de la presente invención se expansiona y se contrae como un acordeón, con los extremos alejándose y acercándose uno a otro a lo largo del eje de rotación o eje longitudinal. Al desplazarse los extremos entre sí, el diámetro del dispositivo en la superficie radial se contrae. Al desplazarse los extremos uno hacia el otro, el diámetro del dispositivo de la superficie radial se expansiona. Haciendo referencia en la figura 21, se observará que los movimientos del otro extremo y de la superficie radial se encuentran desfasados con respecto al movimiento del extremo sometido a excitación. La consecuencia práctica de dichos movimientos es una amplitud más uniforme con respecto a la superficie radial.
El dispositivo Mecasonic, no obstante, se comporta de manera muy distinta bajo la influencia de la excitación longitudinal. De las figuras 22 y 30, se observará que los movimientos del otro extremo y la superficie radial se encuentran en fase con respecto al movimiento del extremo sometido a excitación. Tal como se ha observado anteriormente, la amplitud radial disminuye significativamente en cualquiera de los lados del plano antinodal.
No obstante, observando las figuras 29 y 30, se debe tener en cuenta que las representaciones no son exactas a causa del número limitado de puntos, en el que se realizaron las mediciones. Además, se supuso que existía una relación de línea recta entre puntos adyacentes, suposición que puede ser correcta o no. Si bien las figuras son valiosas, no se debe hacer intento alguno para interpretarlas como representaciones precisas de una geometría completa del dispositivo.
Ejemplo 4 Relación entre grosor del dispositivo y ganancia para dispositivos similares al del Ejemplo 2
Se llevaron a cabo experimentos para determinar la relación entre grosor del dispositivo y la ganancia con dispositivos de 20 kHz, según la presente invención, conformados según el dispositivo del Ejemplo 2. Estos experimentos utilizaron la disposición y equipos mostrados en la figura 18 para el dispositivo de la presente invención, excepto que no fue necesario el analizador (1107) del dispositivo. Se prepararon nueve dispositivos similares a los anteriormente descritos partiendo de aluminio macizo (estos dispositivos tenían dimensiones y masas distintas con respecto a los dispositivos realizados en relación con las figuras 24 y 25, es decir, los dispositivos del Ejemplo 2). Los dispositivos tenían grosores que variaban de 38,10 a 95,25 mm. Los dispositivos fueron excitados esencialmente, tal como se ha descrito anteriormente, excepto que la segunda sonda (1109) fue colocada aproximadamente en el centro de la superficie radial. El diámetro de cada uno de los dispositivos fue seleccionado de manera que el dispositivo vibraba aproximadamente a 20 kHz. Las dimensiones del dispositivo se resumen en la tabla 8, mientras que los datos obtenidos se resumen en las tablas 9 y 10. Con respecto tanto a las tabla 7 como a la 8, se debe observar que la anchura del dispositivo es la anchura del dispositivo en la superficie radial y el diámetro del dispositivo es el diámetro de dicha superficie radial.
TABLA 8 Resumen de dimensiones de dispositivos de 20 kHz de la presente invención para experimentos de ganancia
Dispositivo Anchura del dispositivo Diámetro del dispositivo Masa del dispositivo
(mm) (mm) (kg)
A 38,12 175,36 2,606
B 44,45 174,40 2,998
C 45,67 173,94 3,063
D 50,77 173,25 3,376
E 63,47 169,54 4,041
F 76,20 164,06 4,530
G 82,55 159,97 4,666
H 88,87 154,33 4,677
J 95,25 148,34 4,630
TABLA 9 Resumen de datos de amplitud a partir de experimentos de ganancia con dispositivos de 20 kHz, según la presente invenciónª
Dispositivo Amplitud radial Amplitud de longitud Ganancia promedio PRG promedio^{c}
dispositivo^{b}
A 35 14 2,5 10
B 30 15 2,0 10
C 30 15 2,0 10
D 30 18 1,7 10
E 22 17 1,3 14
F 18 18 1,0 13
G 16 18 0,9 13
H 14 17 0,8 14
J 14 19 0,7 12
^{a}Los valores de amplitud se indican en \mum, mientras que los valores de ganancia no tienen dimensiones.
^{b}La proporción de amplitud radial con respecto a la amplitud longitudinal.
^{c}Ganancia relacionada con la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
TABLA 10 Resumen de datos restantes a partir de experimentos de ganancia con dispositivos de 20 kHz de la presente invención
Dispositivo Potencia (vatios) Frecuencia (Hz) Rendimiento^{a}
A 240 20.033 0,14
B 200 20.060 0,15
C 195 20.048 0,16
D 170 20.021 0,18
E 95 20.063 0,23
F 75 20.044 0,24
G 70 20.052 0,23
H 60 20.072 0,24
J 60 20.024 0,24
^{a}En \mum de amplitud radial por vatio.
Los valores de ganancia del dispositivo de la tabla 9 fueron representados con respecto a los valores de anchura del dispositivo de la tabla 8, tal como se ha mostrado en la figura 31. De la figura 31 y de los datos de las tablas 9 y 10, es evidente que la ganancia del dispositivo varía inversamente con la anchura del mismo. Adicionalmente, hasta que la anchura del dispositivo supera los 76 mm, la ganancia del dispositivo es igual o superior a la unidad para dispositivos con esta configuración. Por otra parte, el rendimiento del dispositivo, definido como amplitud radial en micras por vatio, incrementa al incrementar la anchura del dispositivo.
Ejemplo 5 Evaluación de un dispositivo de 20 kHz con una zona saliente situada centralmente
Se obtienen también datos de rendimiento para un dispositivo rotativo de ultrasonidos de 20 kHz del tipo mostrado en la figura 10, es decir, un dispositivo con una zona elevada situada centralmente sobre la superficie radial de contacto de trabajo, excepto que el dispositivo no tenía guía de ondas alargada integral. También en este caso, el dispositivo fue mecanizado a partir de una pieza maciza de titanio. Las dimensiones reales del dispositivo se indican en la tabla 15 con referencia a la figura 32 que es una representación desde un extremo del dispositivo. Las partes curvadas de los extremos tenían un perfil de segundo orden; la ecuación de segundo orden utilizada era igual que la utilizada para los extremos del dispositivo de la figura 16. La masa del dispositivo era de 4,574 kg, incluyendo un vástago integral roscado (no mostrado en la figura 32) con un diámetro de 0,75 pulgadas (19,05 mm), y una longitud de 0,5 pulgadas (12,70 mm), y 20 hilos de rosca por pulgada (25,4 mm), Nacional Extra Fina.
TABLA 15 Dimensiones del dispositivo de 20 kHz de la figura 34
Dimensión Valor (mm)
340 187,96
341 50,80
342 50,80
343 22,22
344 6,35
345 6,35
346 7,62
347 5,08
348 2,54
349 6,35
Las mediciones descritas en relación con la figura 18 se repitieron con el dispositivo de la figura 32. De modo breve, el conjunto de excitación, los amplificadores y el dispositivo fueron configurados tal como se muestra en la figura 18. El sistema fue excitado por medio del analizador del dispositivo para determinar la frecuencia resonante del sistema. El generador fue activado a continuación, y el sistema fue excitado durante un minuto permitiendo que se estabilizara. Después del período de estabilización, se colocó una sonda de medición de desplazamiento en la entrada de excitación en el dispositivo y la otra sonda fue colocada en puntos consecutivos apropiados, principalmente a lo largo de la superficie radial del dispositivo. Las localizaciones de las sondas de medición de desplazamiento son las que se muestran esquemáticamente en la figura 33. El punto (6) representa el punto de entrada de la excitación. Con el generador en marcha, el nivel de amplitud, consumo de potencia y frecuencia fueron registrados en cada uno de los puntos (1-5), ambos inclusive (figura 33). Cada uno de los puntos (1) y (5) fue situado aproximadamente a 4 mm del borde más próximo de la superficie radial. Además, cada punto de la superficie radial del dispositivo se ha encontrado aproximadamente a 7-8 mm desde puntos adyacentes. El punto (3) se encontraba en el centro de la zona saliente. Se obtienen datos con tres combinaciones distintas de primer y segundo amplificadores, a efectos de proporcionar tres valores de ganancia del amplificador totales distintas, tal como se muestra en la tabla 16. Los datos para las tres combinaciones de amplificadores se resumen en las tablas 17-19, respectivamente.
TABLA 16 Resumen de combinaciones de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de la figura 32
Combinación Ganancia total Potencia (vatios) Frecuencia (Hz)
1 2,0 160 19.974
2 2,5 215 19.969
3 3,0 260 19.965
TABLA 17 Resumen de datos para la primera combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de la figura 32
Punto Amplitud (\mum) Ganancia dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 47,0 1,48 9,2 0,29
(2) 48,3 1,52 9,5 0,30
(3) 48,3 1,52 9,5 0,30
(4) 48,3 1,52 9,5 0,30
(5) 47,0 1,48 9,2 0,29
(6) 31,8 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (6).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
TABLA 18 Resumen de datos para la segunda combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de la figura 32
Punto Amplitud (\mum) Ganancia dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 61,0 1,50 7,0 0,28
(2) 63,5 1,56 7,3 0,30
(3) 64,8 1,60 7,4 0,30
(4) 63,5 1,56 7,3 0,30
(5) 62,2 1,53 7,1 0,29
(6) 40,6 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (6).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
TABLA 19 Resumen de datos para la tercera combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de la figura 32
Punto Amplitud (\mum) Ganancia dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 66,0 1,53 5,9 0,25
(2) 68,6 1,59 6,1 0,26
(3) 69,8 1,60 6,2 0,27
(4) 68,6 1,59 6,1 0,26
(5) 66,0 1,53 5,9 0,25
(6) 43,2 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (6).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
Tal como demuestran los datos de las Tablas 17-19, ambas inclusive, el perfil de amplitud sobre la cara de la superficie radial no es plano. Las zonas elevadas del perfil de amplitud en la parte central de la superficie radial en la potencia nominal más baja, pero tiene un máximo en el centro de la superficie radial en las dos potencias nominales más altas. A efectos de conveniencia, los valores de amplitud obtenidos para cada potencia nominal fueron representados con respecto a la distancia de cada punto con respecto al extremo sometido a excitación del dispositivo. Estos gráficos se muestran en la figura 34, en la que las curvas (A), (B) y (C) representan los perfiles de amplitud para las potencias nominales de 160, 215 y 260 vatios, respectivamente (es decir, combinaciones de amplificadores (1-3)).
Ejemplo 6 Evaluación de un dispositivo de 20 kHz que tiene una zona elevada en el extremo opuesto
Las mediciones que se han descrito se repitieron con un dispositivo rotativo de ultrasonidos de 20 kHz del tipo mostrado en la figura 11, es decir, un dispositivo que tiene una zona elevada en el extremo opuesto. El dispositivo y la guía de ondas alargada integral se mecanizaron a partir de una pieza maciza de titanio. Las dimensiones reales del dispositivo se indican en la Tabla 20 con referencia en la figura 35 que es una vista desde un extremo que representa el dispositivo (no se ha mostrado la guía de ondas integral). Las partes curvadas de los extremos tenían un perfil de segundo orden; la ecuación de segundo orden utilizada fue la misma que la utilizada para los extremos del dispositivo de la figura 16 (también en este caso, a efectos de comodidad, las partes cóncavas de los extremos de los dibujos tienen perfiles circulares).
TABLA 20 Dimensiones del dispositivo de 20 kHz de la figura 35
Dimensión Valor (mm)
370 189,23
371 172,72
372 50,80
373 50,80
374 7,62
375 6,35
376 6,35
377 5,08
378 2,54
379 6,35
Las mediciones descritas en relación con la figura 18 fueron repetidas con el dispositivo de 20 kHz de la figura 35, siguiendo el procedimiento que se ha descrito para el dispositivo de la figura 32. En el presente caso, el dispositivo tenía una guía de ondas alargada integral con una ganancia de 2,5:1, equivalente al amplificador representado por el numeral (1802) de la figura 18, y solamente se utilizó una combinación de amplificadores. El amplificador de excitación ((1801) de la figura 18) era un amplificador Dukane 1,5:1. Por lo tanto, la ganancia total del sistema era de 3,75. Los lugares de los puntos de medición se han mostrado esquemáticamente en la figura 36; las localizaciones reales de los puntos se indican en la Tabla 21. El punto (6) representa el punto de entrada de excitación. Con el generador en marcha, el nivel de amplitud, consumo de potencia y frecuencia se registraron en cada uno de los puntos (1-5), inclusive (figura 36). Los datos obtenidos se resumen en las Tablas 22 y 23.
TABLA 21 Distancias de los puntos de medición desde el extremo sometido a excitación
Distancia desde el extremo
Punto sometido a excitación (mm)
(1) 4
(2) 14
(3) 24
(4) 34
(5) 48
TABLA 22 Resumen de datos para el dispositivo de 20 kHz de la figura 35
Punto Potencia (vatios) Frecuencia (Hz)
(1) 855 19.980
(2) 855 19.963
(3) 855 19.964
(4) 855 19.965
(5) 855 19.959
TABLA 23 Resumen de datos para el dispositivo de 20 kHz de la figura 35 (Continuación)
Punto Amplitud (\mum) Ganancia dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 119 1,17 1,4 0,14
(2) 122 1,20 1,4 0,14
(3) 124 1,22 1,4 0,15
(4) 127 1,25 1,5 0,15
(5) 152 1,49 1,7 0,18
(6) 102 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (6).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
Ejemplo 7 Evaluación de un dispositivo de 40 kHz similar al dispositivo del Ejemplo 1
Tal como se ha indicado en la descripción anterior, la totalidad de los dispositivos descritos hasta el momento fueron diseñados para funcionar a una frecuencia nominal de 20 kHz. De acuerdo con ello, se diseñó una versión más pequeña del dispositivo de la figura 16 que debería funcionar a una frecuencia aproximada de 40 kHz; el dispositivo fue mecanizado a partir de titanio. Las dimensiones en milímetros de este dispositivo se muestran en la Tabla 24 con referencia a la figura 16. Además, las partes cóncavas de los extremos del dispositivo de 40 kHz tenían un perfil de segundo orden que no es el mostrado en la figura 16, poseyendo los coeficientes a y b valores de 0,2678 y -0,0644, respectivamente (a efectos de conveniencia, tal como se ha indicado anteriormente, las partes cóncavas de los extremos en los dibujos tienen perfiles circulares). La masa estimada del dispositivo era de 0,590 Kg.
TABLA 24 Dimensiones del dispositivo de 40 kHz de la figura 16
Dimensión Valor (mm)
170 87,10
171 25,40
172 25,40
173 2,54
174 2,54
175 3^{a}
176 1,27 
\hskip4.7cm
^{a} Valor aproximado
Las características acústicas y mecánicas del dispositivo de 40 kHz fueron medidas tal como ya se ha descrito anteriormente. No fue posible medir el consumo de potencia real porque el vatímetro estaba diseñado para funcionar a una frecuencia de unos 20 kHz. No obstante, se estimó el consumo de potencia en un valor de unos 160 vatios por una ganancia total de 3,75. El amplificador integral (segundo) tenía una ganancia de 2,5:1, y se utilizaron cuatro amplificadores de excitación distintos (primero) para proporcionar cuatro combinaciones distintas de amplificadores, tal como se resume en la Tabla 25. Los datos de mediciones se resumen en la Tabla 26.
TABLA 25 Resumen de combinaciones de amplificadores para el dispositivo de 40 kHz de la figura 16
Ganancia del amplificador
Combinación Primer amplificador Segundo amplificador Total
1 1,0 2,5 2,5
2 1,5 2,5 3,75
3 2,0 2,5 5,0
4 2,5 2,5 6,25
TABLA 26 Resumen de datos de desplazamiento para el dispositivo de 40 kHz de la figura 16
Amplitud (\mum) Ganancia
Combinación Radial Longitudinal Dispositivoª
1 10,2 6,6 1,5
2 14,5 9,7 1,5
3 18,3 12,4 1,5
4 20,3 14,2 1,4 
\hskip1.5cm
^{a}Proporción de la amplitud radial a la amplitud longitudinal. Ejemplo 8 Variación del comportamiento acústico con cambios en las dimensiones del dispositivo y su masa, para dispositivos similares al del Ejemplo 7
A efectos de determinar la forma en la que varía el comportamiento acústico del dispositivo de 40 kHz con los cambios en las dimensiones del dispositivo y la masa, se fabricaron ocho dispositivos con diferentes diámetros y masas, pero con configuraciones similares en los extremos y anchuras constantes en la superficie radial y grosores constantes en la parte central del dispositivo. Dado que los dispositivos tenían amplificadores integrales, no se realizaron mediciones de masa. Las anchuras y diámetros de estos dispositivos se indican en la Tabla 27.
TABLA 27 Dimensiones dispositivo 40 kHz
Dispositivo Anchura dispositivo (mm) Diámetro dispositivo (mm)
K 25,40 96,52
L 25,40 95,55
M 25,40 94,54
N 25,40 92,58
P 25,40 89,74
Q 25,40 87,93
R 25,40 87,68
S 25,40 87,10
Las características acústicas de los dispositivos fueron medidas tal como ya se ha descrito. La frecuencia del dispositivo en cada diámetro se indica en la Tabla 28.
TABLA 28 Valores de frecuencia para dispositivos de 40 kHz que tienen diámetros variables
Dispositivo Diámetro dispositivo (mm) Frecuencia dispositivo (Hz)
K 96,52 35.485
L 95,55 35.866
M 94,54 36.285
N 92,58 37.123
P 89,74 38.454
Q 87,93 39.354
R 87,68 39.485
S 87,10 39.767
Los datos de la Tabla 28 fueron trazados como diámetro (eje y) con respecto a frecuencia (eje x); el gráfico se ha mostrado en la figura 37. Por extrapolación del gráfico, se aprecia que para tener una frecuencia resonante de 40.000 Hz exactamente, el diámetro del dispositivo debe ser de 86,74 mm.
Ejemplo 9 Evaluación de un dispositivo de 20 kHz con una anchura de cuatro pulgadas (1 pulgada = 2,54 cm) según la presente invención
La totalidad de los dispositivos estudiados en los ejemplos anteriores tenían anchuras en las superficies de contacto de trabajo radiales no superiores a 50,80 mm. De acuerdo con ello, un dispositivo similar al del Ejemplo 1 y destinado a funcionar aproximadamente a 20 kHz fue mecanizado en titanio; el dispositivo tenía una anchura de 101,60 mm en la superficie de contacto de trabajo antes de ser sintonizado para funcionar aproximadamente a 20 kHz. El grosor del dispositivo en el eje longitudinal era menor que la anchura. Los extremos del dispositivo eran idénticos, excepto que el extremo a excitar estaba taladrado y roscado con un orificio de 5/8-18NF con una profundidad de 0,63 pulgadas (unos 16 mm) en el centro para aceptar un vástago roscado. El dispositivo tenía una masa de 4,640 kg.
Las dimensiones en milímetros del dispositivo se indican en la Tabla 29 con referencia a la figura 38, que es una representación desde un extremo del dispositivo, excepto que no se ha mostrado el vástago roscado. Las partes cóncavas en los extremos eran idénticas y tenían un perfil de segundo orden. Se puede observar que el proceso de sintonización tuvo como resultado una reducción de la anchura del dispositivo desde el valor original 101,60 mm (4 pulgadas) a 79,38 mm (3,125 pulgadas). No obstante, a efectos de mayor comodidad, el dispositivo se indicará a continuación como dispositivo de cuatro pulgadas.
TABLA 29 Dimensiones del dispositivo de cuatro pulgadas de anchura de 20 kHz de la figura 38
Dimensión Valor (mm)
380 158,00
381 79,38
382 50,80
383 8,89
384 8,89
385 50,80
386 25,40
387 2,54
Los valores "R" y "D" de la figura 38 son reales y definen la parte cóncava de los extremos. Así pues, el valor de D depende del valor de R. Estas dimensiones del perfil están indicadas en la Tabla 30.
TABLA 30 Dimensiones del perfil del extremo cóncavo para el dispositivo de 20 kHz de 4 pulgadas de anchura de la figura 38
Valor (mm) de R Valor (mm) de D
27,94 14,60
30,48 16,25
33,02 17,67
35,56 18,84
38,10 19,73
40,64 20,39
43,18 20,80
45,72 20,95
48,26 20,85
50,80 20,49
53,34 19,91
55,88 19,04
58,42 17,95
60,96 16,58
63,50 14,98
66,04 13,13
68,58 11,02
71,12 8,66
73,66 5,28
76,20 3,17
78,74 0,05
79,00 0,00
Las mediciones descritas en relación con la figura 18 (Ejemplo 1) fueron repetidas con el dispositivo de la figura 38. De forma breve, el conjunto de excitación, amplificadores y dispositivo generador de ultrasonidos se configuraron tal como se ha mostrado en la figura 18. El sistema fue excitado por medio del analizador del dispositivo para determinar la frecuencia resonante del sistema. El generador fue activado a continuación y el sistema fue excitado durante un minuto para permitir que el sistema se estabilizara. Después del período de estabilización, se colocó una sonda de medición de desplazamiento en la entrada de excitación del dispositivo y la otra sonda fue colocada en puntos consecutivos apropiados a lo largo de la superficie radial del dispositivo. Las localizaciones de las sondas de medición de desplazamiento se muestran esquemáticamente en la figura 39. El punto (5) representa el punto de entrada de excitación. Con el generador en marcha, el nivel de amplitud, consumo de potencia y frecuencia se registraron en cada uno de los puntos (1-4), ambos inclusive (figura 39). Cada uno de los puntos (1) y (4) fue situado aproximadamente a 6 mm desde el borde más próximo de la superficie radial. Además, cada punto de medición de la superficie radial del dispositivo se encontraba aproximadamente a 22-23 mm de los puntos adyacentes. Se obtuvieron datos con tres combinaciones distintas de un primer y segundo amplificadores, a efectos de conseguir tres valores de ganancia del amplificador distintos en total. Cada una de las combinaciones difería solamente en la ganancia del segundo amplificador, identificado en la figura 18 con el numeral (1802). La ganancia del segundo amplificador era de 1:1, 1,5:1, y 2:1, respectivamente, para las combinaciones 1, 2, y 3. En cada caso, la ganancia del primer amplificador, equivalente a (1801) en la figura 18, era de 1:1. Por lo tanto, la ganancia total de ambos amplificadores en cada una de las combinaciones 1, 2, y 3 era de 1, 1,5, y 2, respectivamente. Los datos para las tres combinaciones de amplificadores se resumen en las tablas 32 y 33.
TABLA 31 Resumen de las combinaciones de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de 4 pulgadas de ancho de la figura 38
Combinación Ganancia total Potencia (vatios) Frecuencia (Hz)
1 1,0 190 20.036
2 1,5 295 20.020
3 2,0 470 20.013
TABLA 32 Resumen de datos para la primera combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de 4 pulgadas de ancho de la figura 38
Punto Amplitud (\mum) Ganancia del dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 38,6 1,83 9,6 0,20
(2) 25,4 1,20 6,3 0,13
(3) 25,4 1,20 6,3 0,13
(4) 36,8 1,74 9,2 0,19
(5) 21,1 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (5).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
TABLA 33 Resumen de datos para la segunda combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de 4 pulgadas de ancho de la figura 38
Punto Amplitud (\mum) Ganancia del dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 51,8 1,82 6,2 0,18
(2) 33,5 1,18 4,0 0,11
(3) 33,5 1,18 4,0 0,11
(4) 48,8 1,72 5,8 0,17
(5) 28,4 - - -
^{a}La proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (5).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
TABLA 34 Resumen de datos para la tercera combinación de amplificadores con el dispositivo de 20 kHz de 4 pulgadas de ancho de la figura 38
Punto Amplitud (\mum) Ganancia del dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
(1) 63,0 1,75 3,7 0,13
(2) 42,7 1,18 2,5 0,09
(3) 42,7 1,18 2,5 0,09
(4) 67,3 1,86 4,0 0,14
(5) 36,1 - - -
^{a}Proporción de amplitud radial a la amplitud longitudinal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de amplitud del punto (6).
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}En \mum por vatio.
Ejemplo 10 Evaluación de un dispositivo de aluminio de 20 kHz de 2 pulgadas de ancho, según la presente invención
Se mecanizó otro dispositivo de 2 pulgadas de ancho a partir de una pieza de aluminio maciza. El dispositivo era esencialmente el mismo que el del Ejemplo 1, excepto que se mecanizó con una guía de onda alargada intregal con una ganancia de 2,5:1 y el diámetro correspondiente del dispositivo fue de 174,68 mm, en vez de 170,6 mm. El dispositivo fue destinado a funcionar a la frecuencia aproximada de 20 kHz.
Se utilizaron dos diferentes amplificadores distintos o primeros amplificadores para proporcionar dos combinaciones distintas de amplificadores. En la primera combinación, el primer amplificador tenía una ganancia de 1:1, y en la segunda el primer amplificador tenía una ganancia de 1,5:1. Las combinaciones de amplificadores se resumen a la tabla 35. El comportamiento del dispositivo fue medido para cada combinación tal como ya se ha descrito y se resume en las tablas 36 y 37.
TABLA 35 Resumen de combinaciones de amplificadores con el dispositivo de aluminio de 20 kHz con una anchura de 2 pulgadas
Combinación Ganancia total Potencia (vatios) Frecuencia (Hz)
1 2,5 100 19.987
2 3,75 260 19.931
TABLA 36 Resumen de datos de desplazamiento para el dispositivo de aluminio de 20 kHz con una anchura de 2 pulgadas
Amplitud (\mum) Ganancia del
Combinación Radial Longitudinal dispositivo^{a} PRG^{b} Rendimiento^{c}
1 48,3 36,8 1,3 13,0 0,48
2 66,0 50,8 1,3 5,0 0,25
^{a}Proporción de la amplitud radial a la amplitud longitudinal.
^{b}Ganancia relativa a la potencia, en vatios^{-1} x 10^{3}.
^{c}Rendimiento, en \mum de amplitud radial por vatio.
Cuando la anchura de un dispositivo según la presente invención era del orden de 5 cm, la amplitud con respecto a la superficie radial o de contacto de trabajo (es decir, la amplitud radial) era notablemente constante. Al aumentar la anchura del dispositivo hasta aproximadamente 10 cm, no obstante, se observó que la amplitud radial variaba significativamente sobre la superficie radial. Al configurar los extremos de dicho dispositivo más ancho de acuerdo
\newpage
con la realización preferente que se ha descrito, la variancia de la superficie radial en general no será superior a 20 por ciento aproximadamente.
Desde luego, los extremos de un dispositivo con una anchura en la superficie radial, que es significativamente menor a unos 10 cm, se puede configurar todavía de acuerdo con dicha realización preferente. En este caso, la amplitud radial tendrá el carácter constante que ya se ha indicado. Por lo tanto, dicha realización preferente, tendrá su mayor utilidad con respecto a dispositivos que tienen una anchura en la superficie radial comprendida aproximadamente de 5 a 13 cm.
De acuerdo con dicha realización preferente, cada uno de los extremos del dispositivo tendrá una configuración sustancialmente cóncava que comprende una parte central, circular, plana que es concéntrica con un eje de rotación y una parte con forma general convexa desde la parte plana a la superficie radial. El diámetro de la parte plana es como mínimo de 20 por ciento aproximadamente del diámetro del dispositivo.
La parte que tiene forma general convexa es una superficie curvada que tiene simetría axial y un perfil curvilíneo en sección transversal por el eje de rotación que se encuentra en el área triangular definida por (i) una línea recta que lleva desde el límite externo de la parte plana al borde de la superficie radial; (ii) una línea recta paralela al eje de rotación que se inicia en el límite externo de la parte plana y se extiende hacia afuera alejándose del dispositivo; y (iii) una línea recta que es perpendicular al eje de rotación y que se extiende desde el borde de la superficie radial a la línea recta paralela con el eje de rotación.
Una vez cumplidas estas condiciones para la configuración de los extremos, el dispositivo tendrá una variancia no superior a 20 por ciento aproximadamente sobre la superficie radial y la proporción de amplitud radial promedio con respecto a la amplitud longitudinal será, como mínimo, de 1. Los parámetros dimensionales indicados para los extremos se comprenderán mejor haciendo referencia a la figura 40, que es una vista esquemática desde el extremo de un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos según la presente invención, que tiene la configuración preferente a los extremos; mostrando en la figura los parámetros dimensionales del dispositivo. En la figura, el dispositivo (4000) tiene el eje de rotación (4001), superficie radial (4002), y extremos sustancialmente cóncavos (4003) y (4004). Las líneas de trazos muestran el perfil de los extremos en sección que pasa por el eje de rotación. Los extremos son radialmente simétricos y son imágenes especulares uno de otro. Un extremo consiste de la parte plana, central y circular (4005) y la parte de forma general convexa (4006). La parte plana (4005) es concéntrica con el eje de rotación y tiene un diámetro (4007) que es, como mínimo, 20 por ciento aproximadamente de diámetro (4008) del dispositivo (4000). La parte (4006) de forma general convexa es una superficie curvada que tiene simetría axial y perfil curvilíneo (4009) en sección, por el eje de rotación (4001) que se encuentra en el área triangular (4010) definida por (i) la línea recta (4011) que conduce desde el límite externo (4012) de la parte plana (4005) al borde (4013) de la superficie radial (4002); (ii) la línea recta (4014) que es paralela al eje de rotación (4001) y que se inicia en el límite externo (4012) de la parte plana (4005) y se prolonga hacia afuera desde el dispositivo; y (iii) la línea recta (4015) que es perpendicular al eje de rotación (4001) y que se prolonga desde el borde (4013) de la superficie radial (4002) a la línea recta (4014). La línea recta (4015) se encuentra en el plano del borde (4013).
De manera común a otras realizaciones, el perfil de la parte de forma general convexa de los extremos del dispositivo se puede expresar matemáticamente o no, según deseo. Cuando es capaz de expresión matemática, dicho perfil puede ser circular, de segundo orden, de segundo orden inverso, exponencial, exponencial inverso, de catenaria, de catenaria inversa, gausiano, gausiano inverso, combinaciones de los mismos, y similares.
El siguiente ejemplo muestra las mejoras de variancia para dispositivos anchos que tiene la configuración preferente de los extremos que se han escrito anteriormente. El ejemplo ha utilizado un dispositivo de titanio similar al mostrado en la figura 40; si bien no se ha mostrado en la figura 40, el dispositivo tenía un vástago roscado que formaba parte integral del dispositivo.
Ejemplo 11 Dispositivo según la presente invención que tiene una configuración preferente del extremo
El dispositivo tenía una anchura en la superficie radial de 101,60 mm (4,000 pulgadas) y un grosor en la zona de la parte plana, central de 44,45 mm. El diámetro del dispositivo era de 152,40 mm. La parte circular plana de los extremos tenía un diámetro de 38,10 mm. El perfil de la parte de forma general convexa de los extremos se indica en la tabla 37 con referencia a la figura 41. La figura 41 es una representación esquemática desde un extremo de la cuarta parte superior derecha del dispositivo. La línea discontinua indica el perfil del extremo en sección, pasando por el eje de rotación que se ha representado por (X). Cada uno de los puntos A-L está situado a una distancia x desde una línea (Y) que es la bisectriz del dispositivo en un plano perpendicular a la superficie radial. De manera similar, cada uno de los puntos A-L está situado a una distancia Y desde el eje de rotación. Los valores de x e y están indicados en la tabla 37.
TABLA 37 Dimensiones de perfil de la parte de forma general convexa del dispositivo del Ejemplo 11
Punto x (mm) y (mm)
A 22,22 19,05
B 27,43 22,28
C 32,51 25,65
D 37,34 29,46
E 41,66 34,04
F 45,21 39,37
G 47,50 44,96
H 49,02 51,05
I 50,80 63,50
J - -
K 50,80 76,20
Se llevaron a cabo mediciones de las características acústicas del dispositivo, tal como se ha descrito, excepto que se utilizó solamente un amplificador 2:1. La primera medición de la superficie radial fue realizada unos 5 mm desde el borde más próximo al extremo sometido a excitación. Se realizaron mediciones adicionales sobre la superficie radial a intervalos de aproximadamente 5 mm, por un total de 19 mediciones. La medición número 20 (punto (20)) se encontraba en el punto de excitación para determinar la amplitud longitudinal. Los resultados se resumen en la tabla 38.
TABLA 38 Resumen de datos para el dispositivo del Ejemplo 11
Punto Amplitud (\mum) Ganancia del dispositivo^{a} Frencuencia (Hz)
(1) 16,76 2,87 18.988
(2) 17,02 2,91 18.989
(3) 16,51 2,83 18.988
(4) 16,26 2,78 18.987
(5) 15,75 2,70 18.987
(6) 15,24 2,61 18.986
(7) 15,24 2,61 18.986
(8) 14,73 2,52 18.985
(9) 14,48 2,48 18.985
(10) 14,22 2,43 18.984
(11) 14,48 2,48 18.983
(12) 14,73 2,52 18.983
(13) 14,99 2,57 18.983
(14) 15,49 2,65 18.983
(15) 16,00 2,74 18.982
(16) 16,26 2,78 18.982
(17) 16,76 2,87 18.982
(18) 17,02 2,91 18.982
(19) 17,02 2,91 18.981
(20) 5,84 - 18.979
^{a}La Proporción de amplitud radial a amplitud longitudintal, estando representada esta última por el
\hskip1mm valor de la amplitud del punto (20).
Los valores de amplitud radial de la tabla 38 fueron convertidos en porcentaje de valores de amplitud máxima, tal como se ha mostrado en la tabla 39, y se han representado en forma de porcentaje de la amplitud máxima con respecto a la distancia desde el extremo sometido a excitación, tal como se ha mostrado en la figura 42.
TABLA 39 Porcentaje de valores de amplitud máxima para el dispositivo del Ejemplo 11
Punto Porcentaje de amplitud máxima
(1) 99
(2) 100
(3) 97
(4) 96
(5) 93
(6) 90
(7) 90
(8) 87
(9) 85
(10) 84
(11) 85
(12) 87
(13) 88
(14) 91
(15) 94
(16) 96
(17) 99
(18) 100
(19) 100
De los datos de la Tabla 38, se determinó la variancia en 16 por cien. La amplitud radial promedio fue de 15,73. De este modo, la proporción de la amplitud radial promedio con respecto a la amplitud longitudinal era de 2,69.
Los resultados anteriores se deben comparar con los resultados obtenidos en el Ejemplo 9. El dispositivo del Ejemplo 9 es similar al del Ejemplo 11, excepto que el dispositivo del Ejemplo 9 no tiene la configuración preferente del extremo para dispositivos más anchos tal como se ha descrito. Los valores de variancia para cada una de las tres combinaciones de amplificadores para el dispositivo del Ejemplo 9 son de 34, 35, y 37 por ciento, respectivamente, si bien la amplitud o ganancia sobre la superficie radial fue siempre mayor de 1. De manera más específica, la amplitud radial promedio para cada combinación de amplificadores fue de 31,6, 41,9, y 53,9, respectivamente. Por esta razón, la proporción de amplitud radial promedio con respecto a la amplitud longitudinal para cada combinación de amplificadores era de 1,50, 1,48, y 1,49, respectivamente.

Claims (18)

1. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) destinado a su excitación a una frecuencia comprendida aproximadamente de 18 a 60 kHz, cuyo dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) comprende un objeto metálico sólido, dotado de conformación, que tiene una superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) que termina en un primer extremo (32; 42; 52; 62; 72; 82; 92; 103; 113; 123; 132; 143; 4003) y un segundo extremo (65; 75; 85; 95; 106; 116; 126; 135; 146; 4004), así como un eje de rotación (36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001), en el que cada uno de dichos extremos está definido por una superficie y dicho objeto es simétrico axialmente, de manera que el diámetro, anchura y grosor se seleccionan para una frecuencia deseada, de manera que dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), después de ser excitado por energía de ultrasonidos a la frecuencia introducida en el eje de rotación (36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001), y sustancialmente perpendicular a uno o ambos de sus extremos, está adaptado para resonar de manera tal que:
(1)
el extremo excitado se desplaza sustancialmente en fase con el movimiento de la fuente de excitación;
(2)
el extremo opuesto, tanto si está activamente excitado como no, se desplaza sustancialmente en desfase con respecto al movimiento del extremo excitado;
(3)
dicha superficie radial de contacto de trabajo se desplaza también sustancialmente en desfase con el movimiento del extremo sometido a excitación; y
(4)
dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) muestra un único punto nodal en su centro geométrico,
caracterizado porque
(A)
el diámetro de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) se encuentra en una gama de valores de unos 4 cm a 19 cm;
(B)
la anchura de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) en la mencionada superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) está comprendida aproximadamente de 0,6 cm a 13 cm;
(C)
el grosor de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) en el eje de rotación (36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001) del mismo está comprendido aproximadamente de 0,6 cm a 15 cm y es independiente de la anchura de dicho dispositivo (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) en dicha superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002);
(D)
dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) tiene una masa en una gama de valores comprendida aproximadamente entre 0,06 kg y 30 kg;
(E)
dicho primer extremo (32; 42; 52; 62; 72; 82; 92; 103; 113; 123; 132; 143; 4003) y/o segundo extremo (65; 75; 85; 95; 106; 116; 126; 135; 146; 4004) tienen una configuración sustancialmente cóncava, de manera que un dispositivo que tiene un grosor superior o igual al diámetro de dicho dispositivo queda excluido; y
(F)
la anchura de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) en la superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) y el grosor de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) son tales que el perfil de amplitud es esencialmente plano con respecto a la anchura de dicha superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002).
2. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), según la reivindicación 1, en el que como mínimo un extremo (52; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146) de dicho dispositivo (50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) tiene un cubo (53; 63, 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147).
3. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140), según la reivindicación 2, en el que dicho cubo (53; 63, 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) se extiende hacia afuera desde dicho extremo (12, 13; 22, 23; 52; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146).
4. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140), según la reivindicación 2 ó 3, en el que dicho cubo (53; 63, 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) es parte integral de dicho dispositivo (50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140).
5. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (50; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140), según las reivindicaciones 2 a 4, en el que dicho cubo (53; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) se prolonga más allá de un borde (54; 64, 67; 74, 77; 84, 87; 94, 97; 105, 108; 115, 118; 125, 128; 134, 137; 145, 148) de dicha superficie radial (51; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141) de dicho dispositivo (50; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140).
6. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (70; 80), según una de las reivindicaciones anteriores, en el que un saliente (73B, 76B; 83C, 86C) sobresale de dicho extremo y/o cubo (73, 76; 83, 86) y es concéntrico con el mismo.
7. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (70; 80), según la reivindicación 6, en el que dicho vástago (73B, 76B; 83C, 86C) es roscado.
8. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (70; 80), según la reivindicación 6 ó 7, en el que dicho vástago (73B, 76B; 83C, 86C) es una parte integral de dicho dispositivo (70; 80).
9. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 4000), según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha superficie radial (31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 4002) tiene un perfil lineal.
10. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (100; 110; 120; 130; 140), según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha superficie radial (101; 112; 121; 131; 141) tiene un perfil no lineal.
11. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (100), según la reivindicación 10, en el que dicha superficie radial (101) tiene una zona saliente situada centralmente (102).
12. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (110), según la reivindicación 10, en el que dicha superficie radial (112) tiene una zona saliente (111) situada en un borde (118) de la misma.
13. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho diámetro del dispositivo, anchura y grosor, así como la configuración de las superficies extremas, se seleccionan de forma que la proporción promedio de amplitud radial sobre dicha superficie de contacto de trabajo con respecto a la amplitud longitudinal es, como mínimo, de 1 aproximadamente, y el valor promedio de la amplitud radial sobre dicha superficie radial de contacto de trabajo por vatio de potencia de excitación es, como mínimo, de 0,14 \mum aproximadamente.
14. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (4000), según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho primer extremo (4003) y el segundo extremo (4004) tienen una configuración sustancialmente cóncava que comprende una parte plana, central, circular (4005) concéntrica con dicho eje de rotación (4001) y una parte de forma general convexa (4006) desde dicha parte plana (4005) a la superficie radial (4002), en el que:
(a)
el diámetro de dicha parte plana (4005) es, como mínimo, de 20 por cien aproximadamente del diámetro del dispositivo (4000);
(b)
dicha parte de forma general convexa (4006) es una superficie curvada que tiene simetría con respecto a un eje y un perfil curvilíneo en sección, que pasa por dicho de rotación (4001) que se encuentra en el área triangular definida por (i) una línea recta que conduce desde el límite externo (4012) de dicha parte plana (4005) al borde (4013) de dicha superficie radial (4002); (ii) una línea recta paralela al eje de rotación (4001) que empieza en el límite externo (4012) de la parte plana (4005) y se extiende hacia afuera alejándose del dispositivo (4000); y (iii) una línea recta que es perpendicular al eje de rotación (4001) y que se prolonga desde el borde (4013) de dicha superficie radial (4002) a dicha línea recta paralela al eje de rotación (4001);
(c)
dicho dispositivo (4000) tiene una variancia no superior aproximadamente a 20 por ciento sobre la superficie radial (4002); y
(d)
la proporción de la amplitud radial promedio con respecto a la amplitud longitudinal es, como mínimo, de 1.
15. Dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (4000), según la reivindicación 14, en el que la anchura de dicho dispositivo (4000) en dicha superficie radial (4002) es de 5 a 13 cm.
16. Utilización del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), según una de las reivindicaciones anteriores, para la unión por ultrasonidos de dos o más artículos entre sí o para tratar un material.
17. Utilización del dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), según la reivindicación 16, en la que dichos medios de vibración (1800) para proporcionar una fuente de vibración mecánica longitudinal están acoplados a uno o ambos extremos (32, 35; 42, 47; 52, 55; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146; 4003, 4004) del dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), opcionalmente con intermedio de una guía de ondas alargada, medios de impulsión para la rotación de dicho dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos y/o un soporte rotativo quedan dispuestos con gran proximidad a dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000).
18. Aparato para la unión por ultrasonidos de dos o más materiales entre sí, o para procesar por ultrasonidos un material, cuyo aparato comprende un dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), medios de vibración (1800) para proporcionar una fuente de vibración mecánica longitudinal acoplados a uno o ambos extremos (32, 35; 42, 47; 52, 55; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146; 4003, 4004) de dicho dispositivo (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), opcionalmente por intermedio de una guía de ondas alargada, medios de soporte para dicho dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, medios de impulsión para la rotación de dicho dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, y un soporte o yunque rotativo con gran proximidad a dicho dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos, caracterizado porque el dispositivo rotativo para la aplicación de ultrasonidos es un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-15.
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