ES2365901A1 - Transductor ultrasónico. - Google Patents

Abstract

Transductor ultrasónico, caracterizado porque comprende: cuatro bobinas formando un par de bobinas de Helmholtz, una membrana flexible multicapa situada en el centro del par de bobinas de Helmholtz, comprendiendo la membrana flexible al menos una capa de un material con propiedades piezoeléctricas y otra capa de un material de propiedades magnetoeléctricas, y un encapsulado para mantener las bobinas de Helmholtz y la membrana unidas.

Description

Transductor ultrasónico.

La presente invención hace referencia a un transductor ultrasónico.

Los transductores ultrasónicos convierten una seña 1 eléctrica a frecuencias ultrasónicas en una señal de presión acústica que se propaga por el aire.

La presente invención da a conocer un transductor ultrasónico con una nueva construcción que aporta ventajas y nuevas funcionalidades sobre los actualmente existentes.

Una objetivo de la presente invención es dar a conocer un transductor ultrasónico en el que puede prescindirse en su construcción de componentes magnéticos.

Otro objetivo de la presente invención es dar a conocer un transductor que, gracias a su construcción tridimensional, permite enfocar sin necesidad de utilizar lentes sónicas o "arrays" paramétricos.

Otro objetivo de la presente invención es dar conocer un transductor ultrasónico que presenta un menor consumo de energía comparado con los transductores actualmente existentes.

Otro objetivo adicional de la presente invención es dar a conocer un transductor ultrasónico que permite una gran cobertura y una gran direccionalidad en rangos en los cuales los transductores comercialmente disponibles carecen de la suficiente exactitud.

En particular, la presente invención consiste en un transductor ultrasónico que comprende:

- cuatro bobinas idénticas formando un par de bobinas de Helmholtz,

- una membrana flexible multicapa situada en el centro del par de bobinas de Helmholtz, comprendiendo la membrana flexible al menos una capa de un material con propiedades piezoeléctricas y otra capa de un material de propiedades magnetoeléctri-
cas, y

- un encapsulado para mantener las bobinas de Helmholtz y la membrana unidas.

Preferentemente, la membrana consiste en una estructura de cuatro capas, dos capas un material de naturaleza magnetoeléctrica, (preferentemente FeBSiC), y dos capas de naturaleza piezoeléctrica (preferentemente P(VDF-TrFe)). Preferentemente, las capas de la membrana quedan unidas de manera dimorfa, de manera que quedan en contacto entre sí las caras de las capas con polaridad opuesta.

En esta estructura, la aplicación de un campo magnético a la membrana causará la elongación de una de las capas magnetoeléctricas y la contracción de la otra, curvando la membrana, producto de las tensiones superficiales (tangenciales) creadas sobre la misma. A su vez, la aplicación de un campo eléctrico sobre las capas piezoeléctricas causará otro efecto de curvatura sobre la membrana en la misma dirección. De esta forma, aplicando un campo eléctrico o magnético continuo se construye un elemento curvo a partir de la membrana. La curvatura formada en la membrana tiene dos funciones: en primer lugar, una expansión o contracción superficial de la membrana supone, debido a la curvatura, un desplazamiento de la misma en la tercera dimensión, creando así un campo de presión en el aire. En segundo lugar, la variación de la curvatura de la membrana según el campo eléctrico y la intensidad aplicados permite ajustar el punto focal del elemento curvo lo que supone poder definir una ganancia de enfoque del transductor. El resultado de "enfocar" ultrasonidos es que éstos producirán mayor intensidad a cortas distancias y rápida dispersión del sonido más allá del punto de enfoque, lo que convierte el transductor en un dispositivo de pequeña distancia, característica requerida en ciertas aplicaciones. La presente invención permite usar el fenómeno conocido en inglés como "scattering sound by sound", que consiste en enviar información modulando una portadora ultrasónica y aprovechar la demodulación ejercida por el aire sobre los ultrasonidos con el fin de obtener sonidos audibles. El valor de esta resonancia permite a su vez un tamaño aceptable para transductores pequeños. Mediante el montaje magneto-piezoeléctrico se consiguen elevadas tensiones de la membrana con la aplicación de campos magnéticos de pequeña magnitud, los cuales precisan voltajes sensiblemente menores a los requeridos para generar la misma tensión de membrana únicamente con aplicación de campo eléctrico sobre la capa piezoeléctrica. Este efecto es debido a la interacción de tensiones entre las capas magnetoeléctricas y las piezoeléctricas.

La bobina de Helmholtz consiste en la disposición encaradas y paralelas de dos bobinas con los mismos radios idénticos, distanciados entre ellas ese mismo radio con el fin de crear un campo magnético uniforme normal a las bobinas en donde se posicionará la membrana. Este campo magnético crea unas tensiones sobre las capas magnetoeléctricas las cuales ocasionarán altos voltajes en las capas piezoeléctricas. Para crear la curvatura de la membrana se aplica, pues, una tensión de polarización continua, y luego aplicando otra tensión alterna se consiguen generar ultrasonidos tal como se ha explicado anteriormente. Preferentemente, las bobinas presentarán el mismo radio que la membrana. De esta manera se consigue una máxima transducción de voltaje sobre la capa piezoeléctrica manteniendo un tamaño minimizado para el transductor. En uso, preferentemente, la frecuencia del campo magnético alterno de polarización debe ser igual a la frecuencia de resonancia de la membrana para una transducción máxima. Estos voltajes AC y DC son preferentemente aplicados a las bobinas son también aplicados sobre la membrana para aumentar la tensión en las capas piezoeléctricas, incrementando así la presión generada. A pesar de que esta tensión es significativamente menor a la producida por efecto de los campos magnéticos, con este paso se dota de reactancia capacitiva a la impedancia del transductor puesto que cargas inductivas puras como las bobinas pueden ocasionar picos de tensión durante el encendido o paro (debidos al voltaje DC) que pueden dañar el amplificador de control del transductor. La solución habitual es entonces añadir un condensador al circuito.

El encapsulado mantiene unidas las bobinas y la membrana en la posición correcta, pero también puede prevenir la dispersión de ultrasonidos en los costados. Esta dispersión es secundaria con respecto a los ultrasonidos enfocados ya que, aunque la bobina de Helmholtz distribuye uniformemente el campo magnético a lo largo de su eje siendo constante en el centro de la membrana, en la zona más cercana a las bobinas la amplitud del campo magnético es ligeramente inferior. Debido a este hecho se crean tensiones mayores en la zona de mayor libertad de movimiento de la membrana, la zona cercana al centro de la membrana, y menores tensiones en las áreas que limitan con el encapsulado, concentrándose aun más los ultrasonidos en el eje acústico.

Para una mejor compresión de la invención, se adjunta a titulo de ejemplo explicativo pero no limitativo, unos dibujos de una realización de la presente invención.

La figura 1 es una vista en perspectiva explosionada de un transductor según la presente invención.

La figura 2 es una vista en perspectiva esquemática del transductor de la figura 1, con los componentes montados.

La figura 3 muestra otra vista en perspectiva explosionada en el que puede observarse la disposición de elementos que fijan la membrana.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva explosionada en la que se muestra en detalle la disposición central de elementos.

En la figura 5 se ha representado de manera esquemática el modo de unión de la manera.

La figura 6 es otra vista explosionada del transductor, desde un punto de vista diferente.

El transductor mostrado en las figuras está compuesto por tres elementos: cuatro bobinas idénticas, (1), (2), (3), (4) para formar dos pares de bobinas de Helmholtz, una fina membrana (9) formada por varias capas de diferentes propiedades y el encapsulado (5), (6) para mantener las bobinas de Helmholtz (1), (2), (3), (4) y la membrana (9) unidas.

La membrana (9) del ejemplo consiste en una estructura de cuatro capas, dos capas de Metaglas, un material de naturaleza magnetoeléctrica, cuya composición es FeBSiC, y dos capas de P(VDF-TrFe) de naturaleza piezoeléctrica. Las capas están unidas de manera dimorfa, de manera que se adhieren con resina epoxidica las caras con polaridad opuesta formando un elemento flexible. La aplicación de un campo magnético a la membrana causará la elongación de una de las capas magnetoeléctricas y la contracción de la otra, curvando la membrana, producto de las tensiones superficiales (tangenciales) creadas sobre la misma. A su vez, la aplicación de un campo eléctrico sobre las capas piezoeléctricas causará el mismo efecto de curvatura sobre la membrana en la misma dirección. De esta forma, aplicando un campo eléctrico o magnético continuo se construye un elemento curvo a partir de la membrana.

La resonancia de la membrana (9) queda definida por su masa, grosor y, sobretodo, por su tamaño, lo que podrá ser ajustado en función. El transductor del ejemplo está diseñado para tener una resonancia alrededor de los 60 kHz. La presente invención permite usar el fenómeno conocido en inglés como "scattering sound by sound", que consiste en enviar información modulando una portadora ultrasónica y aprovechar la demodulación ejercida por el aire sobre los ultrasonidos con el fin de obtener sonidos audibles. El valor de esta resonancia permite a su vez un tamaño aceptable para transductores pequeños. El montaje magneto/piezoeléctrico consigue elevadas tensiones de la membrana con la aplicación de campos magnéticos de pequeña magnitud, los cuales precisan voltajes sensiblemente menores a los requeridos para generar la misma tensión de membrana únicamente con aplicación de campo eléctrico sobre la capa piezoeléctrica. Este efecto es debido a la interacción de tensiones entre las capas magnetoeléctricas y las
piezoeléctricas.

Las bobinas (1), (2), (3), (4) se usan para formar una bobina de Helmholtz. Tal como se observa en las figuras, se posicionan encaradas y paralelas dos bobinas con los mismos radios idénticos, distanciados entre ellas ese mismo radio con el fin de crear un campo magnético uniforme normal a las bobinas en donde se posicionará la membrana. Este campo magnético crea unas tensiones sobre las capas magnetoeléctricas las cuales ocasionarán altos voltajes en las capas piezoeléctricas. Para crear la curvatura de la membrana se aplica una tensión de polarización continua, y luego aplicando otra tensión alterna conseguiremos generar ultrasonidos tal como se ha explicado anteriormente. Las bobinas (1), (2), (3), (4) del ejemplo se eligen y/o diseñan para crear un campo magnético que proporcione el máximo efecto magnetoeléctrico con el mínimo voltaje necesario y con aproximadamente el mismo radio que la membrana, esto para una máxima transducción de voltaje sobre la capa piezoeléctrica manteniendo el tamaño requerido para el transductor. La frecuencia del campo magnético alterno de polarización debe ser igual a la frecuencia de resonancia de la membrana (9) para una transducción máxima. Estos voltajes AC y DC aplicados a las bobinas (1), (2), (3), (4) son también aplicados sobre la membrana (9) para aumentar la tensión en las capas piezoeléctricas, incrementando así la presión generada. A pesar de que esta tensión es significativamente menor a la producida por efecto de los campos magnéticos, este paso provee de reactancia capacitiva a la impedancia del transductor puesto que cargas inductivas puras como las bobinas pueden ocasionar picos de tensión durante el encendido o paro (debidos al voltaje DC) que pueden dañar el amplificador de control del transductor. La solución habitual es entonces añadir un condensador al circuito.

El encapsulado (5), (6) mantiene unidas las bobinas (1), (2), (3), (4) y la membrana en la posición correcta (9). Puede resultar preferente un material plástico liso puesto que así la reflexión de frecuencias ultrasónicas es mayor y, a su vez, se incrementa la directividad del transductor por el hecho de que previene la dispersión de ultrasonidos en los costados. Esta dispersión es secundaria con respecto a los ultrasonidos enfocados ya que, aunque la bobina de Helmholtz distribuye uniformemente el campo magnético a lo largo de su eje siendo constante en el centro de la membrana, en la zona más cercana a las bobinas la amplitud del campo magnético es ligeramente inferior. Debido a este hecho se crean tensiones mayores en la zona de mayor libertad de movimiento de la membrana, la zona cercana al centro de la membrana, y menores tensiones en las áreas que limitan con el encapsulado (5), (6), concentrándose aun más los ultrasonidos en el eje acústico. El encapsulado consiste en dos partes (5), (6) que contienen dos bobinas cada una de ellas, y estas dos partes se unen entre sí con una configuración de clavija (11) - hueco (12) (pin-hole setup). Una de las piezas tiene "pins" (11) de plástico que encajan exactamente con los huecos de la otra parte (12). Este sistema de encaje está ubicado exactamente en la mitad del transductor puesto que los mismos "pins" (11) son usados para sujetar la membrana (9) justo entre las dos piezas y a su vez para polarizar la membrana mediante dos finas capas de metal (7), (10) situadas en los extremos que forman el encaje de cada pieza.

Las capas metálicas (7), (10) polarizan la membrana de modo transversal mientras que las bobinas, como hemos comentado anteriormente, lo harán de manera longitudinal.

Uno de los extremos del transductor puede rellenarse con material poroso paralelo a la membrana. Este extremo corresponderá a la parte trasera del transductor para reducir la dispersión de ultrasonidos en éste. El encapsulado está cerrado por atrás con una puerta circular abierta para evitar la compresión del aire en la parte trasera de manera similar a los altavoces Bassreflex.

Todas las bobinas y el polarizador metálico de membrana (el cual actuará de elemento capacitivo) estarán preferentemente conectados en paralelo para conseguir el mínimo voltaje de alimentación del transductor. Una razón por la cual se establecen dos bobinas de Helmholtz (1), (2), (3), (4) es que el campo magnético resultante debe ser aplicado en ambas direcciones x e y para crear un patrón de directividad normal a la membrana simétrico en ambos ejes. La membrana está sujeta por los "pins" (11) de la pieza frontal (5) al insertarse en los huecos de la pieza trasera (6). Su ubicación corresponde al centro de todas las bobinas de modo que de beneficia al máximo del campo magnético creado.

En general, todo lo que no afecte, altere, cambie o modifique la esencia de lo descrito, quedará comprendido dentro de la presente invención.

Claims (13)

1. Transductor ultrasónico, caracterizado porque comprende:

- cuatro bobinas formando un par de bobinas de Helmholtz,

- una membrana flexible multicapa situada en el centro del par de bobinas de Helmholtz, comprendiendo la membrana flexible al menos una capa de un material con propiedades piezoeléctricas y otra capa de un material de propiedades magnetoeléctricas, y

- un encapsulado para mantener las bobinas de Helmholtz y la membrana unidas.

2. Transductor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana comprende cuatro capas.

3. Transductor, según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende dos capas con propiedades magnetoeléctricas y dos capas con propiedades piezoeléctricas.

4. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las capas se distribuyen de manera que se ponen en contacto entre si capas de polaridad opuesta.

5. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las cuatro bobinas son idénticas.

6. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la membrana presenta el mismo diámetro que las bobinas.

7. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque aplica sobre la membrana el voltaje aplicado sobre las bobinas.

8. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el encapsulado se dispone para prevenir la dispersión ultrasonidos por los costados.

9. Transductor, según la reivindicación 8, caracterizado porque el encapsulado está formado por dos partes de plástico liso unidas entre sí con una configuración clavija-hueco en la que también se sujeta la membrana.

10. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque presenta capas metálicas en contacto con la membrana, para polarizarla.

11. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque un extremo del encapsulado queda relleno con un material poroso paralelo a la membrana, terminando el encapsulamiento en dicho extremo en una puerta circular abierta.

12. Transductor, según cualquiera de kas reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el material con propiedades piezoeléctricas es P(VDF-TrFe)

13. Transductor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el material con propiedades magnetoeléctricas es FeBSiC.