Una bocina ultrasónica (también conocida como bocina acústica , sonotrodo , guía de ondas acústicas , sonda ultrasónica ) es una barra de metal ahusada comúnmente utilizada para aumentar la amplitud de desplazamiento de oscilación proporcionada por un transductor ultrasónico que opera en el extremo bajo del espectro de frecuencia ultrasónica (comúnmente entre 15 y 100 kHz). El dispositivo es necesario porque las amplitudes proporcionadas por los propios transductores son insuficientes para la mayoría de las aplicaciones prácticas de ultrasonidos de potencia . [2] Otra función de la bocina ultrasónica es transferir eficientemente la energía acústica del transductor ultrasónico.en el medio tratado, [3] que puede ser sólido (por ejemplo, en soldadura ultrasónica , corte ultrasónico o soldadura ultrasónica ) o líquido (por ejemplo, en homogeneización ultrasónica , sonoquímica , molienda , emulsificación , pulverización o rotura celular ). [1] El procesamiento ultrasónico de líquidos se basa en fuerzas de cizallamiento intensas y condiciones locales extremas (temperaturas de hasta 5000 K y presiones de hasta 1000 atm) generadas por cavitación acústica . [2]
Descripción
La bocina ultrasónica es comúnmente una varilla de metal sólido con una sección transversal redonda y una sección transversal longitudinal de forma variable: la bocina de la varilla . Otro grupo incluye el cuerno de bloque , que tiene una gran sección transversal rectangular y una sección transversal longitudinal de forma variable, y cuernos compuestos más complejos. [4] Los dispositivos de este grupo se utilizan con medios sólidos tratados. La longitud del dispositivo debe ser tal que haya resonancia mecánica a la frecuencia ultrasónica de funcionamiento deseada: una o varias medias longitudes de onda de ultrasonido en el material de la bocina, teniendo en cuenta la dependencia de la velocidad del sonido de la sección transversal de la bocina. En un conjunto común, la bocina ultrasónica se conecta rígidamente al transductor ultrasónico mediante un perno roscado.
Los cuernos ultrasónicos se pueden clasificar por las siguientes características principales: 1) Forma de la sección transversal longitudinal: escalonada, exponencial, cónica, catenoidal, etc. 2) Forma de la sección transversal: redonda, rectangular, etc. 3) Número de elementos con diferentes perfil de sección transversal longitudinal - común y compuesto. [3] [5] Una bocina ultrasónica compuesta tiene una sección de transición con una cierta forma de sección transversal longitudinal (no cilíndrica), colocada entre secciones cilíndricas.
Con frecuencia, una bocina ultrasónica tiene una sección de transición con un perfil de sección transversal longitudinal que converge hacia el extremo de salida. Así, la amplitud de oscilación longitudinal de la bocina aumenta hacia el extremo de salida, mientras que el área de su sección transversal disminuye. [6] Las bocinas ultrasónicas de este tipo se utilizan principalmente como partes de varios instrumentos ultrasónicos para soldadura ultrasónica , soldadura ultrasónica , corte, fabricación de herramientas quirúrgicas, tratamiento de metal fundido, etc. Las bocinas ultrasónicas convergentes también se incluyen comúnmente en los procesadores de líquidos de laboratorio utilizados para un una variedad de estudios de procesos, incluidos sonoquímicos , emulsificación , dispersión y muchos otros. [7]
En procesadores de líquidos ultrasónicos industriales de alta potencia, [8] tales como reactores sonoquímicos comerciales , homogeneizadores ultrasónicos y sistemas de molienda ultrasónica destinados al tratamiento de grandes volúmenes de líquidos a altas amplitudes ultrasónicas (mezcla ultrasónica, producción de nanoemulsiones, dispersión de partículas sólidas, ultrasonidos nanocristalización, etc.), el tipo de cuerno ultrasónico preferido es el cuerno de barra. [7] Los cuernos de barra son capaces de amplificar amplitudes ultrasónicas mientras retienen grandes diámetros de salida y áreas radiantes. Por lo tanto, es posible reproducir directamente los estudios de optimización de laboratorio en un entorno de producción comercial cambiando de cuernos convergentes a con barra mientras se mantienen altas amplitudes ultrasónicas. Si se amplía correctamente, los procesos generan los mismos resultados reproducibles en la planta que en el laboratorio. [7]
La amplitud ultrasónica máxima alcanzable depende, principalmente, de las propiedades del material del que está hecho un cuerno ultrasónico, así como de la forma de su sección transversal longitudinal. Comúnmente, los cuernos están hechos de aleaciones de titanio , como Ti6Al4V, acero inoxidable , como 440C y, a veces, aleaciones de aluminio o metales en polvo. Las formas de sección de transición más comunes y sencillas de hacer son cónicas y catenoidales .
Aplicaciones
Plástica
Los productos de consumo, los componentes automotrices, los dispositivos médicos y la mayoría de las industrias utilizan ultrasonidos. Los insertos de metal se pueden asegurar en plástico y los materiales diferentes a menudo se pueden unir con el diseño de herramientas adecuado. Los cuernos ultrasónicos vienen en una variedad de formas y diseños, pero todos deben estar sintonizados a una frecuencia de operación específica; los más comunes son 15 kHz, 20 kHz y 40 kHz.
La soldadura ultrasónica utiliza movimiento vertical de alta frecuencia para producir calor y el flujo de material termoplástico en la interfaz de las piezas acopladas. La presión se mantiene después de que se detiene el suministro de energía para permitir la resolidificación del plástico entretejido en la unión, asegurando las piezas con una unión homogénea o mecánica. Este proceso ofrece un medio de montaje respetuoso con el medio ambiente en comparación con los adhesivos o sujetadores mecánicos convencionales. [9]
Referencias
- ^ a b c Sitio web de Sonomecánica industrial, 2011
- ^ a b Peshkovsky, SL y Peshkovsky, AS, "Modelo de ondas de choque de cavitación acústica", Ultrason. Sonochem., 2008. 15: pág. 618–628.
- ^ a b Peshkovsky, SL y Peshkovsky, AS, "Hacer coincidir un transductor con el agua en la cavitación: principios de diseño de la bocina acústica", Ultrason. Sonochem., 2007. 14: pág. 314–322.
- ^ Sitio web de Sonic Power
- ^ Abramov, OV, "Ultrasonidos de alta intensidad: teoría y aplicaciones industriales", 1999: CRC Press. 692.
- ^ "Propiedades y diseños de cuerno ultrasónico", sitio web de Sonomecánica industrial, 2011
- ^ a b c "Tecnología ultrasónica de cuerno de barra", sitio web de Sonomecánica industrial, 2011
- ^ "Sistemas de procesamiento de líquidos ultrasónicos", sitio web de Sonomecánica industrial, 2011
- ^ "Ultrasonidos", ToolTex.com, 2013
Otras lecturas
- TJ Mason; J. Phillip Lorimer (2002). Sonoquímica aplicada: los usos del ultrasonido de potencia en química y procesamiento . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30205-0.
- Yatish T. Shah; AB Pandit; VS Moholkar (1999). Ingeniería de reacción de cavitación . Saltador. ISBN 0-306-46141-2.