FAQ: Passamos a usar o Analisador TRZ® lendo seu manual. Tenho uma FAQ sobre o design do transdutor. Você tem alguma orientação prática sobre o desenvolvimento de transdutores? Agradeço se você puder nos ajudar com esse problema. Sr. H.B.
Projeto de transdutor ultrassônico que pode ser testado e sintonizado com o Analisador TRZ®.
Teremos o maior prazer em compartilhar nossa experiência e ajudá-lo, no entanto, não temos um guia prático para o projeto de transdutores. A abordagem e o nível de dificuldade dependerão se você tem um transdutor de referência ou se está começando do zero. Até mesmo replicar um transdutor, sem melhorias ou inovações, pode ser uma tarefa árdua e multidisciplinar. Em nossa experiência, os principais desafios para desenvolver tendo um transdutor de referência são os seguintes:
Seleção dos materiais - Não basta saber se é titânio, alumínio ou aço, é preciso conhecer as ligas, os tratamentos térmicos e a dureza. As diferenças nos materiais implicarão em mudanças nas propriedades elásticas, eficiência de vibração e resistência à fadiga. Mudanças nas propriedades elásticas causam mudanças na frequência e podem desequilibrar o ponto nodal. Mudanças na eficiência podem reduzir a amplitude máxima de vibração. Mudanças na resistência à fadiga afetam a vida útil. É possível medir as frequências de ressonância e antirressonância com o Analisador TRZ, bem como avaliar a eficiência de vibração pelo fator de qualidade mecânico Qm.
Usinagem e sintonia - A frequência do dispositivo e suas dimensões são inversamente proporcionais (quanto maior o transdutor, menor a frequência). Imprecisões dimensionais e acabamento deficiente da superfície resultam em variações de frequência. Uma vez que as tolerâncias na usinagem são inevitáveis, normalmente é necessário realizar a sintonia fina de transdutores, sonotrodos e pontas ultrassônicas. A sintonia é geralmente realizada com o encurtamento e o ajuste do ângulo de dobra no caso de pontas curvas. Nota: É possível usar o Software TRZ para registrar graficamente as mudanças de frequência ao longo do processo de sintonia e estabelecer curvas de referência.
Balanceamento do ponto nodal - Há muitos modelos de transdutores que possuem um invólucro pelo qual é segurado ou fixado para ser usado, mas a região de fixação deve ser uma linha nodal. Se a região de fixação estiver vibrando, a fixação amortecerá a vibração e reduzirá a amplitude. Semelhante a uma roda em que o eixo precisa ser posicionado exatamente no meio, um transdutor deve ser fixado na linha nodal. O problema é que a linha nodal não é um ponto médio geométrico ou centro de massa, mas sim uma linha de equilíbrio acústico. Mudanças em um lado do transdutor, como variações nas propriedades elásticas, podem causar incompatibilidade entre a linha nodal e a posição de fixação. Para avaliar se a linha nodal coincide com a posição de fixação, pode-se medir o fator de qualidade mecânico Qm com o Analisador TRZ® antes e depois da fixação.
Aplicação da pré-compressão - Pré-compressão ou pré-carga, é a pressão estática aplicada às cerâmicas piezoelétricas durante a montagem do transdutor. Essa pressão visa maximizar o limite de potência de operação e o acoplamento mecânico entre as partes dos transdutores, além de evitar deslocamentos durante a vibração. A pré-compressão é um fator chave para a vida útil, potência máxima e eficiência dos transdutores. No entanto, o excesso de pré-compressão altera as propriedades da cerâmica e pode causar esmagamento; enquanto a falta dela provoca o deslocamento lateral da cerâmica em alta potência, levando a trincas, arcos elétricos e curtos-circuitos. Essencialmente, a pré-compressão ótima depende da resistência à compressão do material piezoelétrico e da distribuição de pressão sobre a cerâmica. Os valores típicos são 45 MPa para PZT-8 e 35 MPa para PZT-4. Para controlar a pré-compressão, recomendamos a utilização do instrumento de teste PiezoClamping®.
Vedação - Muitos transdutores médicos têm circulação salina e uma causa comum de problemas são os vazamentos. É necessária uma atenção especial com a vedação para evitar que esses problemas ocorram.
Para desenvolvimentos partindo do zero, são necessários profissionais com formação multidisciplinar e com experiência com ultrassom de potência. Além dos pontos listados acima, é preciso estabelecer a amplitude de vibração e avaliar cuidadosamente a distribuição de tensões e as linhas nodais no projeto. Para tanto, pode-se lançar mão de ferramentas de software para análises por elementos finitos. Na ATCP, temos experiência em ajudar nossos clientes a replicar, reformar e realizar controle de qualidade de transdutores ultrassônicos para aplicações industriais e médicas; no entanto, nossa experiência em ajudar nossos clientes a desenvolver do zero é limitada.
Aprenda mais sobre a sintonia de sonotrodos e o teste de conjuntos acústicos.