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DISPOSITIF DE MISE EN VIBRATION ULTRASONIQUE D'UNE
STRUCTURE NON ACCORDES
La présente invention concerne un dispositif de mise en
vibration ultrasonique d'une ou de plusieurs structurels) non accordée(s).
Ces structures peuvent être de types très différents, cependant dans le
cadre de la presente description, on se limitera essentiellement à une
structure de tamisage, sans que cela ne doive être interprété comme une
limitation de l'objet de la présente invention.
Depuis de nombreuses années, il est bien connu que la mise en
vibration ultrasonique de tamis améliore les rendements qualitatifs et
quantitatifs du tamisage de poudres fines ou de granulés réputés difficiles
a traiter.
I1 convient de rappeler par exemple les problèmes rencontrés
avec les poudres microniques et submicroniques, minérales, métalliques et
céramiques. ou encore les granules sphéroidiques qui ont tendance à
colmater les tamis. Les techniques d'assistance par ultrasons ont déjà été
décrites dans la littérature spécialisée et en particulier dans l'ouvrage
intitulé Crowford Engineering de Frederick and Co.
L'état de la technique peut également être illustré par
~5 FR-A-2 233 108 qui décrit des équipements de tamisage dotés d'un
transducteur ultrasonique placé au contact direct de la toile de tamisage.
On' observera qu'un te! dispositif se trouve limité à des tamis
circulaires. L!émission des ultrasons se faisant à partir d'un point d'ancrage
unique, la maille est en outre soumise à des contraintes non négligeables à
ce niveau, ce qui peut engendrer son usure prématurée et, en conséquence,
une pollution du produit passant.
Dans le cas du tamiseur utilisant plusieurs étages de toile, il
est nécessaire de multiplier d'autant le nombre de transducteurs avec la
complexité de montage que cela impose. Ce dispositif de l'art antérieur
présente un autre inconvénient dans la mesure où, dans tous les cas, le
convertisseur se trouvera exposé directement au produit traité et devra
donc la plupart du temps être monté de manière étanche.
On connaît par le document DE-A-38 13 178 un dispositif de
mise en vibration à une fréquence ultrasonique d'une structure, comprenant
au moins un convertisseur électro-acoustique apte à vibrer selon une
direction de vibration et fixé de façon rigide à ladite structure au moyen
d'éléments de fixation métalliques accordes à la fréquence du convertisseur,
les liaisons avec la structure se situant dans une zone de ventre d'amplitude
desdits éléments de fixation.
La présente invention a précisément pour but de mettre au
Point un dispositif de mise en vibration ultrasonique qui permette d'écarter
tous les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur.
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WO 92/12807 PCT/FR92/00033 , ..
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Le but principal de la présente invention est de rendre
résonante une structure support, par exemple un support de toile, de
membrane ou de toute autre plaque qui, par construction, ne présente
aucune résonance à la fréquence utilisée par l'émetteur ultrasonique.
Le dispositif ultrasonique, selon l'invention, a également pour
but d'optimiser le rendement ultrasonique, quelles que soient les formes et
les dimensions de la structure à mettre en vibration. Bien-sOr, l'un des
objectifs principaux de la présente invention a été d'éviter que le
transducteur ultrasonique vienne au contact direct de la toile du tamis ou
de la membrane de travail. En outre, dans le cas du tamis, le dispositif
selon l'invention permet d'exciter la maille à partir d'une énergie
ultrasonique préalablement répartie dans son cadre~support, limitant ainsi
au maximum les contraintes au niveau des points d'ancrage. Enfin, comme
cela se trouvera explicité plus en détail dans la suite de la présente
description, le dispositif ultrasonique, selon la présente invention, doit
également pouvoir s'adapter à des structuras existantes en modifiant la
forme géométrique des éléments de liaison accordés en multiples entiers de
demi longueur d'onde de la fréquence délivrée.
Conformément à la présente invention, ces objectifs ont pu
être atteints grâce à la mise au point d'un disp~itif de mise en vibration à
une fréquence ultrasonique d'une structure non accordée, qui se caractérise
par le fait qu'il comprend au moins un convertisseur électroacoustique fixé
de façon rigide à ladite structure au moyen d'éléments de fixation
métalliques accordés à la fréquence du convertisseur, les lïsisons de
structure se situant dans une zone de ventre d'amplitude desdits éléments .
de fixation et la résonance de l'ensemble étant assurée par la fixation d'un
écrou ou de tout ensemble métallique accordé en multiple entier de
demi-longueur d'onde.
D'autres caractéristiques et avantages de l'objet de la
présente invention apparaîtront à !a lecture de la description détaillée
faite ci-après, notamment en référence à des modes de réalisation
particuliers illustrés sur des dessins annexés, dessins sur lesquels
- les figures 1 et 2 représentent deux types de profilage différents de
barreaux de couplage, de manière à s'adapter aux contraintes dimension
pelles d'une structure à faire vibrer, tout en respectant la fréquence de
résonance;
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- les figure 3 à 8 illustrent différentes variantes de modes de réalisation
destinés à mettre en vibration ultrasonique des structures simples ou
multiples affectant des formes différentes.
On rappellera que l'un des buts essentiels du dispositif
ultrasonique, selon l'invention, est de pouvoir s'adapter facilement à
différents types de structures pré-existantes ainsi qu'à des structures
présentant des formes et des dimensions imposées en fonction de leur
destination. Le dispositif ultrasonique selon l'invention permet d'atteindre
cet objectif, par exemple à l'aide des deux modes de réalisation
schématisés sur les figures 1 et 2.
Sur ces figures, la structure a été schématisée par la
représentation portant la référence 10. 11 s'agit d'une structure de nature
quelconque non-accordée, par exemple d'une structure supportant un organe
de travail quelconque, notamment une toile de tamisage.
Le dispositif ultrasonique, selon l'invention, comprend tout
d'abord un convertisseur électroacoustique 12 qui doit donc être fixé de
façon rigide à ladite structure 10. Dans' tous les modes de réalisation
décrits, les liaisons avec la structure 10 se situent dans une zone de ventre
d'amplitude V.
Cette fixation est réalisée au moyen d'éléments métalliques
qui sont accordés à la fréquence du convertisseur étant entendu que la
longueur desdits éléments inclut l'épaisseur des pattes de liaison avec la
structure 10. Sur Ies modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2, les
éléments de fixation métalliques sont , constitués par des barreaux de
couplage 14. Les barreaux de couplage 14 sont interposés entre deux parois
en regard de la structure 10.
Bien entendu, ces éléments de fixation métalliques doivent
être accordés à la fréquence du convertisseur. En l'occurence, ils ont ëté
choisis en demi-longueur d'onde de la fréquence fournie par le convertis-
seur ultrasonique, la mise en résonance de l'ensemble impliquant la
présence d'un écrou ou de tout élément métallique accordé à la fréquence
de travail en prolongement des éléments de liaison. On précisera que le
convertisseur ultrasonique peut être constitué par un ou plusieurs émetteurs
de nature quelconque, il peut en effet s'agir d'émetteurs éléctrostricnfs.
magnétostrictifs, électrocapacitifs, ou encore piézoélectriques.
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On observera que les barreaux de couplage présentent une
surface extérieure qui a été profilée de façon à s'adapter à la configuration
dimensionnelle particulière de la structure et de manière à respecter la
resonance.
C'est ainsi que dans le dispositif ultrasonique de la figure 1,
se trouve illustrée une manière d'intervenir sur la longueur d'une
demi-onde à la fréquence du convertisseur 12. Dans le mode de réalisation
de la figure 1, la surface extérieure des barreaux de couplage 14 présente,
au voisinage de leur zone nodale, un rétrécissement radial 16 présentant
une symétrie de révolution autour de l'axe desdits barreaux 14.
Ce mode de réalisation particulier dans lequel les barreaux de
couplage affectent une forme rétrécie au voisinage de leur zone nodale en
raison de la présence d'une gorge ou analogue 16, permet de réduire les
barreaux de couplage 14, tout en conservant la résonance.
A l'inverse, le mode de réalisation illustré dans la figure 2
fait intervenir des barreaux de couplage 14 dont la surface extérieure
présente, toujours au voisinage de leur zone nodale, un renflement radial
18 présentant également une symétrie de révolution autour de l'axe des
barreaux ! 4.
Ce profilage particulier adoptë dans le mode de réalisation de
la figure 2 permet au contraire de rallonger la longueur des barreaux de
couplage 14, toujours en respectant la fréquence propre du convertisseur l2. r
Le mode de réalisation illustré à la figure 3 représente la
mise en vibration d'un cadre support 10 sur lequel se trouve maintenue une
toile filtrante 20. La fixation du dispositif de mise en vibration est
réalisée
sur deux cotés opposés 22, 24 du eadre support 10. Le dispositif
électroacoustique utilisé se compose dans cette configuration d°un
convertisseur unidirectionnel 12, d'un barreau de couplage ~ 26 qui est
accordé en multiplE entier de demi longueur d'onde, ainsi que d'un écrou 28
également accordé en demi longueur d'onde. On notera que la fixation de
cet ensemble de mise en vibration sur le cadre support 10 est réalisée
également dans une zone de ventre d'amplitude. La solidarisation entre les
différents éléments en présence, à savoir, le convertisseur 12, le barreau de
'
couplage 26 et l'écrou accordé 28, est avantageusement obtenue par cassage
au travers d'orifices ménagés dans les parties opposées du support l G. 11
convient toutefois de noter que la solidarisation rigide du dispositif de mise
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WO 92/12807 PCI'!F'R92l00033
en vibration avec la structure 10 peut être réalisée par tout autre moyen
approprié, l'essentiel étant d'obtenir une liaison parfaitement rigide entre
la structure et le dispositif vibrationnel. C'est ainsi que l'on peut avoir
recours à un emmanchement à force des différents organes en présence, ou
5 encore à un collage et/ou soudage.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, on peut également
remplacer les orifices traversants, recevant les filetages de liaison entre le
convertisseur 12, le barreau de couplage 26 et l'écrou accordé 28, par des
fentes débouchant à l'arête supérieure des éléments 22 du cadre support.
Les zones rétrécies de liaison entre les différents éléments 12, 26 et 24
peuvent ainsi s'engager à force dans lesdites fentes pour assurer la liaison ,
rigide avec le cadre support 10.
La figure 4 illustre un aùtre mode de réalisation permettant
de mettre en résonance une structure circulaire 30 non accordée, entre des
1 ~ pattes de fixation 32 et 34 solidaires de la structure 30. Dans ce mode de
réalisation particulier, deux barreaux d'extrémité 36 et 38 assurent le
serrage de l'ensemble électroacoustique sur les pattes de fixation précitées
32 et 34. Les barreaux de couplage 36 et 38 sont accordés en un multiple
entier de demi longueur d'onde de la fréquence émise par le convertisseur
12.
Sien entendu, si nécessaire, la surface extérieure des barreaux
de couplage 36 et 38 peut être profilée pour s'adapter à la configuration
particulière du cadre 30 tout en respectant la fréquence de résonance du
convertisseur 12.
Le mode de réalisation illustré à la figure 5 est relatif à une
variante du dispositif représenté à la figure 3. Cependant dans ce cas . ,
particulier, l'ensemble électroacoustique constitué par le convertisseur I2
et les deux barreaux de couplage associês 40 et 42 ont été agencés à
l'extérieur de l'aire de travail du cadre support 10 portant la toile
filtrante
30. 20.
Dans cette conception, les barreaux de couplage 40, 42 '
peuvent également être soudés ou de préférence vissés au convertisseur, la
liaison avec le prolongement des parties du cadre support pouvant
également être avantageusement réalisée par vissage d'un écrou accordé
sur l'extrémité filetée 44 de chaque barreau de couplage 40, 42.
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Là encore, tout moyen de fixation rigide approprié peut être
utilisé, l'essentiel étant de réaliser une bonne liaison mécanique entre le
cadre support 10 et le dispositif ultrasonique de l'invention. Ce mode de
réalisation particulier dans lequel le dispositif ultrasonique est agencé à
l'extérieur de la zone de travail de la structure 10, présente l'avantage de
pouvoir être utilisé par exemple en atmosphère humide. On notera
également que cette conception permet d'implanter la structure, voire
même l'ensemble de la structure et du dispositif électroacoustique, au sein
d'une chambre étanche ou règne une atmosphère contrôlée de gaz.
La figure 6 illustre un mode de réalisation dans lequel un
convertisseur 12 produit l'excitation d'un empilage de trois structures
identiques 10 constituées par des cadres supports de toile filtrante. Dans ce
type de configuration, chacune des structures 10 vibre sur son mode propre
et en résonance avec le dispositif d'émission ultrasonique. La liaison des
différentes structures 10 avec le bâtit de l'ensemble du dispositif
ultrasonique est non rigide. A cet effet, on utilisera de façon avantageuse
un matériau de type élastomère qui permet d'assurer d'une part la fixation
de la structure et d'autre part l'étanchéité entre chaque étage. Par ailleurs,
chacune des structures sera reliée à la structure voisine selon le même
schéma, afin de conserver le phénomène de résonance acoustique à chaque
étage. La liaison souple réalisée par le matériau à base d'élastomère assure
par ailleurs l'étanchéité tout en,ne'bridant pas les différents étages de la
structure et en leur permettant ainsi d'entrer en résonance. Tout comme
dans les modes de réalisation prëcédemment définis, le convertisseur 12 est
~5 rendu solidaire de pattes de fixation 46 par utilisation d'une pluralité de
barreaux de couplage 48, de préférence associés entre eux par vissage. Bien
entendu, conformément à la présente invention, les organes de fixations
constitués par les barreaux de couplage seront accordés à la fréquence du
convertisseur 12 réalisé en demi longueur d'onde.
La figure 7 illustre une autre variante d'un dispositif
d'excitation d'un empilage de plusieurs structures circulaires non accordées
10. Le dispositif représenté est en tout point analogue à celui représenté
dans la figure 6, à l'exception toutefois du fait que les structures
présentent ici des formes circulaires. Enfin, la figure 8 illustre un dernier
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mode de réalisation dans lequel le dispositif de mise en vibration comporte
un convertisseur ultrasonique 12 couplé par vissage à un barreau de
couplage 50, réalisé en demi longueur d'onde et venant ensserrer une
plaque circulaire 52 constituant le disque supérieur d'un tambour
cylindrique 54 pouvant par exemple jouer le rôle d'organe support d'une
maille ou d'un filtre.
Dans l'ensemble des modes de réalisation précédemment
décrits, il peut être avantageux d'adapter la nature des éléments de
transmission ultrasonique aux matériaux constituant la structure à mettre
en vibration acoustique. Ceci peut , être réalisé par adaptation des
impédances acoustiques. On évite ainsi tout phénomène d'échauffement au
niveau des liaisons, et ceci permet donc également d'augmenter le
rendement électroacoustique de l'ensemble mis en vibration.
Toujours de manière à améliorer les performances du
dispositif ultrasonique selon l'invention, il peut être avantageux d'utiliser
simultanément deux fréquences d'émissions non en quadrature, de manière
à supprimer les zones nodales sur les surfaces de travail, par exemple suc la
toile vïbrante. En utilisant par exemple deux éléments ultrasoniques de
fréquence non en quadrature, tels que 20 et 30 KHz, on limite au maximun
1a présence de zones nodales, au niveau de la toile filtrante, zones qui sont
précisément des régions inactives.
Enfin, il convient de noter que le dispositif de mise en
vibration ultrasonique selon l'invention, peut être utilisé indifféremment et
en superposition avec . tout autre dispositif vibrant à , basse fréquence
couramment rencontré sur le marché. L'émission d'ultrasons communiqués à
la structure non accordée peut être réalisée de manière continue ou selon
un mode pulsé. I1 peut, comme indiqué précédemment être réalisé en
superposition de vibrations basses fréquences dans une gamme de 100 à
3000 vibrations/min. pour des amplitudes de l'ordre de 1 à 30 mm et de
préférence dans une gamme de 300 à 1500 vibrations/min. pour des
amplitudes de l'ordre de 5 à 20 mm.
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En fonction de l'application particulière envisagée, on aura
recours, pour assurer l'émission des ultrasons, soit à des convertisseurs
électroacoustiques symétriques bidirectionnels ou bien aymétriques
unidirectionnels. En outre, l'amplitude des vibrations ultrasoniques est
adaptée au produit traité dans ladite structure et se trouve avantageuse-
ment comprise entre 2 et 30 microns crête à crête et de préférence entre 5
à 20 microns crête à crête.
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