Bocina ultrasónica

Una bocina ultrasónica (también conocida como bocina acústica , sonotrodo , guía de ondas acústicas , sonda ultrasónica ) es una barra de metal cónica que se utiliza comúnmente para aumentar la amplitud de desplazamiento de oscilación proporcionada por un transductor ultrasónico que opera en el extremo inferior 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 al medio tratado, ^[3] que puede ser sólido (por ejemplo, en soldadura ultrasónica , corte ultrasónico o soldadura blanda ultrasónica ) o líquido (por ejemplo, en homogeneización ultrasónica , sonoquímica , molienda , emulsificación , pulverización o disrupción celular ). ^[1] El procesamiento ultrasónico de líquidos depende de fuerzas de corte intensas y condiciones locales extremas (temperaturas de hasta 5000 K y presiones de hasta 1000 atm) generadas por cavitación acústica . ^[2]

El cuerno ultrasónico es comúnmente una varilla de metal sólida con una sección transversal redonda y una sección transversal longitudinal de forma variable - el cuerno de 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 operación deseada - una o varias medias longitudes de onda de ultrasonido en el material del cuerno, teniendo en cuenta la dependencia de la velocidad del sonido en la sección transversal del cuerno. En un conjunto común, el cuerno ultrasónico está conectado rígidamente al transductor ultrasónico mediante un perno roscado.

Las bocinas ultrasónicas se pueden clasificar según las siguientes características principales: 1) Forma de la sección transversal longitudinal: escalonada, exponencial, cónica, catenoidal, etc. 2) Forma de la sección transversal transversal: redonda, rectangular, etc. 3) Número de elementos con diferente perfil de sección transversal longitudinal: común y compuesto. ^{[3] [5]} Una bocina ultrasónica compuesta tiene una sección de transición con una determinada 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. Por lo tanto, 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 procesadores de líquidos de laboratorio utilizados para una variedad de estudios de procesos, incluidos sonoquímicos , emulsificación , dispersión y muchos otros. ^[7]

En los procesadores de líquidos ultrasónicos industriales de alta potencia, ^[8] como los reactores sonoquímicos comerciales , los homogeneizadores ultrasónicos y los 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, nanocristalización ultrasónica, etc.), el tipo de bocina ultrasónica preferida es la bocina Barbell. ^[7] Las bocinas Barbell pueden amplificar las amplitudes ultrasónicas al tiempo que conservan grandes diámetros de salida y áreas de radiación. Por lo tanto, es posible reproducir directamente los estudios de optimización de laboratorio en un entorno de producción comercial al cambiar de bocinas convergentes a bocinas Barbell al tiempo que se mantienen altas amplitudes ultrasónicas. Si se amplían 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 hecha la bocina ultrasónica, así como de la forma de su sección transversal longitudinal. Comúnmente, las bocinas están hechas 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 .

Los productos de consumo, los componentes automotrices, los dispositivos médicos y la mayoría de las industrias utilizan ultrasonidos. Los insertos de metal se pueden fijar en plástico y, a menudo, se pueden unir materiales diferentes con un diseño de herramientas adecuado. Las bocinas ultrasónicas vienen en una variedad de formas y diseños, pero todas deben estar sintonizadas a una frecuencia de operación específica; las más comunes son 15 kHz, 20 kHz y 40 kHz.

La soldadura ultrasónica utiliza un 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 entrelazado en la unión, asegurando las piezas con una unión homogénea o mecánica. Este proceso ofrece un medio de ensamblaje ecológico en comparación con los adhesivos o sujetadores mecánicos convencionales. ^[9]

• 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 la reacción de cavitación . Springer. ISBN 0-306-46141-2.