Brevet FR2498484A1 — publié le 19820730

" Résonateur pour ondes sonores ou ultrasonores " La présente invention concerne les résonateurs, encore appelés cornets pleins, concentrateurs, outils, ou transformateurs d'amplitude ou de vitesse, qui sont utilisés pour transmettre des vibrations mécaniques dans la gamme des fréquencessonoresou ultrasonore% d'une source de vibrations vers une pièce. Les résonateurs de ce type sont largement utilisés er. liaison avec les appareils ultrasonores employés pour le soudage de pièces thermoplastiques, pour le soudage de pièces métalliques, pour produire des émulsions, etc. Les résonateurs du type indiqué ci-dessus consistent en sections métalliques dimensionnées de façon à résonner en résonateurs demi-onde lorsqu'ils sont attaqués par un son de fréquence prédéterminée qui les traverse longitudinalement depuis une extrémité d'entrée jusqu'à une extrémité de sortie opposée. En fonction des exigences de l'utilisation finale, les résonateurs sont le plus fréquemment en aluminium et en titane, et moins fréquemment en acier et en Monel. On peut trouver une description assez complète des différents types de résonateurs et de leur conception dans l'ouvrage "Ultrasonic Engineering" par Julian R. Frederick, Joln Viley & Sons, Inc., New York, N.Y. (1965), pages 87-103. On utilise des résonateurs dits à barre lorsqu'on soude ou on colle des couches superposées de matière textile au moyen d'énergie ultrasonore. Les résonateurs de ce type ont une sectiontransversale rectangulaire et ils présentent le plus couramment une réduction de section transversale dans leur zone nodale, afin d'augmenter l'amplitude du mouvement à l'extrémité de sortie, par rapport à l'extrémité d'entrée à laquelle les vibrations mécaniques sont appliquées. De cette manière, le résonateur, ressemblant à une lame, constitue non seulement un moyen de couplage des vibrations d'une source vers une pièce, mais également un amplificateur mécanique pour l'amplitude des vibrations. Le brevet US 3 113 225 montre un résonateur caractéristique du type à lame et le brevet US 3 733 238 montre - l'utilisation d'un tel résonateur en liaison avec le soudage de couches superposées de matière textile. On trouve la description d'une configuration similaire de soudage par ultrasons dans le brevet US 3 562 041, qui montrée la fabrication de poignets de manches de chemise et d'articles similaires. Le problème rencontré jusqu'à présent consiste en ce que la surface avant de ces cornets, qui peut. -soir une largeur de 100 mn à 200 mm, ou davantage, présente une amplitude de vibration inégale. L'amplitude de vibration a de façon caractéristique la valeur désirée dans la région centrale du résonateur, mais diminue notablement vers les bords latéraux. Le soudage de matières textiles et de films de matières plastiques nécessite une amplitude de mouvement relativement élevéesoit de façon caractéristique un déplacement de 0,08 à 0,13 mm cr4te-à-crète, etdu fait que le soudage ultrasonore réalisé sur une matière souple ou flexible est limité à la zone qui se trouve directement sous le résonateur, le soudage de la matière peut être satisfaisant sous la partie centrale du résonateur, mais non satisfaisant vers les bords latéraux du résonateur. Des tentatives ont été faites dans le passé pour concevoir un résonateur de configuration rectangulaire, en particulier un résonateur du type à lame, qui présente un mouvement pratiquement uniforme sur toute-la surface de sortie. L'une des premières tentatives a consisté à utiliser des fentes traversant la région nodale du résonateur pour rompre ainsi le couplage de-Poisson (voir le brevet US 3 113 225 précité). D'autres perfectionnements sont apparus nécessaires, comme il ressort par exemple du brevet US 4 131 505 et du brevet DE P 23 43 605. Le brevet US 4 131 505 décrit l'utilisation d'une gorge périphérique dans la partie inférieure (sortie) du résonateur et il applique ce principe de gorge à des résonateurs pleins ronds et rectangulaires. Le brevet DE P 23 43 605 concerne spécialement les résonateurs ayant la forme d'une lame et il indique l'adjonction de résonateurs demi-onde accordés dans les parties latérales du résonateur, dans le but d'obtenir un mouvement pratiquement uniforme sur toute la surface de sortie du résonateur, depuis la partie centrale jusqu'aux bords. En considérant une fréquence de 20 kHz et une matière telle (lue de l'aluminiumr, de l'acier ou du titane, un résonateur demi-onde a une longueur d'environ 134 inu. Ainsi, on augmente considérablement le poids et la hauteur du résonateur, normalement très lourd, en ajoutant deux résonateurs demni-onde supplémentaires montés "' cheval" sur la surface (, d'entrée du résonateur (voir la figure 4 du brevet DT P 23 43 605:, L'invention concerne des résonateurs de configuration essenliellement rectangulaire ou en forme de lame qui produisent un mouvement (amplitude de vibration) pratiquement uniforme sur la surface de sortie. On parvient à cette am( lioration par une légère augmentation de la masse du résonateur dans sa partie latérale, afin d'augmenter l'amplitude de vibration, normalement inférieure, du résonateur au voisinage de son bord. L'amplitude de vibration au niveau de la surface de sortie d'un résonateur, par rapport à l'amplitude de vibration au niveau de la surface d'entrée, est liée de façon approximative au rapport de masse m1/mn2, dans lequel m1 est la masse du résonateur entre la surface d'entrée et le plan nodal et m2 est la masse du résonateur entre le plan nodal et la surface de sortie. En considérant le fait qu'on peut envisager qu'un résonateur est constitué par un certain nombre de sections de masse parali]èles,allan-t de la surface d'entrée jusqu'à la surface de sortie, il apparait clairemernt qu'en augmentant légèrement la masse au niveau de la surface d'entrée, dans les parties latérales du résonateur, on peut corriger la réduction de l'amplitude de vibration de la surface de sortie. L'augmentation réelle de masse est relativement faible et on peut la réaliser d'une manière relativement aisée au moyen de blocs formés d'un seul tenant avec la surface d'entrée du résonateuro, L'un des buts principaux de l'inventionest donc de realiser un r('sonateur dle forme gIénérale rectant;ulaire q(lui présente une amplitude dle vibration pratiquement uniforme sur toute sa surface de sortie. Un autre but important de l'invention est de réaliser un résonateur en forme de lame qui soit attaqué par dle 1 'énergie vibratoire dants une partie centrale de sa surface cil'eitré(e et sur la totalit(( de sa surface d(le sortie. h Un autre but important de l'invention est de réaliser un résonateur de forme géné-rale rectangulaire, particulièrement adapté aux applications consistant à joindre des matières textiles ou des films de matière plastique par l'utilisation d'énergie ultrasonore, ce résonateur produisant un mouvement pratiquement uniforme sur la totalité de sa. surface cde sortie allongée qui est en contact avec le film ou l'étoffe à joindre. autre Un' aspect de l'invention porte sur un r(ésonateur en forme de lame, dimensionné de façon à résonner à la manière d'un résonateur demi-onde pour un son de fréquence prédéterminée qui traverse longitudinalement le résonateur depuis une surface d'entrée jusqu'à une surface de sortie située à l'opposé, et ce résonateur est caractérisé par le fait que la surface d'entrée présente des épaulements, pour faire eni sorte que la distance de la surface d'entrée à la surface de sortie soit plus grande dans les parties correspondant aux bords latéraux du résonateur que dans la partie centrale. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective d'un ré sonateur caractéristique de l'art antérieur; La figure 2 est un graphique de l'amplitude du mouvement le long de la surface de sortie du résonateur de la figure 1; La figure 3 est une vue en perspective du résonateur représenté sur la figure 1, avec des lignes définissant des sections pour montrer le principe de l'invention; et La figure 4 est une vue en perspective d'un résonateur q(lui comporte les perfectionnements conformes à l'invention. On va maintenant se reporter aux figures et en particulier à la figure 1, sur laquelle on voit un résonateur ayant une configuration du type à lame, d'un genre utilisé très couramment pour le soudage et le collage des matières plastiques par de 1 'énergie ultrasonore ou sonore de haute fréquence. Les fréquences caractéristiques utilisées sont dans la gamme (le à 50 kHz, et la plupart des opérations sont accomplies à ou 25 kHz. Le résonateur 10, réalisé de façon caractéristique en aluminium, en titane ou en acier, comporte une surface d'entrée 12 qui est munie dans sa partie centrale d'un goujon d'acier 14 destiné au couplage à une source de vibrations de haute fréquence 16, cette source constituant ce qu'on appelle un transducteur électroacoustique ou un convertisseur qui est excité par de l'énergie électrique de haute fréquence et qui produit des vibrations mécaniques sous l'effet de l'énergie électrique appliquée. Le brevet US 3 328 610 montre un convertisseur caractéristique utilisable dans ce but. Le résonateur 1o est dimensionné de façon à résonner en résonateur demi-onde ( X/2) pour un son de fréquence prédéterminée (par exemple 20 kHz) se propageant de la surface d'entrée 12 vers la surface de sortie opposée 18. Dans ces conditions, la surface d'entrée 12 et la surface de sortie 18 se trouvent dans des régions respectives correspondant à des ventres du mouvement longitudinal, avec une région nodale 20 placée entre elles. Le résonateur amplifie les vibrations d'entrée appliquées à cause du changement de l'aire de section transversale entre la surface d'entrée et la surface de sortie. Comme il est bien connu, le changement de section transversale est généralement effectué dans la région nodale 20 du mouvement longitudinal. Pendant le fonctionnement du résonateur, la surface de sortie 18 est soumise à un mouvement alternatif, comme l'indique la flèche 22. Pour éviter une concentration élevée d'efforts, le changement de section transversale n'est pas abrupt, mais s'effectue sur une plus grande zone 20, avec une surface de rayon approprié. Le résonateur, qui peut avoir une largeur de 150 mm ou plus au niveau de sa surface de sortie 18, comporte une paire de fentes 24 destinées à interrompre les couplages de Poisson, comme l'indique le brevet US 3 113 225 précité. Ces fentes traversent la région nodale 20 et se terminent en retrait par rapport à la surface d'entrée 12 et à la surface de sortie 18. Les deux fentes 24 sont généralement placées de façon que le résonateur comporte une partie centrale entre les fentes et deux parties latérales à l'extérieur des fentes, toutes ces parties ayant la même taille. Les résonateurs de ce type sont très.lassiques et bier connus dans!indu.trie, et leur conception est largement décrite dans iiar on'-'ieu- précité. La figure 2 montre un graphiquc- de lamimpiitude du mouvement le long de la surface de so3rtiJ Le gtraphique montre '1élongation instantanée mnxinaJe de!a sur-ace avant i8 eni fonction de i'emplacement le long de la surface avant. Le graphique nmu'ntre clairement qu'il existe une réduction marquée de l'amplitude du mouvement vers les bords latéraux du résonateur. La réduction de l'amplitude de vibration peut être de l'ordre de 50 %, en fonction de la conception particulière du résonateur. On va maintenant considérer la figure 3 sur laquelle. des lignes en pointillés indiquent qu'on peut considérer que le résonateur est constitué par un nombre infini de sections longitudinales étroites juxtaposées, comme l'indiquent les références 30a à 30e. Il est bien cornnu, et il a été indiqué précédemment, que l'amplitude de vibration sur la surface de sortie, rapportée à la vibration appliquée sur la sur-face d'entrée, est fonction du changement d'aire de section transversale qui est établi dans la région nodale, et est donc fonction du rapport de masse m1/m2, dans lequel m1 désigne la masse d'une section respective 30a-30e entre la surface d'entrée et le plan nodal, et m2 désigne la masse de la section respective entre le plan nodal et la surface de sortie. Par conséquent, on voit qu'en augmentant la masse m1 des sections du résonateur qui se trouvent en position latérale, on peut compenser la réduction d'amplitude de mouvement qui est représentée sur la figure 2. On va maintenant considérer la figure 4 qui représente le résonateur perfectionné 34, comportant une masse ajoutée, sous la forme de blocs 36 qui sont ajoutés sur la surface d'entrée 12, dans les parties latérales. Dans le mode de réalisation préférés, les blocs sont formés d'un seul tenant avec la structure de résonateur, c'est-à-dire que la surface d'entrée du résonateur est usinée de façon à présenter des épaulements. Les blocs s'étendent à partir des bords latéraux jusqu'à un point aligné avec le bord extérieur de la fente 24 respective (voir la figure 4) Une légère modification par rapport au mode de réalisation préféré n'est évidemment pas critique. L'amelioratioii apporrte par la modification décrite ressort du tableau suivant Résonateur clde base sans blocs Hauteur: 13,297 num Surface cie sortie: 15,24 cm sur 1,27 cm Surface d'entré,e: 15,24 cm sur 3,81 cm Fentes: 0,95 cm sur 8,89 cm Région nodale: 3,81 cm de rayon Fréquence nominale: 20 kHz Uniformité de sortie: 86,6 - Mlême structure de résonateur avec des blocs de 3,18 mm clde hauteur Uniformité de sortie: 88,7 f Même structure lde résonateur avec des blocs de 6,35 mm de hauteur Uniformité de sortie: 91,5 % lêmme structure de résonateur avec des blocs de 12,7 mmn de hauteur Uniformité de sortie: 98, 3 % avec: amplitude de vibration minlimale x 100 pourcentage d'uniformité de sortie = mlitud de ib ti amplitude de vibration maximale I1 faut noter que l'adjonction de blocs entraîne une légère variation de la hauteur du cornet et qu'un accord fin du résonateur est nécessaire et peut être réalisé de façon empl)iri(lue ou par sinmulation sur ordinatejur. De lfaçon similaire, un ré sonateur de 22,86 cm de larfeuri, conçu pour fonctionner e 20 kHz et du type indi(qué pr' c( éemenm i pré(:sen e iune uniformit te moyenne du mouvemen t de sortie de 87,2 O en l'absence de blocs, tand(lis qu'avec des blocs dle 12,7 nul celé hauteur, l'uniformité devient e('gale ià 93,6 qu; et un cornet d'une largeur d(le 20,32 cmi avc de; blocs de 4,76 num de hatuteur voit son uniformité d(le sortie passer clée 87,7 % (sans blocs) à 93,2 i. Comme le montre lat Figure 2, les blocs 36 sont Formis d'un seul tenant avec le resonateur 3!4. Il est égale,,,er t possible (le munir un corps de résonateur en aluminium, par exemple, (lde blocs d' acier, pour augmeniter le rapl)l)ort de nmasse. Les blocs doivent être fixés de façon intime au corps dlu résonateur pour vibrer conjointement au r(ésonateur. Il faut cependant noter que les forces élevées résultant des accélérations présentes dans la région du ventre de vibration exercent des efforts sévères sur la jonction enire les métaux différents. Ainsi, cette modification, bien que réalisable, ne constitue pas un mode de réalisation préféré de l'invention. On voit qlue l'adjonction de blocs apporte une solution relativement simple et directe à un problème qui a été genant dans le passé. Contrairement aux solutions proposées jusqu'à présent, et en particulier à l'adjonction d'au moins une paire de résonateurs demi-onde, q(lui ajoutent un poids élevé et qui doivent être accordés sur la fréquence de fonctionnelr.,-nt du résonateur, le perfectionnement décrit ci-dessus est caractérisé par une extrême simplicité et il ne nécessite qu'une modification mineure au résonateur de structure classique. L'homme de l'art notera que le perfectionnement qu'on vient de décrire est également applicable à des résonateurs qui ne comportent pas la fonction de gain, c'est-à-dire des résonateurs qui ne comportent pas une réduction de section transversale dans la région nodale, et qui sont donc conçus de façon à fournir sur la surface de sortie la même amplitude de mouvement que sur la surface d'entrée. Les résonateurs de ce type, s'ils ne sont pas modifiés de la manière indiquée ci-dessus, présentent également une réduction de l'amplitude d(le vibration vers les régions des bords latéraLx, en particulier lorsque la largeur horizontale de la surface de sortie du résonateur augmenteo Il va de soi que de nombreuses modp fica1 ions peuvent être apportées au dispositif décrit et représent:(, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Résonateur (34) dimensionné de façon à résonner en résonateur demionde pour un son de fréquence prédéterminée traversant longitudinalement le résonateur d'une surface d'entrée (12) vers une surface de sortie (18) placée à l'opposé, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (14) destinés à appliquer des vibrations de fréquence prédéterminée à une partie centrale de la surface d'entrée, et des blocs (36) disposés dans les parties latérales de la surface d'entrée afin d'augmenter sélectivement la n1asse du résonateur dans ces parties du résonateur. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs (36) sont formés d'un seul tenant avec le résonateur. 3.Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il a une configuration rectangulaire. 4. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il a la forme d'une lame. 5. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ractérisé en ce qu'il comporte un changement de section transversale entre la surface d'entrée (12) et la surface de sortie (18), dans le but de produire un mouvement accru sur la surface de sortie. 6. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est dimensionné de façon à fonctionner à une fréquence prédéterminée dans la gamme de kHz à 50 kHz. 7. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux fentes (24) destinées à rompre les couplages de Poisson, et des blocs respectifs (36) sur la surface d'entrée qui s'étendent vers la partie centrale de la surface d'entrée, à partir d'un point qui se trouve pratiquement sur le bord latéral respectif du résonateur, mais qui se terminentdans une région approximativement alignée avec l'extrémité de la fente respective. 8. Résonateur en forme de lame (34) dimensionné de façon à résonner en résonateur demi-onde pour un son de frequence prédéterminée qui traverse le résonateur d'une sur-face d'entrée (12) vers une surface de sortie (1l8 placée à l'opposé, caractérisé en ce que la surface r'etre présente des épaulements pour faire en sorte que la distance de la surface d'entrée à la surface de sortie soit plus grande dans les parties correspondant aux bords latéraux du résonateur que dans la partie centrale.