Celestion TF range TF1520 Manuale Utente

Numero RAE: Fecha de Elaboración: 09 / 12 / 2010 Paginas: 125 Año: 2010 Título: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LEVITADOR ACÚSTICO, MED

Agradecemos a nuestras familias y amigos, a Alejandro La Rotta y José David Chaparro por su apoyo logístico. También con especial atención al físic

100 Resultado Esfera de poliestireno No levita Vaso de poliestireno Levita Esfera de plástico No levita Vaso de plástico Levita Pluma Levita Espu

101 Figura 49. Diagrama de medición de voltaje. Donde Vp1 y Vp2 son los puntos de medición de los multímetros. Cabe aclarar que la medición se rea

102 5.4 MEDICIÓN DE CORRIENTE Y CALCULO DE POTENCIA En el caso de la medición de corriente incidente en cada parlante representativo de s

103 Con los datos de voltaje y corriente es posible calcular la potencia que actúa en el sistema obteniendo los siguientes valores: Eje Y

104 5.5 CARACTERISTICAS DEL SISTEMA A 50 HZ 5.5.1 LONGITUD Y NUMERO DE ONDA DE 50 HZ: cf344m /s50Hz6.88mts K2K26.88mtsK 0.91 5.5.2 MINIMO DE EN

105 172.3J 0.0478 W h Incorporándolo al nivel de potencia acústica (Lw): Lw 10 logw1w0Lw 10 log0.0478 W h1012w Lw 96.79dB Aplicando la relació

106 FuUFu2 a3pin232c2f1vin22f2 Se obtiene: f11c2c020f11344m /s21.2kg /m3344m /s220kg /m3f10.199 Donde: densidad del fluido, 0 densidad d

107 Lw 10 logw1w0Lw 10 log0.661012wLw 108.19 Lp (108.19) 20log(0.6m) 11Lp 123,62dB Este será el SPL en su punto máximo, este no cambia debido a qu

108 Figura 51. Comportamiento de la onda y puntos de ampliación de fuerza en cada eje. mkhkh78.04 En la cámara de largo ( ) se analizan

109 L1/8 6.88 /8L10.86mL23 /8 20.64 /8L22.58mL35 /8 34.4 /8L34.3m Debido a las dimensiones del dispositivo sólo se manifestará L1: Figura 52. Punto

CONTENIDO PAG INTRODUCCIÓN 13 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14 1.1 ANTECEDENTES

110 Figura 53. Levitación de vaso de poliestireno a 50 Hz 5.6 MEDICION DE SPL DEL DISPOSITIVO Por medio de una medición de SPL se analiza el compo

111 5.6.1.1 MEDICION A CAMPO ABIERTO Figura 54. Medición a 50 Hz a campo abierto. f[Hz] Lev[dB] f[Hz] Lev[dB] f[Hz] Lev[dB]

112 5.6.1.2 MEDICION AL DISPOSITIVO Figura 55. Medición a 50 Hz respecto al dispositivo f[Hz] Lev[dB] f[Hz] Lev[dB] f[Hz]

113 5.6.2 MEDICION A 580 HZ Para esta frecuencia la muestra busca posicionarse en el punto de ubicación del nodo (L10.86m) pero no logra fomentarse

114 5.6.2.2 MEDICION AL DISPOSITIVO Figura 57. Medición a 580 Hz respecto al dispositivo f[Hz] Lev[dB] f[Hz] Lev[dB] f[Hz]

115 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS En la frecuencia de 580 Hz, cuando se llega al punto de operación máxima del sistema, el nivel de presión reprodu

116 Tabla 14. Comparación de incrementos de presión por armónicos. 80 Hz 125 Hz 315 Hz 500 Hz 1.2 KHz Campo abierto (dB) 63.2 7

117 7 COSTO DE LA PROPUESTA En la siguiente tabla se relacionan los costos en los que se incurrió durante el desarrollo y elaboración de

118 8. CONCLUSIONES Se produjo levitación a 50 Hz con evidente facilidad respecto a 580 Hz, pese a que el dispositivo fue calculado a la segunda f

119 Los puntos máximos de levitación acústica de los nodos de presión L1x, L1y y el punto dentro de la longitud de onda en el cual la fuerza es

2.2.1.2 LEVITACIÓN ELECTROSTÁTICA 28 2.2.1.3 LEVITACIÓN MAGNÉTICA 29 2.2.1.4 LEVITACIÓN AERODINÁMICA

120 9. RECOMENDACIONES Se sugiere como mejora práctica la implementación de control sobre el tercer plano axial al dispositivo, esto con

121 BIBLIOGRAFÍA [1] P. Collas, M. Barmatz (1986), Acoustic radiation force on a particle in a temperature gradient, California State Universit

122 [13] Gonzalez Gómez, I. (2002), Estudio experimental de mecanismos básicos de interacción acústica entre partículas en aerosoles

123 ANEXOS ANEXO A PLANOS TÉCNICOS DEL DISPOSITIVO Vista general del dispositivo.

124 Isometría de cámara resonante y referencia a grosor de placas. Plano de caras perforadas con acople de tubo.

125 ANEXO B ESPECIFICACIONES CELESTION TRUVOX 1520 General specifications Nominal diameter (") 15 Power Rating (AES, W rms) 150 Nominal i

126 Thiele-Small Parameters Mmt (g) 69.0 Qms 5.35 Qes 0.80 Qts 0.69 Re (Ω) 5.6 D (m) 0.33 Vas (L) 173.0 Magnet assembly flux (T) 1.

127 ANEXO C Especificaciones generador Peaktech 4025 Waveform characteristics Waveform types: 16 types including sine, square, triangle, ramp and s

128 ±20% (10MHz< for frequency ≤20MHz) Output impedance: 50W Offset characteristics: (for the attenuation of 0dB) Offset range: ±10V (high impe

129 ANEXO D ESPECIFICACIONES CREST AUDIO CA 4 Current Draw: 6.8 Amperes Damping Factor: 550:1 @ 8 Ohms Dimensions (W-D-H): 19 x 18 x 3.5 Inches

3.5 VARIABLES 52 3.5.1 VARIABLES INDEPENDIENTES 52 3.5.2 VARIABLES DEPENDIENTES 52 4. DESARROLLO INGEN

130 ANEXO E CONFIGURACIÓN DEL SONÓMETRO DURANTE LAS MEDICIONES: Header information: -------------------------------------------- Device type ..

131

4.5.1.3 PLEXIGLASS (ACRÍLICO) 68 4.5.2 GUIAS DE ONDA 69 4.5.2.1 POLICLORURO DE VINILO (PVC): 70 4.5.3 E

5.5.3 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA A 50 HZ 101 5.6 MEDICION DE SPL DEL DISPOSITIVO 104 5.6.1 MEDICIÓN A 50 HZ 104 5.6

LISTA DE FIGURAS PAG Figura 1. Tubo de Kundt. 13 Figura 2. Cámara de levitación acústica de David Deak. 14 Figura 3. Modelo de c

Figura 48. Diagrama de conexionado. 85 Figura 49. Diagrama de medición de voltaje. 89 Figura 50. Diagrama de medición de corri

LISTA DE TABLAS PAG Tabla 1. Calificación de materiales. 70 Tabla 2. Tabla de características físicas de las

19 INTRODUCCIÓN La idea que algo intangible como lo es el sonido pueda levantar objetos puede parecer de no creer, pero es un fenóme

base a los nodos de presión producidos por una onda estacionaria. Objetivo General: Construir un levitador acústico, mediante el principio de onda

20 puede ser usada para simular ambientes de micro gravedad debido al gran control y estabilidad que esta provee. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1

21 Figura 1. Tubo de Kundt. http://indaga.cl/catalog/images/sw1996-6m.jpg. 1987, el doctor David Deak diseña y construye una cámara de l

22 Aplicando una resonancia continua (600 Hertz) y ajustando la relación de la amplitud y la fase entre las 3 fuentes, se logró controlar la

23 levitación de objetos que posean un diámetro de la longitud de onda, lo cual fue suficiente para estudiar los efectos de este estado e

24 ofrezcan una vía alternativa para la estimación de las propiedades viscoelásticas Una de las ventajas únicas de la técnica es la falta d

25 En nuestro país y en los proyectos adelantados en la universidad de San Buenaventura no se ha producido ninguna investigación conocida en

26 1.3 JUSTIFICACIÓN Los campos de aplicación de la Ingeniería de Sonido son muchos y muy distintos; uno de los menos explotados es la inve

27 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 1.4.1 OBJETIVO GENERAL Construir un levitador acústico, mediante el principio de onda estacionaria, ap

28 dispositivo experimental. Por otra parte, se preferirán materiales sólidos dado que proporcionan una manipulación más efectiva. Para la

29 2 MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 FRECUENCIA Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para indicar el número de repeti

más importantes que la presión. • Todos los átomos, y la 'materia' que forman mediante sus agrupaciones coherentes, vibran en d

30 Por el efecto Doppler, la frecuencia es una magnitud invariable en el universo. Es decir, no se puede modificar por ningún proceso físico excepto

31 nula, es decir, posiciones donde no hay vibración; los vientres o antinodos de la onda estacionaria, por el contrario, son los puntos e

32 Figura 7. Longitud de onda de una señal senosoidal. La longitud de onda λ es inversamente proporcional a la frecuencia f, siendo ésta la frec

33 necesario entonces colocarlo sobre el otro cuerpo y compensar la fuerza de gravedad. Figura 8. Diagrama de neutralización de fuerza

34 2.2.1.1 LEVITACIÓN ÓPTICA: En la levitación óptica se emplean láseres para elevar objetos de poca masa mediante su presión de radiació

35 2.2.1.3 LEVITACIÓN MAGNÉTICA: En este caso la levitación de objetos es posible gracias a que las fuerzas magnéticas se transmiten

36 es la que permite el vuelo de los helicópteros, ya que mediante la variación de velocidad de la hélice genera a su vez cambi

37 Este método es empleado principalmente para análisis de materiales que requieren una pureza muy elevada o para la realización de reacci

38 pero no viajan, es decir, son modos de vibración compuestos por nodos (áreas de mínima presión) y antinodos (áreas de máxima

39 Normalmente las ondas estacionarias están limitadas por su naturaleza lineal. Aumentar la amplitud de la onda causa que el sonid

compensación de la muestra en suspensión. • Los puntos máximos de levitación acústica de los nodos de presión L1x, L1y y el punto dentro de la longi

40 producir efectos no lineales a una amplitud correcta, pero la mayoría de los sistemas usan ondas ultrasónicas, las cuales son demasiado altas en

41 La intensidad sonora no debe sobrepasar la tensión superficial de las gotas (en muestras líquidas) que están siendo levitadas. Si el ca

42 La radiación total potencial U de un sistema acústico en gravedad es la suma del potencial acústico Ua y el potencial gravitacional U

43 resultantes totales. El subíndice i representa las coordenadas (x, y,z), (r, ,) y (r, ,z) en los casos rectangular, esférico y cilíndrico, respec

44 Se destaca como la fuerza de red varía de manera senosoidal con h, la distancia entre el centro del objeto y el plano modal de la on

45 Donde: p² y v² son las fluctuaciones promedio del cuadrado de la presión y del cuadrado de la velocidad incidente en la onda, en el

46 Para comparación, se definen las siguientes expresiones de presión acústica, componentes de fuerza y presión: ˜ U U/(uR3v02) (2.13) ˜ F

47 potencial mínimo. En general el potencial emanado no es simétrico, y habrá direcciones características que corresponden a las fuerzas rest

48 ˆ p ˆ p maxcoskzˆ v ˆ v maxsenkz (2.18) Con los nodos y antinodos resultantes de los respectivos perfiles de las densidades de la en

49 (2.21) Esta levitación compensa el peso de la muestra sVsg en el campo gravitacional. Bajo condiciones de microgravedad (g 0m/s2), la

of Technology. • Ueha Sadayuki (2001), Phenomena, theory and applications of nearfield acoustic levitation, Precision and Intelligence Labora

50 8/58/38/LLL (2.22) 2.2.3 GEOMETRÍA RECTANGULAR La distribución de una onda estacionaria en una cámara depende de múltiples factores,

51 (2.26) El potencial normalizado pasa a ser: ˜ U ˜ U a˜ F gk( x y z) (2.27) donde ˜ U a está dado por: ˜ U af13cos2kxx cos2kyy cos2kzzf22(kxk)2

52 Donde c es la velocidad del sonido en la muestra esférica. El término ˜ F gk( x y z) se desprecia en un plano que es perpendicular a

53 2.2.4 NIVEL DE POTENCIA ACÚSTICA (Lw) Parámetro que mide la forma en que es percibida la potencia acústica, en donde W1 es la potencia a estud

54 transductores energéticamente muy ineficientes (desperdician mucha energía en forma de calor). Los fabricantes ofrecen un parámetro del parl

55 efectiva. Además, en resonancia, el resonador actúa como un amplificador de la ganancia. Al excitar la masa de aire en el interior de una botella

56 Figura 16. Circuito equivalente resonador Helmholtz La frecuencia de resonancia de un resonador de Helmholtz puede obtenerse con la expresión:

57 3. METODOLOGÍA 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN En este proyecto manejará un enfoque empírico analítico, pues el interés está enfocad

58 Acústica Física La sociedad requiere de nuevos conocimientos vanguardistas en la medida de lo posible, en la búsqueda de estos aspectos técnicos

59 4. DESARROLLO INGENIERIL 4.1 DELIMITACIÓN DE LA MUESTRA Para obtener un resultado óptimo en el proceso de levitación se d

Planck-Strasse, • Ling, M. (2006), Acoustic Levitator as a Tool for X Ray Tomography. • Rosell, I. (2000), Caracterización acústica de reso

60 4.1.2.1 POLIESTIRENO EXPANDIDO Las esferas de poliestireno expandido son bastante fáciles de conseguir comercialmente y así mismo present

61 (4.2) Finalmente podemos determinar su masa como: (4.3) Figura 18. Esfera de Poliestireno expandido. 4.1.2.2 PLÁSTICO Al igual que en el

62 Es un material termoplástico, deformable a temperaturas superiores a los 120º centígrados, por lo cual no presenta ningún tipo de rest

63 (4.6) 4.1.3 SELECCIÓN DE MATERIAL DE MUESTRA Teniendo en cuenta los materiales y los parámetros mencionados anteriormente, es posible

64 fenómeno físico con un objeto de mayor tamaño al usar una esfera de poliestireno expandido. La muestra inicial seleccionada para el diseño

65 diámetro del objeto (relación de diez a uno), es decir que se puede generar una frecuencia entre 550 Hz y 600 Hz..19 Figura 19. Generador de fre

66 4.3 NIVEL DE PRESIÓN SONORA REQUERIDO Teniendo en cuenta las características de la muestra delimitada, es fundamental obtener la cantidad

67 Lw 10 logw1w0Lw 10 log0.00411012w Lw 86,12 dB (4.13) El nivel de potencia acústica Lw calculado se puede relacionar directamente con

68 4.4 PARÁMETROS DE DISEÑO 4.4.1 DIMENSIONES DEL DISPOSITIVO Tomando 0.59mt un resonador con una longitud de 0.6mt presentará condiciones

69 4.4.2 SECCIONES DEL DISPOSITIVO Para representar las longitudes sugeridas, se divide L correspondiente a cada eje del dispositivo en

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LEVITADOR ACÚSTICO, MEDIANTE EL PRINCIPIO DE ONDA ESTACIONARIA, APLICADO A TRANSPORTE SIN CONTACTO DAVID MEDRANO

70 Figura 25. Diagrama dimensional del dispositivo. 4.4.3 FRECUENCIA DE RESONANCIA DEL DISPOSITIVO La frecuencia de resonancia de un res

71 (4.18) Donde S constituye la boca del resonador, L la longitud efectiva del cuello y V el volumen que encierran las paredes de la cavid

72 Frecuencia de operación: 580 Hz Frecuencia de resonancia: 333.2 Hz Diferencia de frecuencias para manipulación: 246.8Hz 4.5 EVALUACIÓN DE MATER

73 tiempo es superficial en la mayoría de los casos y puede soportar décadas e incluso siglos con mantenimiento. Facilidad de trabajo: Es f

74 Durabilidad: Presenta una excelente resistencia a la intemperie y a condiciones atmosféricas severas, así como una resistencia al imp

75 Durabilidad: Altamente durable y resistente a condiciones atmosféricas, resistente a la intemperie y rayos ultravioleta. Facilidad de tra

76 4.5.2.1 POLICLORURO DE VINILO (PVC): Densidad: Este polímero presenta una baja densidad, cercana a 1,4 g/cm3. Rigidez: Es moderadamente rígido. A

77 4.5.3 ESTRUCTURA CILÍNDRICA Para la fabricación de la estructura cilíndrica se contemplaron como materiales idóneos el acrílico termoformado y la

78 RIGIDEZ 4 4 4 DURABILIDAD 5 5 5 F.DE TRABAJO 1 4 4 COSTOS 3 1 5 TOTAL 18 18 22 Tabla 2. Calificación de materiales. Para el caso de las guí

79 4.6 FUENTES SONORAS Gracias a la delimitación de la muestra, a la fijación de una frecuencia de operación del sistema y al cálculo del ni

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LEVITADOR ACÚSTICO, MEDIANTE EL PRINCIPIO DE ONDA ESTACIONARIA, APLICADO A TRANSPORTE SIN CONTACTO DAVID MEDRANO DAN

80 Figura 20. Parlante Celestion Truvox 1520 http://professional.celestion.com/pro/pdf/TF1520.pdf Al entrar a analizar sus características s

81 Este parlante presenta un valor de sensibilidad de 96 dB, a partir del cual es posible calcular el nivel de presión sonora generado a

82 Figura 22. Parlante Electrovoice EVM 15 DLX Este parlante, con impedancia de 8 ohms, presenta una sensibilidad de 88 dB, por lo cual podemos ob

83 4.6.4 AMPLIFICADORES DE SEÑAL Al igual que con el generador de frecuencias, se hace uso de los amplificadores disponibles en el

84 Figura 31. Vista del dispositivo renderizado. Para tal fin se hace el levantamiento tridimensional de la estructura en el programa de modelado

85 Figura 32. Vista lateral del dispositivo renderizado. Teniendo en cuenta que se deben realizar acoples y estructuras de soporte para resistir t

86 Figura 34. Vista isométrica dispositivo renderizado. 4.8 PROCESO CONSTRUCTIVO DEL DISPOSITIVO Luego de obtener los diseños finales es pos

87 proceso de certificación como taller de estructuras tipo I y II por parte de la aeronáutica civil de Colombia. Como primera medida se realiza

88 Figura 36. Fraccionamiento de la placa de plexiglass. El sistema de acople de los tubos de PVC a las caras tanto de la cámara reso

89 Figura 37. Proceso de corte de las caras de la cámara resonante. Posteriormente, los tubos son cortados a sus dimensiones definitivas y encaja

Nota de aceptación ---------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------

90 Figura 39. Acople de tubo PVC a cara lateral de plexiglass. Para la fabricación de la sección cilíndrica se moldea la fórmica y se adhiere a lo

91 Para fortalecer la estructura del dispositivo y soportar los pesos incidentes de los parlantes sobre la fórmica, se instalan t

92 Figura 42. Ensamble de cámara resonante. Al igual que con la sección cilíndrica, a la cámara se le instalan tubos de soporte para ayudar a la se

93 Luego de la instalación de la tubería de soporte estructural se procede al ensamble de todas las secciones mediante tornillos. Figura 44. Ensamb

94 Figura 45. Acople a presión de tubos guía de onda en PVC. Finalmente, luego de instalar todas las partes, los parlantes son atornillado

95 5. RESULTADOS 5.1 MONTAJE DEL SISTEMA Para el desarrollo de la prueba del dispositivo de levitación acústica se debe tener en cuenta que el fluj

96 Figura 48. Diagrama de conexionado. 5.2 PRUEBA DEL SISTEMA Para realizar la prueba del sistema conectado se tienen en cuenta, adicionalmente a

97 Pluma 8.5 -- -- Espuma 3 25 0.5 Tabla 2. Tabla de características físicas de las muestras. Al realizar la prueba generando como frecuenci

98 probabilidad de levitación exitosa a partir del aumento de la longitud de onda respecto a la muestra, obteniendo como resultados: 580 Hz, falta

99 Lp 126.43dB Sobre la frecuencia de 50Hz, se observa un comportamiento mucho más cercano al objetivo, respecto a las muestras, de la si