En el marco del Congreso Internacional Tecnicacústica, la Cátedra Luis de Camoens UC3M ha otorgado el premio a la mejor comunicación científico-técnica presentada por un joven investigador/a en el Congreso Tecniacústica a María Campo Valera, en estos momentos realizando el doctorado en el Campus de Gandia. La comunicación presentada por María Campo se titula ‘Simulación y diseño de un sensor acústico piezoeléctrico para detección de partículas’. Según explica la investigadora, las cámaras de burbujas empleadas en los detectores para la detección de materia oscura utilizan sensores piezoeléctricos para detectar y discriminar las señales acústicas emitidas por las burbujas; estar burbujas se generan a partir de la interacción de partículas con el fluido sobrecalentado presente en el interior de dicha cámara. El grupo de Investigación en Acústica Aplicada a la Detección de Astropartículas de la UPV dirigido por Miguel Ardid, en el que participa María Campo, ha desarrollado un modelo de detector de partículas, cuyos sensores acústicos se encuentran pegados en las paredes exteriores de la cámara. ‘Con el objetivo de entender el comportamiento y optimizar el funcionamiento del sensor, se desarrollan modelos analíticos y numéricos, así como pruebas experimentales para su caracterización. Los resultados de estos estudios permiten tener un criterio de diseño para la adecuada construcción de estos sensores en futuras cámaras de burbujas para la detección de materia oscura’, afirma la científica. Actualmente, los sensores se encuentran en Milán para su fase de calibración con el detector MOSCAB. Los directores del proyecto presentado por María Campo han sido Ivan Felis Enguix y Juan Antonio Martínez Mora. Contacto: mardid@upv.es

1. Simulación y diseño
de un sensor acústico piezoeléctrico
para detección de partículas
M. CAMPO*, M. ARDID, I. FELIS, J. MARTÍNEZ
A Coruña 2017

2. María Campo Valera
I. Introducción y objetivos.
II. Partes del diseño del sensor acústico.
III. Métodos de caracterización del sensor.
IV. Resultados.
V. Conclusiones.
CONTENIDO

3. María Campo Valera
Materia Oscura
(25%)
Materia ordinaria
(4%)
Energía oscura
(71%)
Núcleo pesadoLíquido
sobrecalentado
PICO 2L
I. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

4. María Campo Valera
Sensores
acústicos
DETECTOR DE PARTÍCULAS
MODAL-LS
CÁMARA DE BURBUJAS
MODA-LS
 MODA-LS = Materia Oscura Detectada Acústicamente con Líquido Sobrecalentado
I. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

5. María Campo Valera
CÁMARA DE BURBUJAS
MODA-LS
Objetivo General
Diseñar y construir dos sensores acústicos
piezoeléctricos para la detección de partículas:
estudio de cada una de sus partes y
caracterización.
Objetivos específicos
 Comprender a través de estudios de
modelos numéricos y analíticos las
diferentes partes para el diseño del sensor .
 Realizar distintos montajes experimentales
de los métodos de caracterización del
sensor a través de calibraciones.
 Analizar y comparar los resultados
experimentales obtenidos, con los modelos
analíticos y numéricos.
I. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

6. María Campo Valera
Medio:
fluido R134a
10 mm
espesor
Capa
adaptación:
5 mm
espesor
Encapsulado:
aluminio
Cerámica:
PIC255
Ø10 mm h5 mm
II. PARTES DEL DISEÑO DEL SENSOR

7. María Campo Valera
5 cm
5 cm
 Medio: líquido sobrecalentado Freón R134a (CH2FCF3)
a 1, 2 y 3 bares de presión de trabajo
Cámara emisora Cámara
completa
 Estudio: comportamiento de los modos en el interior de la cámara, 2 casos:
CASO 1 CASO 2
 Modelo numérico: fmin=10kHz; fmáx=150 kHz; Δf=1kHz Δx = λ/8
 Modelo analítico:
𝑓 𝑚, 𝑛, 𝑘 =
𝑐
2𝜋
𝑚𝜋
𝐿 𝑚
2
+
𝑛𝜋
𝐿 𝑛
2
+
𝑘𝜋
𝐿 𝑘
2
C. emisora
C. receptora
Tubo
II.1. MEDIO DE RECEPCIÓN

8. María Campo Valera
Presión[Unid.arb.]
- Distribución
de modos:
- Distribución
de presiones:
 Análisis:
9 kHz
2 kHz
247 Hz
35 Hz
presión
256 Hz
1.5 kHz
II.1. MEDIO DE RECEPCIÓN

9. María Campo Valera
 Elección de la cerámica:
 Estudio: modos, admitancia eléctrica y sensibilidad acústica (RVR).
𝑍 =
𝑉
𝐼
=
𝑉
𝑆 𝑱 𝒏 𝑑𝑺
𝑅𝑉𝑅 = 20 log10
𝑆 𝑅
𝑉/𝜇𝑃𝑎
= 20 log10
𝑆 𝑇
𝜇𝑃𝑎/𝑉
− 294
fmin=10kHz; fmáx=250 kHz; Δf=1kHz Δx = λ/16
PIC 155
Ø10 mm
h5 mm
PIC 255
Ø10 mm
h2 mm
PIC 255
Ø25 mm
h2 mm
PIC 255
Ø10 mm
h5 mm
 Modelo numérico:
−20 log10
𝜌
𝑘𝑔/𝑚3
+ 20 log10
𝑅
𝑚
− 20 log10
𝑓
𝑘𝐻𝑧
 Modelo analítico:
Modo radial en 1D
𝑌 𝜔 =
−𝑖𝜔𝑅2
𝜀33
𝑝
ℎ
2 (𝑘 𝑝
)2
1 − 𝜎 𝑝 − 𝐽 (𝜔𝑅/(𝑐11
𝑝
/𝜌)1/2)
− 1
II.2. CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA

10. María Campo Valera
- Admitancia eléctrica:
- Sensibilidad acústica (RVR):
 Análisis:
fr=176 kHz
fr=202 kHz
Se espera una
respuesta plana entre
80 y 200 kHz
II.2. CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA

11. María Campo Valera
 Material: paredes de metacrilato de la cámara (no se pueden modificar)
 Estudio: transmisión de presión acústica en función de la frecuencia
 Modelo numérico:
 Modelo analítico:
𝑇𝐼 =
4
2 + 𝑍𝑡 𝑍𝑖 + 𝑍𝑖 𝑍𝑡 cos2 𝑘1 𝐿 + 𝑍1
2
𝑍𝑖 𝑍𝑡 + 𝑍𝑖 𝑍𝑡 𝑍1
2
sin2 𝑘1 𝐿
X=0 X=L
fmin=10kHz; fmáx=250 kHz; Δf=1kHz Δx = λ/16 = 0.3 mm
Metacrilato 5 mm espesor
Metacrilato 10 mm espesor
Zi = ρici Z1 = ρ1c1 Zt = ρtct
II.3. CAPA DE ADAPTACIÓN

12. María Campo Valera
- Transmisión de
presión acústica:
 Análisis:
Valores de Tmáx., para los
dos espesores de
metacrilato
II.3. CAPA DE ADAPTACIÓN

13. María Campo Valera
 Importancia del encapsulado: evitar ruido electromagnético
 Diseño y construcción:
1º Cable coaxial pegado al polo positivo
de la cerámica con epoxy conductor
II.4 ENCAPSULADO
Señal recibida en proceso emisión-recepción Señal acústica recibida por cerámica encapsulada
Onda A Reflexiones
Ausencia de OEM

14. María Campo Valera
2º. Pegado de la cerámica y apantallamiento del
cable
3º. Sellado con sikaflex
y proceso de secado
4º. Proceso de secado del sensor en la cámara de burbujas
II.4 ENCAPSULADO

15. María Campo Valera
𝑅𝑉𝑅 = 20 ∙ log10
𝑉𝑟 𝑚𝑠
𝑝 𝑟𝑒𝑓
𝑑𝐵 𝑟𝑒
1𝑉
𝜇𝑃𝑎
 Admitancia eléctrica
 Sensibilidad acústica
Cerámica o
sensor
PC -
Labview
Medidor de
impedancia
III.1. MAGNITUDES A CARACTERIZAR

16. María Campo Valera
23 cm
Hidrófono FFR SX60
 1. Medidas de cerámicas y sensores libres en tanque (1.20 x 0.80 x 0.60 m3 )
III.2. MONTAJES EXPERIMENTALES

17. María Campo Valera
 2. Medidas sensores pegados: estudio con hidrófono emisor
III.2. MONTAJES EXPERIMENTALES

18. María Campo Valera
modelo numérico ≈ modelo experimental
- Admitancia eléctrica:
Se selecciona la C4 y C5
fr=176
kHz
fr=174 kHz
IV.1 CERÁMICAS LIBRES

19. María Campo Valera
fr sensores vs. fr cerámicas: leve bajas frec.
y amplitud de la masa del encapsulado.
- Admitancia eléctrica:
Sensores
fr= 174 kHz
Cerámicas
fr= 176 kHz
- Respuesta + plana
- Sensor 2 + sensible
- OEM en bajas frec.
por el encapsulado
IV.2 SENSORES LIBRES

20. María Campo Valera
- Sensibilidad acústica (RVR)
Sensor 1 met. 10 mm 82 kHz vs. numérico 70 kHz
Sensor 2 met. 5 mm 124 kHz vs. numérico 135 kHz
IV.3 SENSORES PEGADOS: MEDIDAS CON HIDRÓFONO EMISOR

21. María Campo Valera
Para el medio de recepción: interior de la cámara de burbujas
 Existe un de bajas frecuencias y amplitudes de la presión resultante por la
presencia del metacrilato.
Para la cerámica
 Las fr del modelo analítico es mayor al modelo numérico, ya que no se tienen en
cuenta las pérdidas de la cerámica; así mismo, las cerámicas utilizadas no son
completamente discos ni cilindros, no se ajustan completamente al ámbito de
aplicabilidad de dichos modelos.
Para la capa de adaptación
 Metacrilato t=10 mm máx. 70 kHz, y 200 kHz.
 Metacrilato t=5 mm máx. 135 kHz.
Se mejora el comportamiento del sensor en torno a estas frecuencias.
V. CONCLUSIONES

22. María Campo Valera
Para el encapsulado
 La sensibilidad acústica mejora en algunos rangos frecuenciales al encapsular las
cerámicas y permite una respuesta más plana. Disminución de las OEM en bajas
frecuencias.
Para el sensor final – medidas experimentales
 Los sensores pegados, presentan dos picos de máxima sensibilidad que se
corresponden con los valores obtenidos para la capa de adaptación.
 Los sensores presentan un buen desempeño para el detector MODA-LS y han
testeado en el mismo.
 Actualmente se han enviado los sensores a Italia para su fase de calibración con
detector MOSCAB.
V. CONCLUSIONES

23. GRACIAS
A Coruña 2017