Alarma acústica con un elemento piezoeléctrico activado con múltiples frecuencias.

Una sirena que comprende un elemento piezoeléctrico (10) y un circuito electrónico

(100) de activación, en la cual el circuito electrónico de activación está configurado para aplicar formas de onda complejas de activación a un solo elemento piezoeléctrico, caracterizada porque cada forma de onda compleja de activación contiene una frecuencia resonante dominante (Fr) del elemento piezoeléctrico, más un sub-armónico de la frecuencia resonante dominante del elemento piezoeléctrico, siendo diferentes entre sí los sub-armónicos de cada forma de onda compleja de activación, de forma que todas las frecuencias de activación se refuerzan entre sí y están configuradas para producir el nivel de presión sonora (SPL) más alto posible sobre un amplio ancho de banda, con el consumo de potencia más bajo posible.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2003/002268.

Solicitante: GENT LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: NOVAR HOUSE, 24 QUEENS ROAD WEYBRIDGE, SURREY KT13 9UX REINO UNIDO.

Inventor/es: BARSON,MICHAEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PRODUCCION O TRANSMISION DE VIBRACIONES MECANICAS,... > PRODUCCION O TRANSMISION DE VIBRACIONES MECANICAS... > Métodos o aparatos para producir vibraciones mecánicas... > B06B1/02 (que utilizan energía eléctrica (B06B 1/18, B06B 1/20 tienen prioridad))

PDF original: ES-2527050_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Alarma acústica con un elemento piezoeléctrico activado con múltiples frecuencias

La presente invención está relacionada con alarmas que tienen un elemento piezoeléctrico para emitir un sonido.

Los zumbadores o altavoces magnéticos se utilizan como sirenas de alarma, ya que éstas reúnen el requisito de producir un alto nivel de presión sonora (SPL) con componentes de frecuencia en la gama de 5 Hz a 1 Hz, para cumplir el estándar Británico BS 5839: Parte 1. Un problema de estos diseños conocidos de sirenas es el alto consumo de potencia, se requiere típicamente > ,5 W para producir > 1 dbA. Además, estas sirenas pueden tener también una alta tensión mínima de trabajo.

La alta corriente requerida para las sirenas de potencia es una limitación importante de los sistemas de alarma de fuego. En general, las caídas de tensión en cables limitan la carga total de la sirena y los recorridos máximos posibles de cable. Esta limitación se hace muy severa en sistemas direccionables en los que se requiere un gran número de sirenas y de detectores de humo para funcionar sobre el mismo par de hilos.

Se pueden utilizar elementos piezoeléctricos en los diseños de sirenas de alarma para reducir los requisitos de potencia.

Las sirenas más conocidas generan frecuencias muy por encima de 1 KHz y no serán parte del siguiente estudio. EN las figuras 9 y 1 se ilustra una técnica conocida para activar un elemento piezoeléctrico con una onda cuadrada a un tercio de la frecuencia de resonancia. Con esta técnica conocida, no solamente la frecuencia resonante no se excita en la misma medida (más de 6 dB por debajo, en comparación con la presente invención con el mismo elemento piezoeléctrico) sino que el rendimiento se degrada más porque se produce un tono de gorjeo requerido para activar el elemento piezoeléctrico a ambos lados de la frecuencia resonante.

Obsérvese que es posible un nivel de presión sonora (SPL) más alto utilizando un elemento piezoeléctrico nodal montado, y esto daría la ventaja de una salida de realimentación desde el elemento (efecto transformador piezoeléctrico). Un problema de esta configuración conocida es que el elemento nodal montado solamente oscilará a una sola frecuencia alta por encima de 1 KHz y esto no cumplirá por tanto con los requisitos de los sistemas de alarma en edificios.

Para producir una diferencia tonal distinguible, significa que deben percibirse ambos tonos más alejados de la resonancia, por lo que se obtendrá una menor eficiencia y SPL de salida. Para indicar esto, si tal sirena tiene un tono de gorjeo con un desplazamiento típico de 2 Hz en su frecuencia de activación, entonces los tonos de frecuencia más alta cambiarían en 6 Hz o estarían fuera de resonancia en +3 Hz y -3 Hz, que es claramente un problema porque solamente un pequeño cambio de frecuencia degradará el rendimiento del elemento piezoeléctrico y reducirá muy significativamente el nivel de presión sonora producido.

Para ilustrar esto, la figura 9 muestra la forma de onda del sonido de la sirena del elemento piezoeléctrico, mientras que la figura 1 muestra el espectro de frecuencias resultante producido al utilizar una simple activación por onda cuadrada a un tercio de la frecuencia resonante. Debe observarse que la forma de onda del sonido de la sirena de la figura 9 se muestra en una condición resonante ideal cuando el elemento piezoeléctrico se activa con una señal de 923 Hz, que no puede ocurrir en la práctica si se han de producir tonos diferentes. Para producir dos tonos independientes distinguibles, por ejemplo separados en 2 Hz, el tono bajo sería producido activando el elemento piezoeléctrico a 823 Hz, y el tono alto activándolo a 123 Hz. Para cada uno de esos tonos, el efecto perjudicial en la amplitud de la vibración del elemento piezoeléctrico, en comparación con la amplitud que se obtendría a la frecuencia resonante, sería muy significativo, y se produciría un nivel de presión sonora inadecuado.

En otra técnica anterior conocida, un zumbador piezoeléctrico tiene una forma de onda de activación de impulsos fijada en la frecuencia resonante esperada, que es entregada entonces a una frecuencia inferior para hacer que el tono sea un sonido más agradable. A modo de ejemplo, se han identificado los documentos de patente siguientes como divulgación de un zumbador piezoeléctrico: GB 211452A, EP1174835 y US4724424.

Aunque este zumbador mejorará su cualidad tonal por la generación de componentes adicionales de baja frecuencia en el espectro de frecuencias de zumbador, no hay circuitos de control que generen o mantengan la frecuencia inferior con un sub-armónico preciso de la frecuencia resonante o incluso justamente la componente de alta frecuencia en la resonancia.

Como una relación armónica fija entre las frecuencias moduladas en la forma de onda de la activación no es deseable si se requiere una escala musical, la baja frecuencia y la frecuencia resonante no pueden reforzarse entre sí. Este refuerzo armónico ocurre en los transductores resonantes de audlo y especialmente con transductores piezoeléctricos montados en el borde, porque solamente es posible un cierto número de vibraciones mecánicas discretas en cualquier amplitud significativa del disco de transductores, y todos ellos están relacionados armónicamente. Además, como todos los tonos de baja frecuencia están comprendidos por simples impulsos de salida de la misma duración (que pueden o no ser ondas cuadradas), el contenido de baja frecuencia no puede ser maxlmlzado, incluso después de tener en cuenta que no está armónicamente relacionado con la frecuencia

resonante.

Además, la tensión de activación se aplica directamente a través del transductor piezoeléctrico, que no está libre de sonar en una condición resonante natural. Debido a todas las razones anteriores, es claro que no pueden ocurrir el SPL máximo, la eficiencia y el contenido armónico.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una sirena de alarma que comprende un elemento piezoeléctrico y un circuito electrónico de activación, en el cual el circuito electrónico de activación está configurado para aplicar formas de onda complejas de activación a un solo elemento piezoeléctrico, caracterizado porque cada forma de onda compleja de activación contiene una frecuencia resonante dominante (Fr) del elemento piezoeléctrico más un sub-armónico de la frecuencia resonante dominante del elemento piezoeléctrico, siendo diferentes entre sí los sub-armónicos de cada forma de onda compleja de activación, de forma que todas las frecuencias de activación se refuerzan entre sí y están configuradas para producir el nivel de presión sonora más alto posible sobre una amplia anchura de banda, con el menor consumo de potencia posible.

Un beneficio del elemento piezoeléctrico que esté excitado también a la frecuencia resonante dominante es que se puede obtener un alto nivel de presión sonora.

Preferiblemente, el circuito electrónico de activación comprende una salida eléctrica para activar el elemento piezoeléctrico y producir un sonido audible percibido como un primer tono, a una primera frecuencia tonal, donde la frecuencia resonante dominante está por encima de la primera frecuencia tonal, estando configurado el circuito electrónico de activación para activar el elemento piezoeléctrico y producir el primer sonido tonal, estando excitado también el elemento piezoeléctrico a la frecuencia resonante dominante, mientras se produce el primer sonido tonal, y donde la salida eléctrica está configurada también para producir un segundo tono, a una segunda frecuencia tonal, siendo la primera frecuencia tonal más alta que la segunda frecuencia tonal, estando excitado también el elemento... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Una sirena que comprende un elemento piezoeléctrico (1) y un circuito electrónico (1) de activación, en la cual el circuito electrónico de activación está configurado para aplicar formas de onda complejas de activación a un solo elemento piezoeléctrico, caracterizada porque cada forma de onda compleja de activación contiene una frecuencia resonante dominante (Fr) del elemento piezoeléctrico, más un sub-armónico de la frecuencia resonante dominante del elemento piezoeléctrico, siendo diferentes entre sí los sub-armónicos de cada forma de onda compleja de activación, de forma que todas las frecuencias de activación se refuerzan entre sí y están configuradas para producir el nivel de presión sonora (SPL) más alto posible sobre un amplio ancho de banda, con el consumo de potencia más bajo posible.

2. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 1, en la que el circuito electrónico (1) de activación comprende una salida eléctrica para activar el elemento piezoeléctrico (1) y producir un sonido audible percibido como un primer tono, a una primera frecuencia tonal, donde la frecuencia resonante dominante (Fr) está por encima de la primera frecuencia tonal, estando configurado el circuito electrónico (1) de activación para activar el elemento piezoeléctrico (1) para producir el primer sonido tonal, estando excitado también el elemento piezoeléctrico (1) a la frecuencia resonante dominante mientras se produce el primer sonido tonal, y donde la salida eléctrica está dispuesta además para producir un segundo tono, a una segunda frecuencia tonal, siendo la primera frecuencia tonal más alta que la segunda frecuencia tonal, estando además el elemento piezoeléctrico (1) excitado a la frecuencia resonante dominante cuando se produce el segundo tono.

3. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, en la que la forma de onda compleja de activación cambia alternativamente entre una forma de onda que comprende un primer sub-armónico de la frecuencia resonante dominante más la frecuencia resonante dominante (Fr), y una forma de onda que comprende un segundo sub-armónico diferente de la frecuencia resonante dominante más la frecuencia resonante dominante, de forma que se produce un tono alternativo con la máxima eficiencia con dos tonos de baja frecuencia ampliamente separados en la gama de 5 Hz a 1 KHz.

4. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 3, donde la forma de onda compleja de activación cambia alternativamente entre una forma de onda que contiene al menos Fr + Fr/3 y una forma de onda que contiene al menos Fr + Fr/4.

5. Una sirena como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el circuito electrónico (1) de activación comprende además un generador (12) de señales digitales y la salida eléctrica es una señal digital.

6. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 5, donde la señal digital se controla por una frecuencia de control variable de onda cuadrada, que es un múltiplo de la frecuencia resonante dominante (Fr).

7. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 6, donde el circuito electrónico (1) de activación está configurado para supervisar una respuesta resonante dominante del elemento piezoeléctrico (1) en la salida eléctrica y está configurado además para ajustar la frecuencia de control de onda cuadrada y obtener la máxima respuesta resonante dominante del elemento piezoeléctrico resonante (1).

8. Una sirena como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la frecuencia resonante dominante (Fr) está por encima de 1 KHz.

9. Una sirena como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8 en cuanto que depende de la reivindicación 7, donde el circuito electrónico (1) de activación está configurado para ajustar la frecuencia de control de onda cuadrada dentro de una estrecha gama, mientras que el primer y el segundo tono están sonando para descubrir la frecuencia de la respuesta resonante dominante.

1. Una sirena como se reivindica en la reivindicación 9, donde el circuito electrónico (1) de activación está configurado además para supervisar un nivel de tensión de realimentación del elemento piezoeléctrico (1), mientras el elemento piezoeléctrico (1) está sonando, y para comparar el nivel de tensión de realimentación con un nivel de tensión umbral fijo.