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.APPAREIL VIBRATEUR EMETTEUR D'ULTRA-SONS, ET PROCEDE DE CONTROLE
DU POUVOIR VIBRATOIRE.
La présente invention se rapporte aux appareils d'irradiation.' d'énergie ultra-soniqueo
Un grand nombre d'émetteurs ultra-soniques ont un grave défaut ;
1) l'énergie ultra-sonique est peu contrôlable;
2) l'irradiation d'énergie ultra-sonique se limite à une partie seulement du côté latéral du vibrateur,
tandis que l'énergie restante se disperse dans les autres parties du vibrateur ou se transforme par absorp- tion ou amortissement en pertes de chaleuro
I est un fait certain que la plupart des émetteurs ultra-soni- ques connus et appliqué plus particulièrement dans le domaine de la physio- thérapie présentent cet inconvénient qui devient assez grave du fait que le manipulateur reçoit une partie des vibrations dans sa propre main lorsqu'il tient le dispositif émetteuro
Après un certain temps ces vibrations provoquent un état d'irri- tation et même d'inflammation articulaire.,
D'autre part, les pertes d'énergie sous forme de frottements mo- léculaires (absorption) provoquent un échauffement du vibrateur et plus par- ticulièrement des surfaces irradiant l'ultra-son,
ce qui d'une part limite le taux énergétique irradié et d'autre part nécessite l'application d'une réfrigération artificielle par exemple par l'incorporation d'eau ou d'huile dans les parties exposées au dit échauffement.
On a tenté d'éviter cet inconvénient dans certains émetteurs en augmentant la masse spécifique de la surface vibratoire et en remplissant l'intérieur des vibrateurs avec de l'huile ou d'autres liquides électro-iso- lants de manière à produire ainsi une certaine inertie thermiqueo On ne par- vient toutefois pas à réduire les dégagements de chaleur mais à diviser ces dégagements sur des surfaces et des volumes augmentés et à réduire ainsi l'effet temporaire thermique par inertie.
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Cette solution présente l'inconvénient grave que le dispositif vibrateur devient assez lourd et peu maniable ce qui, dans les applications médicales, habituellement faites à la main, rend le travail de l'opérateur assez fatigant.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients des appareils connus et de permettre une irradiation d'énergie ultra-sonique avec un minimum de perte énergétique par absorption,.par amortissement ou par dispersion. .
Elle a pour but également de procurer un dispositif qui réponde aux conditions imposées par les tendances techniques résultant des applica- tions multiples de l'ultra-son dans le domaine médical et industriel.
Ces conditions peuvent être résumées comme suit :
1. le dispositif émetteur d'ultra-son doit assurer le rendement acoustique maximum concentré sur la surface latérale irradiante avec minimum de perte par dispersion ou absorption;
20 le dispositif émetteur d'ultra-sons doit avoir un poids mini- me par rapport à l'intensité irradiée ce qui oblige d'éviter tout refroidis- sement artificielo
30 les appareillages destinés à l'émission d'ultra-sons doivent permettre de contrôler avec précision l'énergie effective ultra-sonique irra- diée par la surface latérale des vibrateurso
L'invention est basée sur la constatation que les éléments vi- bratoires,par exemple :
quartz pièzo-électrique, cristal de Turmalin,tita- nate de baryum, etc. ou tous autres éléments vibrateurs pièzo-électriques, vibrent avec un minimum d'amortissement dans l'ambiance de l'air, du vide ou des gaz appropriés, avec obtention d'un pouvoir isolant contre les étin- celles ou les autres passages d'énergie haute-fréquence.
On a en effet souvent essayé de placer les éléments vibrateurs dans une chambre à vide ou à gaz pour assurer ce minimum d'anortissement, mais les dispositifs de ce genre ne s'appliquent qu'à une puissance irradiée relativement faible vu que le chargement des surfaces du quartz avec des énergies haute-fréquence plus élevées provoque inévitablement le passage des étincellesdans l'ambiance gazeuse ou le vide, par ionisations ou dé-
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chargements électro-statiqaeso
C'est pourquoi, cette solution a toujours été limitée à des émetteurs ultra-soniques d'une faible puissance acoustique. Pour faire sortir l'énergie ultra-sonique d'une telle chambre à vide, on a appliqué le scellement du quartz avec la paroi métallique irradiante formant une membrane vibratoire.
Cette membrane représente alors à la fois une des é- lectrodes tandis ce que la surface opposée est scellée à une autre élec- trode soit métallique, soit recouverte d'une fine couche de métallisationo A ces deux électrodes on adapte habituellement le courant hau- te fréquence provoquant par l'effet pièzo-électrique les vibrations du quartz et de la membrane latérale.
Dans le cas où le quartz était scellé entre deux plaques métal- liques formant ainsi un trplèt vibratoire, il se produisait un amortisse- ment sensible des pouvoirs vibrateurs du quartz et un changement de la fré- quence propre du quartz par rapport à des masses vibratoires différentes des masses propres du quartzo
Dans le cas où le quartz était scellé d'un côté seulement de la membrane latérale et de l'autre coté était recouvert d'une fine cou- che de métallisation,
l'amortissement était moins sensible bien que l'exis- tence du scellement et de la métallisation changeait sensiblement les pro- priétés vibratoires du quartzo
Ces deux solutions envisagées pour permettre l'irradiation d'é- nergie ultra-sonique d'un taux énergétique plus élevé nécessitaient vu les tensions de haute fréquence entre deux électrodes métalliques plus élevées
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le remplissage de l'espace entre les deux électrodes par des matières isolan- tes à haute propriétés diélectriques telles que huiles, résines ou autres isolantso
Le quartz était de ce fait obligatoirement entouré par des ma- tières à haute impédance et son rendement vibratoire était sensiblement amor- tio
Suivant l'invention, on prévoit pour l'élément pièzo-électrique une chambre à air, à vide ou remplie avec un gaz (azote par exemple)
ou un mélange de gaz à propriétés isolantes pour la haute fréquence tandis que l'é- lectrode interne se trouve dans une seconde chambre séparée de façon hermé- tique de la première par une matière isolante comme par exemple une membra- ne en verre de Minos à faible expansion.
Cette seconde chambre peut être remplie avec de l'huile, de la résine ou une matière isolante appropriée quelconque.
La disposition prévue est ainsi telle que les surfaces intérieu- res des quartz n'ont aucun contact mécanique avec l'électrode ni avec la ma- tière isolante solide et ne sont pas du tout amorties, l'électrode inté- rieure étant de son coté entourée par une ambiance ayant de parfaites pro- priétés d'isolation.
Cette solution'permet d'obtenir le rendement maximum du quartz ou d'autres matières pièzo-électriques, étant donné que toute l'énergie vi- bratoire n'ayant aucune autre possibilité de passage se dirige sous forme de vibrations longitudinales vers la membrane latérale du vibrateur et vers l'extérieur.
Le minimum d'absorption par amortissement et dispersion permet d'assurer un rendement acoustique élevé d'irradiation sans devoir appliquer un refroidissement artificiel des vibra tours.
D'autre part, la séparation de l'électrode intérieure par rap- port au quartz permet d'éviter tout danger de claquage du quartz par étincel- les ou par ionisations, étant donné que la chambre de cette électrode est remplie d'une matière isolante, constituant ainsi une ambiance nettement sé- parée de la chambre vibratoireo
Le dispositif vibrateur non amorti réalisé suivant la présente invention permet l'obtention de dispositifs émetteurs d'ultra-sons d'un poids extrêmement léger, dont les pouvoirs de vibration peuvent être faci- lement contrôlés par des moyens stroboscopiques,
Ces moyens de contrôle font partie de l'invention et résultent directement de l'état non amorti du vibrateur.
Ils consistent en ce que le courant de haute fréquence dirigé vers le dispositif émetteur d'ultra-sons est contrôlé par une lampe oscillo- graphique d'un type quelconque de manière à donner naissance à une image sur un des axes polaires de cette lampe tandis que l'énergie haute fréquen- ce de l'électrode interne du dispositif émetteur d'ultra-sons est amenée, éventuellement par des moyens de filtrage connus,
à un autre groupe de pla- ques déflectrices de la lampe oscillographique et est ainsi superposée à l'i- mage oscillographique du courant d'alimentations
Cette superposition de deux courants sur un ou deux axes visuels d'une lampe oscillographique permet de constater exactement l'état d'amortis- sement du dispositif émetteur d'ultra-sons et en conséquence de tirer des conclusions quant à l'efficacité d'accouplement entre les vibrateurs et les surfaces absorbant l'irradiation ultra-sonique et l'énergie effective ultra- sonique irradiée,
Les dessins ci-joints sont destinés à expliquer d'une manière non limitative comment l'invention peut être réalisée en pratique.
Les figures 1 à 7 sont des vues en coupe verticale représen- tant différents vibrateurs réalisés suivant l'inventiono
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Les figures 8 à 14 concernent le mode de contrôle du pouvoir vibratoire.,
Dans chacune des réalisations représentées par les figures 1 à 7, le quartz 1 est accouplé par une méthode de scellement appropriée ou par tout moyen à une membrane 2 en métal ce qui rend possible le passage d'é- nergie ultra-sonique des surfaces latérales du quartz à la surface latéra- le de cette membraneo
Pour rendre ce passage possible sans perte, cette membrane doit avoir une épaisseur égale à 1/2 longueur d'onde d'ultra-sons dans le métal de la membrane ou un multiple de demi-longueur d'onde.
De cette manière, la membrane est accordée à la même fréquence que le quartz et ne représente plus un obstacle au passage de l'énergie, vibratoireo
Le champ électrostatique à fréquence appropriée d'excitation du quartz est créé par une électrode interne 3 mais cette électrode, con- trairement aux dispositions connues, n'est pas placée directement sur le quartz et une mince couche d'air est laissée entre cette membrane et la surface intérieure du quartz 1. En outre, une membrane séparatrice 10 en verre est prévue entre l'électrode 3 et le quartz.
On crée ainsi autour de la face interne et des faces latérales du quartz une chambre 4 que l'on peut remplir d'un gaz ou de mélanges de gaz pouvant être choisis de façon à assurer l'amortissement des étincelles éven- tuellement produites.
D'autre part, la présence de cette chambre ou de ce milieu ga- zeux provoque la réflexion de toute l'énergie émise par le quartz vers la membrane extérieure 2 en réduisant ainsi au minimum les pertes par absorp- tion du dispositif vibrateur.
L'électrode 3 qui de préférence a une forme arrondie est, comme représenté en 5 entourée par une matière isolante appropriée rendant impos- sible le percement des étincelles entre l'électrode 3 et l'encadrement exté- rieur 6 du vibrateur.,,
A l'électrode 3 peut être amenée par le conducteur 7 une tension électrique très élevée et de haute fréquence provoquant une forte oscilla- tion du quartz sans danger de percement et sans danger résultant des échauf- fements internes du vibrateur-suite à des absorptions ou d'amortissements.,
Ainsi que cela ressort de la figure 2, l'électrode interne 3 peut être disposée dans une chambre 8 remplie d'huile-ou de matières à hau- te propriétés isolantes liquides semi-liquides ou solides,
et créée d'une part par un couvercle 9 en matière isolante et par une membrane 10 en ma- tière isolante interposée entre le quartz 1 et l'électrode interne 3.
Cette membrane et ce couvercle sont en général encastrés contre le boitier métallique formant la tête du vibrateuro
L'amenée de la haute tension peut se faire par un fil 7 raccor- dé à l'électrode interne 3 et traversant le couvercle 9 qui peut être en verre, stéatite, porcelaine, trolitule, plexiglas, etc.. Un ressort peut être prévu en 7'.
L'électrode interne 3 peut être remplacée par une métallisation prévue en 3' (figo 3) sur la surface interne de la membrane 10. Cette mé- tallisation est entourée par un bain d'huile 8 remplissant l'espace entre la membrane 10 et le couvercle extérieur 9 et ne présentera plus des dangers de versements par l'étincelle. Le couvercle extérieur de préférence en mé- tal peut porter une buselure isolante 13 scellée dans le métal.
La sortie du conducteur 7 raccordé à la partie métallisée 3' doit se faire par l'intermédiaire de cette buselure isolante assurant une fermeture hermétique.
La membrane 10 peut être constituée par une matière à très hautes propriétés isolantes, appropriée aux tensions et fréquences choisies et possédant toujours le minimum possible d'épaisseur et d'écartement de la
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surface intérieure du quartzo Cette membrane peut être par exemple en verre, plus particulièrement en verre de mynos (Schott), en mica, en porcelaine, plexiglas, trolitule, ou autres matières organiques, céramiques ou plastiques;,
L'électrode interne fixe 3 peut être remplacée par une électrode mobile (figo 4) et à cet effet on peut prévoir une chambre isolante 8' en matière solide formée par la membrane 10 et le couvercle 9 et remplie partiel- lement avec du mercure constituant l'électrode mobile 3".
Ce mercure touche constamment un contact 14 solidaire de l'extrémité du fil d'amenée 7 et avec interposition de la membrane 10 couvre partiellement (fige 4) ou complètement (figo 4A) la surface du quartz.
Dans la position suivant la figure 4A dans laquelle on ne travail- le généralement pas, le mercure se détache de la surface isolante 10 ce qui met le quartz pièzo-électrique hors de fonctionnement.
Une couche de matière isolante peut être prévue en 50
Ce dispositif peut être remplacé par un contacteur à mercure quelconque rompant la liaison entre l'électrode interne et le câble d'ali- mentation à haute fréquence par le simple changement'de position du dispo- sitif vibrateur.
On obtient ainsi l'avantage que le vibrateur ne travaille qu'é- tant, en position déterminée, habituellement utilisée pour le traitement médical.
Grâce à l'invention, on peut réaliser des vibrateurs pratique- ment sans aucun amortissement et constitués par un quartz non accouplé à des masses métalliques de membranes et étant ainsi entièrement libre sur les deux surfaces vibratoires (figo 5)0
A cet effet, le quartz 1 peut avoir sa surface extérieure recou- verte d'une mince couche 15 de métallisation allant jusqu'aux bords extrê- mes du quartz.
Ces bords du quarts sont encastrés de façon quelconque par sou- dure ou par pression dans le cadre métallique 6 du dispositif vibrateur (comme par exemple le verre d'une montre est encastré par pression.dans l'encadrement métallique).
La surface interne du quartz étant entièrement libre, sans aucu- ne métallisation, la polarisation du quartz est dans ce cas également assu- rée par l'électrode 3 dans un bain d'huile 8 ou des matières isolantes quel- conques assurant l'isolement parfait de l'électrode 3 et de la connexion 70 Ce dispositif permet l'application rationnelle d'un quartz qui des deux cô- tés n'est pas amorti et dont le côté intérieur est entouré par une chambre 4 à vide ou à gaz appropriée,
La figure 6 se rapporte à une variante de réalisation dans la- quelle une bobine ou un transformateur est logé dans la même chambre que celle 8 remplie d'huile ou de matières isolantes appropriées et où se trou- ve l'électrode 30
L'espace formé par la membrane 10 et le boîtier ou couvercle 9 contient non seulement l'électrode 3 mais aussi la bobine ou le trans- formateur 16 de haute fréquence connecté d'un côté au contact de haute ten- sion 7 et de l'autre côté à l'électrode 30
L'invention permet également de réaliser un accouplement indi- rect entre le quartz pièze-électrique 1, et une membrane oscillante 17 par le scellement de deux matières différentes l'une formant le boîtier exté- rieur et l'autre la surface irradiante 17.
En choisissant les formes des surfaces de scellement et les pro- priétés respectives des deux matières à sceller, on peut obtenir la propa- gation d'énergie ultra-sonique, soit concentrée soit dispersée comme c'est le cas avec les lentilles optiques.
Cette réalisation se caractérise également par le fait que l'une
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des surfaces du quartz est collée sur ou est en contact avec la membrane irradiant l'énergie tandis que l'autre est à l'état non chargé sous vide ou dans l'ambiance des gaz appropriés et est toujours séparés d'une cham- bre à électrode par la membrane isolante 10.
Comme déjà dit ci-dessus dans le préambule, le dispositif objet de l'invention a comme particularité de permettre un contrôle aisé par des moyens stroboscopiques du pouvoir de vibration.,
Cette méthode est basée sur les considérations suivantes :
L'amortissement vibratoire d'un triplet pièzo-électrique employé actuellement dans divers domaines d'application ultra-sonique résulte du fait que le quartz 1 est scellé entre deux plaques métalliques a et b formant électrodes qui du fait qu'elles possèdent des propriétés élastiques et vibra- toires différentes du quartz provoquent des¯pertes énergétiques considérables (figo 8).
D'autre part, pour empêcher la formation d'étincelles entre les électrodes a et b, on entoure habituellement les triplets. par des liquides ou des matières solides isolantes c (figo 8) provoquant l'amortissement supplémentaire d'ensembles
La fréquence propre de cette combinaison d'éléments de transmis- sion d'ultra-sons et d'isolement se modifie légèrement quand cet ensemble est accouplé à des corps exposés à l'irradiation ultra-sonique.
Si l'on adapte un dispositif vibrateur à un corps absorbant l'ultra-son, par exemple à une partie C du corps humain (figo 8A), l'accou- plement de la surface vibratoire avec la matière du corps change l'impé- dance propre du quartz et provoque un glissement de sa fréquence propre de la valeur fo à fo' égal à fr représenté à la figure 9 sur laquelle on ce porte en abscisses les fréquences et en ordonnée les intensités de couranto
Ce glissement de fréquence propre d'éléments vibratoires, pro- voque vu la largeur considérable des courbes de résonance du quartz amorti un très léger changement d'énergie irradiante représenté en Er (figo 9).
C'est ainsi que les oscillations du quartz amorti sont bien stables dans des conditions de chargement défavorables.
Les dispositifs vibratoires suivant la présente invention étant très peu amortis, ils présentent la particularité que leur courbe de résonan- ce est extrêmement aiguë (figo 11), c'est-à-dire que les rapports fonction- nels entre la fréquence et l'énergie émise sont extrêmement aiguso Le moin- dre changement de fréquence d'émission provoque un très fort changement d'in- tensité ultra-sonique émiseo
C'est ainsi qu'en considérant les éléments vibrateurs suivant- l'invention à l'état libre (figo 10) et non amorti et à l'état chargé par contact avec un corps absorbant C(figo 10A) on obtient les deux courbes de résonance écartées à deux fréquences propres fo et fo' et représentées par la figure 11.
Le même écartement de ces deux courbes donne comme résultat une différence de taux énergétique d'émission de l'ultra-son ER sensiblement plus grande que la surface du quartz amortio
L'élément vibrateur à l'état non chargé peut ainsi irradier une énergie minime El et au moment de l'accouplement mécanique il irradiera l'énergie totale disponible E20
Cette propriété de sélectivité énergétique par rapport à l'état de chargement de l'élément vibrateur peut rendre de très grandes services dans les appareils à ultra-sons utilisés par les médecins dans lesquels l'é- chauffement des vibrateurs présente certainement un grave inconvénient et dans lesquels les vibrateurs qui à l'état libre sont légèrement désaccordés et n'émettent pratiquement aucune énergie,
ne sont en fonctionnement normal que pendant les moments de traitement thérapeutiqueo
En pratique, cette sélectivité permet d'appliquer une méthode de contrôle du degré d'accouplement entre les dispositifs vibrateurs et les
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corps absorbant l'énergie ultra-sonique. Une, telle méthode de contrôle fait partie de la présente invention et consiste en ce que :
A la sorte du générateur 6 de haute =fréquence est accouplée ca- pacitivement ou inductivement une conduite E raccordée à l'une des élec- trodes ou à plusieurs des électrodes d'une lampe oscillographique L (fig.
12).
Cet accouplement peut se faire à la prise du cable coaxial ou bien aux éléments de haute fréquence.
Les autres électrodes de la lampe oscillographique pourront pro- voquer le déplacement de rayons électroniques rythmiques correspondant à une fréquence de référence quelconque, par la méthode du balayage ou d'autres déflections de rayons électroniques statiques ou inductifs.
Ce balayage de référence est représenté en I (figo 12) et peut servir comme moyen pour rendre visibles les vibrations ultra-soniques sur une échelle à deux dimensions schématisée par la figure 13 et sur laquelle X représente la fréquence de référence et Y la fréquence amenée par la con- duite E.
L'énergie de haute fréquence captée statiquement ou inductive- ment par l'antenne E, est donc amenée de façon quelconque à la lampe oscil- lographique et provoque le déplacement du rayon par exemple suivant l'axe Y et rend visible sur l'acran de cette lampe l'amplitude effective de l'éner- gie haute fréquence à la sortie du générateuro
Il est évident que par rapport à l'état d'amortissement du quartz 1 (fig. 12) c'est-à-dire par rapport à l'état d'accouplement entre la membra- ne 2 du dispositif vibrateur et le corps absorbant l'énergie ultra-sonique c'est-à-dire en fonction de l'irradiation effective d'énergie ultra-sonique de vibrateur), l'intensité captée par l'antenne E va se modifier de manière à permettre ainsi d'apprécier sur un écran 5 (fig.
13) la figure de Lissajoux dont, par exemple la hauteur correspond à l'état d'amortissement du quartz et ainsi indirectement à l'absorption d'énergie ultra-sonique par le corps à traiter.
Pour rendre ce contrôle visuel de l'état d'amortissement du quartz plus sensible, on peut accorder à l'antenne E (figure 14) un circuit de fil- trage quelconque I ne transmettant que la fréquence fo' (fige 11) correspon- dant à la fréquence d'émetteur à l'état chargé.
Ces éléments ou combinaisons d'éléments semblables rendent donc possible l'appréciation du phénomène de sélectivité du quartz peu amorti à des buts de contrôle visuels exprimant l'état du chargement des vibrateurs et donnant des indications sur les degrés et pourcentages des pénétrations d'énergie ultra-soniques dans le corps à traiter.
REVENDICATIONS.
1. - Appareil vibrateur émetteur d'ultra-sons à élément piézo- électrique caractérisé en ce que l'on prévoit pour l'élément pièzo-électri- que une chambre à air, à vide ou remplie avec un gaz ou un mélange de gaz à propriétés isolantes pour la haute fréquence tandis que l'électrode in- terne se trouve dans une seconde chambre séparée de façon hermétique de la première par une matière isolante comme par exemple une membrane à faible épaisseur en verre ou une autre matière appropriée.