Procédé de génération d'ultra-sons La présente invention se rapporte à un procédé de génération d'ultra-sons selon lequel on excite, par un signal électrique, un traducteur présentant plusieurs axes de résonance, ce traducteur étant en contact avec un corps dans lequel les ultrasons doivent être transmis.
Jusqu'ici, on a toujours utilisé l'axe de résonance du traducteur qui est perpendiculaire à la face du tra ducteur devant transmettre les ultrasons.
La fi-. 1 du dessin annexé montre une disposition classique selon laquelle un traducteur 1 est fixé, par exemple par collage, à un corps 2 auquel les ultra sons doivent être transmis. Dans le cas représenté, le corps 2 constitue le fond d'un bac 3 dont une partie a été coupe au dessin pour permettre une meilleure visibilité du traducteur 1. Ce bac 3 peut être destiné à contenir un liquide, non représenté, dans lequel des pièces peuvent être plongées pour être nettoyées avec l'aide des ultrasons traversant le fond 2.
Dans le cas de la fig. 1, le traducteur est constitué par un bloc piézo-électrique, par exemple du titanate de baryum qui, comme on le sait, présente trois axes de résonance principaux désignés par X, Y et Z. L'axe Z étant perpendiculaire au fond 2, on utilise la résonance du traducteur 1 suivant cet axe Z, les électrodes d'exci tation du bloc de titanate étant, en principe, disposées sur les deux faces perpendiculaires à cet axe. Lorsque les ultrasons qu'on veut transmettre dans le bac 3 ont une fréquence relativement basse, par exemple de l'ordre de 15 à 50 kHz, la longueur du bloc de titante 1, mesurée selon l'axe Z, est relativement grande et doit être comprise entre 17 et 5 cm.
Comme, pour des rai sons techniques de fabrication, il est difficilement pos sible d'obtenir des blocs de titanate présentant de bonnes qualités lorsque leur volume dépasse 70 à 70 cm3, on est amené à utiliser des blocs relativement longs, mais relativement étroits suivant les axes X et Y. Il résulte de cette disposition que le champ électrique à l'intérieur du bloc de titanate n'est pas homogène.
La fig. 2 illustre cette mauvaise répartition du champ et représente un bloc de titanate 1 soumis à l'action d'un champ électrique engendré par un potentiel alternatif régnant entre deux électrodes disposées sur les faces 4 et 5 de ce bloc. On observe une contraction des lignes de force, représentées schématiquement par 6 et 7, qui est d'autant plus forte que les électrodes 4 et 5 sont éloignées l'une de l'autre et que l'épaisseur du bloc, prise dans le sens de l'axe X ou de l'axe Y, est plus faible.
Pour remédier à ce défaut, il est connu d'exciter le bloc piézo-électrique en appliquant les électrodes sur les grandes faces de ce bloc qui sont désignées par 8 et 9 à la fig. 2, et en appliquant à ces électrodes un potentiel alternatif dont la fréquence correspond à la fréquence propre de vibration du bloc selon l'axe Z. Cette solution ne permet toutefois pas d'éviter un incon vénient dû au fait que la surface 4 du bloc 1, qui est collée à la paroi 2, est relativement petite, ce qui s'op pose à une bonne transmission des ultrasons à l'intérieur du bac 3.
L'invention a pour but de permettre une meilleure transmission des ultrasons produits par un traducteur tout en bénéficiant de conditions plus faciles pour l'exci tation de ce traducteur.
L'invention a pour objet un procédé de génération d'ultra-sons, selon lequel on excite, par un signal élec trique, un traducteur présentant plusieurs axes de réso nance, une face de ce traducteur étant en contact avec un corps dans lequel les ultrasons doivent être transmis. Ce procédé est caractérisé en ce qu'on excite ce traduc teur pour le faire vibrer suivant un de ses axes de résonance qui est transversal à une normale à la surface de ladite face. Les fig. 3 à 5 du dessin annexé illustrent deux modes de réalisation du procédé faisant l'objet de l'invention et qui sont donnés à titre d'exemple.
Les fig. 3 et 4 correspondent aux fig. 1 et 2 précitées dans le cas de la forme de réalisation du procédé objet de l'invention.
La fig. 5 illustre un traducteur prévu pour une variante de ce procédé.
En référence à la fig. 3, on retrouve le bac 3 dont le fond 2 porte un bloc piézo-électrique 1. Ce bloc est le même que celui représenté à la fig. 1, mais ses trois axes de résonance X, Y, Z sont orientés différem- ment. L'axe de résonance Z, donnant la fréquence la plus basse, est cette fois parallèle au fond 2, tandis que l'axe X, qui correspond à la plus petite épaisseur du bloc 1, est cette fois perpendiculaire au fond 2.
Les électrodes sont prévues sur les faces 8 et 9 du bloc 1, de sorte que le champ subit une contraction négligeable comparativement au cas illustré à la fig. 2. Les lignes de force extrêmes du champ dans le bloc 1 sont indiquées par 6' et 7'.
Un potentiel alternatif est appliqué entre les élec trodes disposées sur les faces 8 et 9 du bloc 1, ce potentiel présentant la fréquence de résonance du bloc selon l'axe Z. Toutefois, lorsque le bloc 1 vibre dans le sens de l'axe Z, c'est-à-dire qu'il subit des élongations et des contractions successives dans le sens de cet axe, celles-ci sont automatiquement accompagnées de con tractions et d'élongations selon les axes X et Y. Les vibrations qui en résultent selon l'axe X sont transmises au fond 2 du bac et, étant donné que la surface de contact entre le bloc 1 et le fond 2 de ce bac est beaucoup plus grande que dans le cas de la fig. 1, la transmission des ultrasons à l'intérieur du bac est bien supérieure.
Dans le cas d'un bloc dont les dimensions sont de 54 X 48 X 28 mm, l'expérience a montré que le rende- ment de transmission était de 72 % lorsque le bloc était fixé au bac et excité comme décrit en référence à la fig. 1,
tandis que ce rendement montait à 90 % lorsque l'excitation était réalisée comme indiqué en référence aux fig. 3 et 4.
De plus, comme la distance entre les électrodes placées sur les faces 8 et 9 du bloc 1 est beaucoup plus faible que dans le cas de la fig. 2, lorsque les électrodes sont disposées sur les faces 4 et 5, les tensions de polarisation continue pour rendre piézo-électrique le bloc de titanate, ainsi que les tensions alternatives d'exci tation utilisées par la suite pour faire vibrer ce bloc sont beaucoup plus basses dans le cas de la disposition selon la fig. 3.
D'autre part, la disposition décrite présente encore un avantage très important qui consiste à permettre d'exciter le bloc 1 à volonté pour les fréquences de résonance suivant ses axes Z, Y, X. Il y a lieu de remarquer que l'excitation selon l'axe X est tout à fait conforme aux principes classiques. Toutefois, elle ne pouvait être utilsée dans le cas d'un bloc fixé par sa plus vait être utilisée dans le cas d'un bloc fixé par sa plus grande face au fond 2 du bac que lorsque les ultra sons à transmettre étaient de fréquence élevée.
Si, dans le cas de la fig. 3, on utilise un bloc de zirconate titanate de plomb ayant pour dimensions 60 X 40 X 16 mm, on peut produire des ultrasons dont les fréquences sont de 100, 40, respectivement 25 kHz pour les axes de résonance X, Y et Z. Le procédé décrit permet donc une grande souplesse d'exploitation dans les installa tions à ultrasons.
Il est bien entendu que le procédé décrit en référence aux fig. 3 et 4 peut être varié dans une grande mesure. Ainsi, le bloc 1 ne doit pas nécessairement être fixé au fond d'un bac ; il pourrait, par exemple, être collé à la paroi intérieure d'une boîte fermée destinée à être plongée dans un liquide pour y transmettre des ultra sons. Suivant le cas, le bloc pourrait être directement introduit dans le liquide, notamment lorsque celui-ci est un bon diélectrique.
Le bloc ne doit pas nécessairement être paralléfi- pipédique, et le traducteur pourrait aussi être constitué par un noyau magnéto-strictif. En effet, dans le cas d'un noyau de nickel ou d'une autre matière équivalente, la vibration suivant un axe de résonance est également accompagnée de contractions et d'élongations suivant des axes transversaux à cet axe de résonance.
La fig. 5 montre le cas d'un bloc 10 de forme tubu laire. Ce bloc 10 en céramique piézo-électrique com porte une électrode cylindrique 11 sur son pourtour extérieur et porte une électrode cylindrique 12 sur sa face intérieure. La fréquence de la tension alternative appliquée à ces électrodes est égale à la fréquence de résonance du tube de céramique, prise dans le sens de la longueur de celui-ci. Les vbrations longitudinales du tube sont accompagnées de contractions et d'élongations transversales, et si ce tube est plongé dans un liquide, l'espace intérieur du tube est soumis à un champ d'ultra sons très concentrés, puisque ces ultrasons convergent sur l'axe du tube.
On pourrait ainsi obtenir une action ultrasonore très vive sur les objets placés à l'intérieur dudit tube.
The present invention relates to a method of generating ultrasound according to which one excites, by an electrical signal, a transducer having several resonance axes, this transducer being in contact with a body in which ultrasound is to be transmitted.
Until now, the resonance axis of the translator has always been used, which is perpendicular to the face of the transducer having to transmit the ultrasound.
The fi-. 1 of the appended drawing shows a conventional arrangement according to which a translator 1 is fixed, for example by gluing, to a body 2 to which the ultrasound must be transmitted. In the case shown, the body 2 constitutes the bottom of a tank 3, part of which has been cut in the drawing to allow better visibility of the translator 1. This tank 3 may be intended to contain a liquid, not shown, in which parts can be dipped for cleaning with the help of ultrasound passing through the bottom 2.
In the case of fig. 1, the translator is formed by a piezoelectric block, for example barium titanate which, as is known, has three main resonance axes designated by X, Y and Z. The Z axis being perpendicular to the bottom 2, the resonance of the translator 1 is used along this Z axis, the excitation electrodes of the titanate block being, in principle, arranged on the two faces perpendicular to this axis. When the ultrasound that is to be transmitted in the tank 3 has a relatively low frequency, for example of the order of 15 to 50 kHz, the length of the titante block 1, measured along the Z axis, is relatively large and must be between 17 and 5 cm.
As, for technical manufacturing reasons, it is difficult to obtain blocks of titanate having good qualities when their volume exceeds 70 to 70 cm3, it is necessary to use relatively long blocks, but relatively narrow depending on the requirements. X and Y axes. It follows from this arrangement that the electric field inside the titanate block is not homogeneous.
Fig. 2 illustrates this poor distribution of the field and represents a block of titanate 1 subjected to the action of an electric field generated by an alternating potential prevailing between two electrodes arranged on the faces 4 and 5 of this block. We observe a contraction of the lines of force, represented schematically by 6 and 7, which is all the stronger as the electrodes 4 and 5 are far from each other and as the thickness of the block, taken in the direction axis X or axis Y, is lower.
To remedy this defect, it is known practice to excite the piezoelectric block by applying the electrodes to the large faces of this block which are designated by 8 and 9 in FIG. 2, and by applying to these electrodes an alternating potential the frequency of which corresponds to the natural frequency of vibration of the block along the Z axis. This solution does not, however, make it possible to avoid a drawback due to the fact that the surface 4 of the block 1, which is glued to the wall 2, is relatively small, which prevents good transmission of ultrasound inside the tank 3.
The object of the invention is to allow better transmission of the ultrasound produced by a translator while benefiting from easier conditions for the excitation of this translator.
The subject of the invention is a method for generating ultrasound, according to which one excites, by an electric signal, a translator having several axes of resonance, one face of this transducer being in contact with a body in which the ultrasound must be transmitted. This method is characterized in that this translator is excited in order to make it vibrate along one of its resonance axes which is transverse to a normal to the surface of said face. Figs. 3 to 5 of the appended drawing illustrate two embodiments of the method forming the subject of the invention and which are given by way of example.
Figs. 3 and 4 correspond to figs. 1 and 2 mentioned above in the case of the embodiment of the method which is the subject of the invention.
Fig. 5 illustrates a translator provided for a variant of this method.
With reference to FIG. 3, we find the tray 3 whose bottom 2 carries a piezoelectric block 1. This block is the same as that shown in FIG. 1, but its three resonance axes X, Y, Z are oriented differently. The Z resonance axis, giving the lowest frequency, is this time parallel to bottom 2, while the X axis, which corresponds to the smallest thickness of block 1, is this time perpendicular to bottom 2.
The electrodes are provided on the faces 8 and 9 of the block 1, so that the field undergoes a negligible contraction compared to the case illustrated in FIG. 2. The extreme lines of force of the field in block 1 are indicated by 6 'and 7'.
An alternating potential is applied between the electrodes arranged on faces 8 and 9 of block 1, this potential having the resonant frequency of the block along the Z axis. However, when the block 1 vibrates in the direction of the Z axis , that is to say that it undergoes successive elongations and contractions in the direction of this axis, these are automatically accompanied by contractions and elongations along the X and Y axes. The resulting vibrations along the X axis are transmitted to the bottom 2 of the tank and, given that the contact surface between the block 1 and the bottom 2 of this tank is much larger than in the case of FIG. 1, the transmission of ultrasound inside the tray is much higher.
In the case of a block whose dimensions are 54 X 48 X 28 mm, experience has shown that the transmission efficiency was 72% when the block was attached to the tank and excited as described with reference to fig. 1,
while this efficiency rose to 90% when the excitation was carried out as indicated with reference to FIGS. 3 and 4.
In addition, as the distance between the electrodes placed on the faces 8 and 9 of the block 1 is much smaller than in the case of FIG. 2, when the electrodes are arranged on faces 4 and 5, the DC bias voltages to make the titanate block piezoelectric, as well as the excitation alternating voltages subsequently used to vibrate this block are much higher. low in the case of the arrangement according to fig. 3.
On the other hand, the arrangement described also has a very important advantage which consists in allowing the block 1 to be excited at will for the resonant frequencies along its Z, Y, X axes. It should be noted that the excitation along the X axis is entirely consistent with classical principles. However, it could not be used in the case of a block fixed by its plus was to be used in the case of a block fixed by its larger face to the bottom 2 of the tank only when the ultrasounds to be transmitted were of high frequency .
If, in the case of fig. 3, we use a block of lead titanate zirconate having dimensions 60 X 40 X 16 mm, we can produce ultrasound whose frequencies are 100, 40, 25 kHz respectively for the resonance axes X, Y and Z. The The method described therefore allows great flexibility of operation in ultrasonic installations.
It is understood that the method described with reference to FIGS. 3 and 4 can be varied to a great extent. Thus, block 1 does not necessarily have to be fixed to the bottom of a tank; it could, for example, be glued to the inner wall of a closed box intended to be immersed in a liquid to transmit ultrasound therein. Depending on the case, the block could be directly introduced into the liquid, in particular when the latter is a good dielectric.
The block does not necessarily have to be parallelfipedic, and the translator could also be constituted by a magneto-strictive kernel. In fact, in the case of a nucleus of nickel or of another equivalent material, the vibration along a resonance axis is also accompanied by contractions and elongations along axes transverse to this resonance axis.
Fig. 5 shows the case of a block 10 of tubular shape. This piezoelectric ceramic block 10 com carries a cylindrical electrode 11 on its outer periphery and carries a cylindrical electrode 12 on its inner face. The frequency of the alternating voltage applied to these electrodes is equal to the resonant frequency of the ceramic tube, taken in the direction of the length thereof. The longitudinal vibrations of the tube are accompanied by contractions and transverse elongations, and if this tube is immersed in a liquid, the interior space of the tube is subjected to a very concentrated ultrasound field, since these ultrasounds converge on the axis of the tube.
One could thus obtain a very strong ultrasonic action on the objects placed inside said tube.