EP0142178B2 - Transducteur ultrasonore - Google Patents

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EP0142178B2
EP0142178B2 EP84201200A EP84201200A EP0142178B2 EP 0142178 B2 EP0142178 B2 EP 0142178B2 EP 84201200 A EP84201200 A EP 84201200A EP 84201200 A EP84201200 A EP 84201200A EP 0142178 B2 EP0142178 B2 EP 0142178B2
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piezoelectric material
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acoustic impedance
medium
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Koninklijke Philips NV
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Laboratoires dElectronique Philips SAS
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer comprising a substrate constituting a rear medium, a layer of piezoelectric material and one or more adaptation layers, the values of the impedances of the layer of piezoelectric material, acoustic impedance adaptation layers and of the medium before propagation forming, considered in this order, a decreasing sequence.
  • An ultrasonic transducer essentially consists, in a conventional manner, of a substrate constituting a rear absorption or reflection medium, a layer of piezoelectric material equipped with electrodes on its front and rear faces and at least one layer. acoustic impedance matching, placed in front of the piezoelectric material, between it and the propagation medium. Transducers of this type are notably described in the article "The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers" by G. Kossoff, published in the journal IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, volume SU-13, March 1966 , pages 20 to 30. The implementation of one or more of these adaptation layers has the main effect of improving the sensitivity of the transducers and also contributes to increasing their bandwidth.
  • the ultrasonic transducers used in ultrasound must combine two main qualities at the level of transduction: not only good sensitivity (because the increase in signal-to-noise ratio facilitates the processing of received signals) but also sufficient damping (because the brevity of the impulse response conditions the axial resolution).
  • the object of the invention is to propose an ultrasonic transducer which easily reconciles the requirements of sensitivity and damping.
  • the invention relates to an ultrasonic transducer as defined in the preamble to the description and further characterized in that the adaptation layers are placed in identical number on either side of the piezoelectric material, the layers located symmetrically two by two having the same acoustic impedance value and the same thickness, in that the rear medium has an acoustic impedance value substantially equal to that of the medium before propagation, and in that the thickness of the layer of piezoelectric material is equal to half the wavelength associated with the resonant frequency of the transducer, so that the structure is symmetrical with respect to the median plane of the layer of piezoelectric material.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a transducer according to the invention.
  • the embodiment represented in FIG. 1 consists of an ultrasonic transducer with vibration in thickness mode, totally symmetrical, composed of a substrate 10 constituting the rear medium of the transducer, of a layer 20 of piezoelectric material of thickness equal to the half the wavelength associated with the resonant frequency of the transducer and covered on its front and rear faces with metal sheets 21 and 22 constituting first and second electrodes (connected in a known manner to a polarization circuit not shown which provides the excitation potential), and of two acoustic impedance adaptation layers 30, 40 known as quarter-wave interference layers and situated on the one hand between the rear medium and the piezoelectric material and on the other hand between this material and the medium before propagation 50.
  • the values of the acoustic impedances form a decreasing sequence from that of the piezoelectric material and these impedance values as well as the thicknesses of the adaptation layers 30, 40 are symmetrical on either side of this material. From this symmetry of the structure, it follows that the deformations on the two faces of the piezoelectric material are identical (since these two faces are acoustically charged identically) and that, consequently, the deformation is zero in the median plane of this material. The part of the structure which is located on only one side of this median plane is therefore equivalent to an infinitely rigid rear medium, that is to say with zero deformation.

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Description

  • La présente invention concerne un transducteur ultrasonore comprenant un substrat constituant un milieu arrière, une couche de matériau piézoélectrique et une ou plusieurs couches d'adaptation, les valeurs des impédances de la couche de matériau piézoélectrique, des couches d'adaptation d'impédance acoustique et du milieu avant de propagation formant, considérées dans cet ordre, une suite décroissante.
  • Un transducteur ultrasonore est constitué essentiellement, de façon classique, d'un substrat constituant un milieu arrière d'absorption ou de réflexion, d'une couche de matériau piézoélectrique équipée d'électrodes sur ses faces avant et arrière et d'au moins une couche d'adaptation d'impédance acoustique, placée devant le matériau piézoélectrique, entre celui-ci et le milieu de propagation. Des transducteurs de ce type sont notamment décrits dans l'article "The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers" de G. Kossoff, paru dans la revue IEEE Transactions on sonics and ultrasonics, volume SU-13, mars 1966, pages 20 à 30. La mise en place d'une ou de plusieurs de ces couches d'adaptation a pour effet principal d'améliorer la sensibilité des transducteurs et contribue également à augmenter leur largeur de bande.
  • On rappellera ici que les transducteurs ultrasonores utilisés en échographie doivent réunir deux qualités principales au niveau de la transduction : non seulement une bonne sensibilité (car l'augmentation du rapport signal-sur-bruit facilite le traitement des signaux reçus) mais aussi un amortissement suffisant (car la brièveté de la réponse impulsionnelle conditionne la résolution axiale).
  • Le but de l'invention est de proposer un transducteur ultrasonore conciliant de façon simple les exigences de sensibilité et d'amortissement.
  • L'invention concerne à cet effet un transducteur ultrasonore tel que défini dans le préambule de la description et en outre caractérisé en ce que les couches d'adaptation sont placées en nombre identique de part et d'autre du matériau piézoélectrique, les couches situées symétriquement deux à deux ayant la même valeur d'impédance acoustique et la même épaisseur, en ce que le milieu arrière a une valeur d'impédance acoustique sensiblement égale à celle du milieu avant de propagation, et en ce que l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique est égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur, de façon que la structure soit symétrique par rapport au plan médian de la couche de matériau piézoélectrique.
  • La demande de brevet européen publiée N° EP-A-0015886 décrit diverses réalisations de transducteurs ultrasonores qui, toutes, comprennent d'une part une couche de matériau piézoélectrique et d'autre part une ou plusieurs couches dites additionnelles, placées juste en avant et/ou en arrière dudit matériau piézoélectrique et qui ont une impédance acoustique égale à ou très voisine de celle de ce matériau. La modélisation dite de Cook-Redwood, exposée pour la première fois par E.G. COOK, en 1956, dans la communication "Transient and steady-state response of ultrasonic piezoelectric transducers", IRE Conv. Record, 4, 1956, pages 61-69, et généralisée par M. Redwood, permet cependant d'effectuer l'analyse mathématique des structures proposées dans ce document cité et de montrer que ces couches additionnelles jouent un rôle piézoélectrique. Cette analyse montre en effet que le régime des vibrations ultrasonores s'établit non pas dans le seul matériau piézoélectrique, mais dans la cavité globale constituée par ce matériau et la ou les couches additionnelles. Ces couches augmentent artificiellement l'épaisseur du matériau piézoélectrique, et abaissent donc la fréquence de travail de celui-ci, pour rendre cette fréquence compatible avec la gamme des fréquences dans laquelle se situent les applications médicales. Elles jouent donc un rôle sans rapport avec le rôle d'amortissement tenu par les couches d'adaptation d'impédance acoustique prévues dans le cas de la présente invention.
  • Les particularités et avantages de cette invention vont être maintenant décrits ci-dessous plus en détail en se référant à la figure 1, donnée à titre d'exemple non limitatif et qui montre une réalisation de transducteur conforme à l'invention.
  • La réalisation représentée sur la figure 1 consiste en un transducteur ultrasonore à vibration en mode d'épaisseur, totalement symétrique, composé d'un substrat 10 constituant le milieu arrière de transducteur, d'une couche 20 de matériau piézoélectrique d'épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur et recouverte sur ses faces avant et arrière de feuilles métalliques 21 et 22 constituant des première et deuxième électrodes (reliées de façon connue à un circuit de polarisation non représenté qui fournit le potentiel d'excitation), et de deux couches 30, 40 d'adaptation d'impédance acoustique dites couches interférentielles quart d'onde et situées d'une part entre le milieu arrière et le matériau piézoélectrique et d'autre part entre ce matériau et le milieu avant de propagation 50. Dans cette structure, les valeurs des impédances acoustiques forment une suite décroissante à partir de celle du matériau piézoélectrique et ces valeurs d'impédance ainsi que les épaisseurs des couches 30, 40 d'adaptation sont symétriques de part et d'autre de ce matériau. De cette symétrie de la structure, il résulte que les déformations sur les deux faces du matériau piézoélectrique sont identiques (puisque ces deux faces sont, acoustiquement, chargées de façon identique) et que, par suite, la déformation est nulle dans le plan médian de ce matériau. La partie de la structure qui se trouve située d'un seul côté de ce plan médian est donc équivalente à un milieu arrière infiniment rigide, c'est-à-dire à déformation nulle.
  • Les test et simulations effectués avec une structure ainsi constituée montrent que le spectre (ou module de la transformée de Fourier) de la réponse électrique en mode échographique à une excitation électrique de type impulsionnel et de durée effective égale au temps de vol dans le matériau piézoélectrique (le temps de vol est la durée du parcours des ondes ultrasonores d'une face à l'autre du matériau piézoélectrique) vibrant suivant son épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde ultrasonore à la fréquence d'émission du transducteur est de forme gaussienne ; par suite, l'enveloppe de la réponse électrique est également gaussienne et cette réponse s'amortit rapidement. Les essais réalisés (dans d'égales conditions électriques d'émission et de réception) ont montré la possibilité d'obtenir effectivement diverses structures répondant aux objectifs de l'invention (sensibilité et amortissement simultanément satisfaisants). Dans le cas où le matériau piézoélectrique est une céramique ferroélectrique de type PZT-5 (matériau piézoélectrique à base de zirconate titanate de plomb : voir l'ouvrage "Physical Acoustics, Principles and Methods", de Warren P. Mason, Vol.1, partie A, page 202), on peut citer l'exemple suivant (à deux couches d'adaptation d'impédance acoustique) d'une telle structure dite à symétrie totale :
    • (a) impédances (en kg/cm².sec x 10⁶) :
      • milieu arrière : 1,5
      • couches d'adaptation : 1,8 et 4
      • matériau piézoélectrique : 30
      • couches d'adaptation : 4 et 1,8
      • milieu avant de propagation : 1,5
    • (b) résultats obtenus :
      • indice de sensibilité : -13 dB
      • largeur de bande relative à -6 dB = 53 %
      • durée de réponse à -20 dB = 7,79 τ
      • durée de réponse à -40 dB = 9,8 τ

    On rappellera ici que la sensibilité est caractérisée par un indice de sensibilité dont l'expression en dB est du type 20 log VS/VREF où VREF est, pour un générateur d'impédance interne adaptée à sa charge, la tension permettant l'émission d'une impulsion résonnante rectangulaire et où VS est la tension crête-à-crête de la réponse, et que l'amortissement est généralement caractérisé par la largeur de bande relative à -6 dB dF/F du spectre fondamental, exprimée en % et dans laquelle dF est l'écart entre les points où l'amplitude électrique est à -6 dB sous le maximum et F la fréquence centrale correspondant audit maximum. Cependant, cette dernière information est insuffisante pour caractériser complètement l'amortissement puisqu'elle ne tient compte ni de la forme, qui peut être irrégulière, du spectre fondamental ni de la présence d'harmoniques supérieurs qui perturbent la fin des échos, et elle est complétée par deux autres indicateurs temporels qui sont les durées de la réponse électrique à -20 dB et à -40 dB étant définis par les instants auxquels l'amplitude crête-à-crête est devenue inférieure respectivement aux dixième et au centième de sa valeur initiale) à une impulsion résonnante resctangulaire de durée τ, ces durées étant normées c'est-à-dire exprimées par référence audit temps de vol τ. Dans le cas où le matériau piézoélectrique est du polyfluorure de vinylidène, on peut citer de même l'exemple suivant (à une couche d'adaptation d'impédance acoustique) :
    • (a) impédances :
      • milieu arrière et avant : 1,5
      • couches d'adaptation arrière et avant : 1,8
      • matériau piézoélectrique : 4,6
    • (b) résultats obtenus :
      • indice de sensibilité : -23,8 dB
      • largeur de bande relative à -6 dB = 75 %
      • durée de réponse à -20 dB = 5,63 τ
      • durée de réponse à -40 dB = 8 τ
  • Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, à partir desquels des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention, en particulier celles dans lesquelles on aurait choisi un nombre différent de couches d'adaptation d'impédance acoustique entre le matériau piézoélectrique et les milieux extrêmes.

Claims (1)

  1. Transducteur ultrasonore comprenant un substrat (10) constituant un milieu arrière, une couche de matériau piézoélectrique (20) et une ou plusieurs couches d'adaptation (30,40), les valeurs des impédances de la couche de matériau piézoélectrique (20), des couches d'adaptation d'impédance acoustique (30,40) et du milieu avant de propagation (50) formant, considérées dans cet ordre, une suite décroissante, caractérisé en ce que les couches d'adaptation (30,40) sont placées en nombre identique de part et d'autre du matériau piézoélectrique (20), les couches situées symétriquement deux à deux ayant la même valeur d'impédance acoustique et la même épaisseur, en ce que le milieu arrière a une valeur d'impédance acoustique sensiblement égale à celle du milieu avant de propagation (50), et en ce que l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique (20) est égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance du transducteur, de façon que la structure soit symétrique par rapport au plan médian de la couche de matériau piézoélectrique.
EP84201200A 1983-08-31 1984-08-20 Transducteur ultrasonore Expired - Lifetime EP0142178B2 (fr)

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FR8313986A FR2551611B1 (fr) 1983-08-31 1983-08-31 Nouvelle structure de transducteur ultrasonore et appareil d'examen de milieux par echographie ultrasonore comprenant une telle structure
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EP0142178B1 EP0142178B1 (fr) 1990-01-03
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