EP3490727A1 - Transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air - Google Patents

Transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air

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Publication number
EP3490727A1
EP3490727A1 EP17749639.5A EP17749639A EP3490727A1 EP 3490727 A1 EP3490727 A1 EP 3490727A1 EP 17749639 A EP17749639 A EP 17749639A EP 3490727 A1 EP3490727 A1 EP 3490727A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
elements
ultrasonic
membrane
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17749639.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christine BIATEAU
Michel CASTAINGS
Mathieu RENIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3490727A1 publication Critical patent/EP3490727A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2406—Electrostatic or capacitive probes, e.g. electret or cMUT-probes

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of non-destructive ultrasonic testing.
  • the invention more particularly relates to an air-coupled capacitive type ultrasonic transducer for generating and / or detecting ultrasound.
  • Non-destructive ultrasonic testing makes it possible to quickly inspect a structure, for example a composite material or metal, without damaging it and sometimes without dismantling it.
  • the ultrasonic waves provide information on the mechanical properties of the structure and reveal the presence of defects, on the surface or in depth.
  • ultrasonic waves may indicate the presence of cracks, delaminations and porosity zones in the structure, as these defects alter the amplitude and / or shape of the waves.
  • the methods of non-destructive ultrasonic testing most often use a liquid coupling medium, good conductor of ultrasonic waves, such as water or a gel.
  • This liquid coupling medium makes it possible to achieve an acoustic impedance matching between the emitter and receiver probes of ultrasonic waves, called transducers, and the structure to be inspected.
  • the presence of the liquid coupling medium between the transducers and the structure can be ensured by partial or total immersion of the structure in the liquid or by continuous supply of the liquid, for example in the form of water jets.
  • These non-destructive liquid coupling methods are, however, heavy to implement, because of the need to provide a tank or a liquid supply device. They also require the cleaning and / or drying of parts, and sometimes their dismantling.
  • non-destructive non-destructive contactless methods where ambient air is used as a coupling medium, are simpler to implement and make continuous inspection of structures possible.
  • they require the provision of air-coupled transducers whose efficiency is high, in order to compensate for the very high attenuation of the ultrasonic waves experienced at each interface between the air and the solid materials (air interface (s) / transducer (s) and interface (s) air / structure).
  • Capacitive ultrasonic transducers now allow the emission of ultrasonic waves into the air at high levels and their reception with sufficient sensitivity to use air as a coupling medium. These transducers also have a better frequency bandwidth than the piezoelectric type transducers. They may consist of a single capacitive element or a multitude of electrically independent capacitive elements. Compared to single-element technology, phased array technology increases the spatial resolution of the transducer. Indeed, by electronically controlling each of the elements, different settings such as angular scanning and focusing can be obtained. Multi-element transducers can adopt different geometries, in particular linear, annular, matrix and circular.
  • the Micromachined Capacitive Ultrasonic Transducer is an example of a multi-element transducer. It consists of a large number of micro-diaphragms organized in a network and operated electrostatically. This transducer is particularly compact because it is made from a silicon substrate using surface micromachining techniques. However, because of the geometry of the array of elements, in the form of a linear array or matrix, the CMUT transducer is not the most adapted to obtain a focus of the waves. ultrasonic. Focusing ultrasonic waves is possible by arranging the elements on a curved substrate whose curvature sets the central value of the focal length. The focusing distance can then vary (or very little), because of the small number of elements arranged on the support.
  • CMUT transducer The elements of the CMUT transducer are manufactured in small numbers because the piezoelectric materials that compose them are difficult to machine on a small scale. This inability to change focus distance involves providing as many CMUT transducers as there are possible applications.
  • This capacitive transducer comprises a membrane, one side of which is metallized, and a metal back plate on which the membrane is fixed.
  • the back plate has eight elements of identical active surface, distributed in a central disc and seven concentric rings.
  • This transducer has a wide frequency bandwidth, a high efficiency and allows to focus the ultrasonic wave beam, to adjust the spatial resolution.
  • it makes it possible to adjust the focusing distance dynamically, by applying variable delays to the electrical excitation signals sent to the elements ("transmitter” mode) or delivered by the elements ("receiver” mode).
  • the capacitive multi-element transducer of the aforementioned document does not simultaneously offer a great flexibility in adjusting the focusing distance, a high pressure level and a satisfactory resolution for the targeted applications.
  • an air-coupled capacitive multi-element ultrasonic transducer comprising:
  • a plurality of electrically independent conductive elements composed of a central disk and several rings concentrically arranged with the central disk, the conductive elements each having a face disposed facing the membrane and said faces of the elements being likewise area;
  • the capacitive transducer according to the invention has a wider range of focus.
  • the transducer according to the invention has a better pressure efficiency and spatial resolution than those of the transducer of the prior art.
  • Such a number of elements finally offers the possibility of finely adjusting the focusing distance, that is to say with a smaller pitch.
  • the transducer according to the invention makes it possible to detect finer defects located at a greater depth in the structures. Without moving the transducer, just by changing the focusing distance, it is possible to adapt to structures whose surface geometry would be variable, for example a composite plate with a step or a variation of thickness.
  • the transducer can also be used to adjust the focus characteristics, including the size of the focal spot, to detect defects whose dimensions are beyond of a certain critical size, without being sensitive to inhomogeneities of material of smaller sizes and not to be considered as defects.
  • the transducer according to the invention thus adapts to a greater variety of structures and needs, with regard to their shape or composition.
  • the adjustment of the focusing distance of a phased array transducer operating in "transmission” mode can be carried out by applying phase shifts to the excitation signals sent to the various elements, for example by means of multi-channel electronics.
  • the adjustment of the focusing distance of a phased array transducer operating in "reception” mode can be carried out by applying phase shifts to the signals delivered by the different elements having detected an acoustic wave, again by means of multi-channel electronics.
  • the conductive elements are advantageously separated by a distance of between 1 mm and 1.8 mm, and preferably between 1.4 mm and 1.6 mm.
  • the conductive elements are 16 in number
  • the central disk has a radius equal to 10 mm
  • the conductive elements are spaced a distance equal to 1.4 mm.
  • the invention also relates to a method for manufacturing simply and inexpensively an air-coupled capacitive multi-element ultrasonic transducer with good performance. This process comprises the following steps:
  • a rear plate comprising a plurality of electrically independent conductive elements, including a central disk and a plurality of rings arranged concentrically with the central disk, the rear plate having a rear face and a front face, said active face, opposite to the back side;
  • the formation of the back plate comprising the following operations: Machining in a metal plate a plurality of concentric annular grooves;
  • micro-sandblasting step of the active face of the back plate so as to form microcavities
  • a step of applying a bias voltage preferably between 30 V and 100 V, between the electrically conductive face of the membrane and the conductive elements of the back plate;
  • the electrically insulating glue is an epoxy resin.
  • FIG. 1 schematically represents an air-coupled capacitive multi-element ultrasonic transducer according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a top view of a rear plate of the ultrasonic transducer of FIG. 1;
  • FIG. 3 represents the maximum acoustic pressure at the distance of Fresnel radiated by the transducer according to the invention, as a function of the number of elements of the rear plate;
  • FIG. 4 represents the lateral resolution for a focusing distance equal to the Fresnel distance of the transducer of FIG. 1, as a function of the number of elements of the rear plate;
  • FIG. 5 shows the variations of the amplitude of the axial pressure field radiated by the transducer according to the invention and by the transducer of the prior art, at the focusing distance equal to the Fresnel distance of each of the transducers;
  • FIG. 6 represents the variations of the amplitude of the transverse pressure field at the distance of Fresnel radiated by the transducer according to the invention and by the transducer of the prior art;
  • FIGS. 7A to 7E show steps of a method of manufacturing the rear plate according to FIG. 2 and its support made of insulating material
  • FIG. 8 represents a particular way of assembling the capacitive multi-element transducer with air coupling according to the invention.
  • FIG. 1 represents a preferred embodiment of a capacitive type multi-element ultrasonic transducer 100.
  • the ultrasonic array transducer 100 is optimized in terms of working frequency and spatial resolution for non-destructive testing of materials.
  • the objective of this check may be to detect the presence of defects, such as cracks, voids or porosity, in mechanical parts or structures, to measure the thickness of the materials and / or to analyze their properties.
  • the transducer 100 is air-coupled, that is to say that it uses ambient air as a coupling medium for ultrasonic waves. There is therefore no contact between this transducer and the material to be controlled.
  • the advantages of this type of transducer are the ease of implementation of the control procedures and the absence of contamination or pollution of the material.
  • the transducer 100 comprises a rear plate 1 10 and a membrane 120 arranged facing the rear plate 1 10.
  • the back plate 1 10 is rigid and massive compared to the membrane 120, which is (by definition) flexible and thin.
  • the thickness of the back plate 11 is between 4 mm and 10 mm, while the thickness of the membrane 120 is between 3 ⁇ m and 8 ⁇ m.
  • the backplate 1 and the diaphragm 120 are both disk-shaped. At least one face of the membrane 120 is electrically conductive.
  • the membrane 120 is formed of a layer of polymer material 121, such as polyethylene terephthalate (PET), covered with a thin layer of metal 122, for example aluminum.
  • the metal layer 122 advantageously covers the front face of the polymer layer 121, that is to say the face facing the material to be controlled (the rear face of the polymer layer 121 being directed towards the back plate 1 10 ).
  • the membrane 120 can thus be arranged in contact with the rear plate 1 10 and fixed to the edges thereof, without creating a short circuit between the metal layer 122 and the rear plate 1 10.
  • the rear plate 1 10, shown in plan view in FIG. 2, comprises several conductive elements spaced from each other, and more particularly a central disc 1 1 1 and rings 1 12.
  • the rings 1 12 are arranged concentrically with the central disc 1 1 1 .
  • These elements are preferably metal, for example aluminum.
  • the disk 1 1 1 and the rings 1 12 are advantageously of the same thickness and nested in each other, so that the rear plate 1 10 has planar and parallel main faces (ie front and rear) (see FIG. ).
  • the elements 1 1 1 1 -1 12 12 of the back plate 1 10 are separated by a dielectric material 1 13, preferably a resin epoxy.
  • "x" designates the radial position of the rings 1 12 with respect to the center "O" of the central disc 1 1 1.
  • Each element 1 1 1 1 -1 12 of the back plate 1 10 interacts with the membrane 120 in the manner of a capacitor, to convert an ultrasonic wave into an electrical signal (in the manner of a microphone), and vice versa (to the way of a speaker).
  • the membrane 120 constitutes the first armature (or electrode), movable, of the capacitor, while the relevant element of the rear plate 1 10 is the second armature of the capacitor, which is instead fixed.
  • each of the elements, the disk 1 1 1 and the rings 1 12 constitutes with a portion of the membrane 120 an active element of the capacitive type.
  • the ultrasonic transducer multielements 100 can therefore be seen as a multitude of capacitive transducers mono-element, integrated in the same housing and sharing the same membrane.
  • the membrane 120 of the transducer 100 is permanently prestressed by a DC bias voltage VDC and vibrates at a resonance frequency under the effect of an AC excitation voltage VAC applied to each conductive element 1 1 1 -1 12 of the back plate 1 10.
  • This movement of the membrane 120 gives rise to an ultrasonic wave beam 130, corresponding to the superposition of the acoustic beams generated by the different capacitive transducers mono-element.
  • the axis of revolution Oz of the central disk 1 1 1 and rings 1 12 coincides with the propagation direction of the ultrasonic wave beam 130. This axis Oz is hereinafter called the "acoustic axis" of the transducer ultrasound 100.
  • the ultrasonic phased array transducer 100 inherently has a large frequency bandwidth because it is of the capacitive type. This wide bandwidth makes the transducer 100 compatible with many materials, because the frequency of the AC excitation signal VAC, called the working frequency, is chosen according to the material to be controlled.
  • This surface roughness is for example obtained by a micro-sandblasting of the front face of the elements.
  • the sound pressure field of the ultrasonic beam generated by a single-element plane transducer emitting a purely sinusoidal wave conventionally comprises two zones: the near-field zone (or Fresnel zone) where the pressure field is inhomogeneous, and the field zone distant (or Fraunhofer area) where the pressure field diverges.
  • Fresnel distance Df is the distance from the near-field zone to the far-field zone. This distance Df is that at which the ultrasonic beam presents the most interesting characteristics: a high sound pressure (when the attenuation in the air is negligible, it is the position of the last pressure maximum) and reduced lateral dimensions ( in other words, a good lateral resolution).
  • the distance Df is proportional to the ratio of the active surface S on the emitted wavelength ⁇ , ie in the case of a disk-shaped source of radius r:
  • the ray n of the active surface S to be taken into account is:
  • the central disc 1 1 1 and the concentric rings 1 12 of the back plate 1 10 are here dimensioned so that they have the same active surface S.
  • the front faces of the central disc 1 1 1 and rings 1 12 are of the same area.
  • the central disc 1 1 1 and the rings concentric 1 12 necessarily have different widths.
  • This configuration has the advantage of minimizing the amplitude of the side lobes of the acoustic pressure field.
  • These secondary lobes represent a part of the acoustic energy which is radiated in different directions from the acoustic axis Oz of the transducer 100 (ie the axis of the disc 1 1 1 and rings 1 12, see Fig.1). They can induce artifacts on the images of the inspected materials and lead to the detection of "false defects".
  • the irregularity in the width of the transducer elements is therefore an asset for obtaining a beam with few side lobes, or even without side lobes.
  • the elements of the transducer are not excited by purely sinusoidal signals, but by wave trains. Consequently, when the excitation signals are all in phase, the focusing of the transducer at the Fresnel distance (common to all the rings) does not occur naturally.
  • the ultrasonic beam certainly has a certain directivity, but it is comparable to that of a single-element transducer formed of a single disk of radius equal to the outer radius of the peripheral element.
  • the lateral resolution of such a system is not sufficient. In order to be able to effectively improve the lateral resolution and increase the amplitude of the maximum pressure at the Fresnel distance, phase offsets are introduced between the excitation signals of the disc 1 1 1 and rings 1 12.
  • the ultrasound beam 130 then converges to a focal area where it becomes locally plane. At greater distance, the beam diverges.
  • the focusing distance, denoted hereinafter Zf is measured from the source (i.e. the membrane 120) along the axis Oz and may be equal to the Fresnel distance Df.
  • This focusing makes it possible to detect finer defects, with a better signal-to-noise ratio.
  • the other advantage of the multi-element transducer according to the invention is that it is then easy to modify the focusing distance Zf and thus the depth of detection.
  • the focusing distance Zf is adjusted by modifying the relative phase shifts between the excitation signals, for example using multi-channel electronics.
  • the amplitude of the pressure and the lateral dimensions of the ultrasonic beam at the focusing zone depend on the focusing distance Zf and the wavelength ⁇ .
  • the performance of the capacitive multi-element transducer 00 in terms of spatial resolution and efficiency in particular, also depends on its geometry. Numerical simulations have made it possible to identify the geometrical characteristics of the transducer 100, such as the number N of elements (central disk and concentric rings) of the rear plate 1 10 and the active surface S of these elements, which have a strong impact. on the performance of the transducer. The results of these numerical simulations (at a frequency of 300 kHz) are given below in relation to FIGS. 3 and 4.
  • the efficiency of a transducer is defined as the ratio between the acoustic power delivered and the electrical power consumed.
  • the acoustic power is substantially proportional to the square of the sound pressure generated by the ultrasonic wave beam. Therefore, the higher the sound pressure of the beam, the higher the efficiency of the transducer.
  • the distance d between two consecutive elements 1 1 1 1 -1 12 is constant and fixed here to 1 mm.
  • the lateral resolution improves by increasing the number N of elements (with fixed surface S) and by decreasing the active surface S of the elements (for a fixed number N of elements).
  • the dimensions of the focal task are proportional to the focusing distance and inversely proportional to the total radius of the multi-element transducer (and thus to the number of elements).
  • the Fresnel distance is proportional to the active area, (square of the radius of the central element)
  • an increase of the active surface S of the elements deteriorates the spatial resolution.
  • the transducer 100 should have a high number of elements of small area S.
  • the efficiency and the spatial resolution are not however, not the only criteria to be considered for sizing the transducer 100.
  • the inventors have found, surprisingly, that by choosing a number N of elements between 12 and 18 and a radius R1 of the central disk 11 between 10 mm and 15 mm, the focusing range of the multielement transducer 100 is extended significantly. In addition, its efficiency is close to the maximum level, its spatial resolution is very good and the dimensions and spacings of its various elements make its realization possible with current machining and assembly means.
  • the technology based on the "capacitive" effect of the transducer gives it a wide bandwidth, which extends from 100 kHz at 500 kHz to -20 dB. This wide bandwidth makes it possible to choose the operating frequency so as to tune it to one of the resonance frequencies of the structure to be controlled. Since the characteristics of the focal task (amplitude of the pressure and dimensions) depend on the frequency, the focusing distance can be adjusted so as to optimize the beam to be emitted.
  • the transducer 100 makes it possible to adjust the focus distance finer, compared with the prior art transducer equipped with only 8 elements. Indeed, the higher this number N, the more the delay law applied to the excitation signals can be precisely defined. Finally, the geometric characteristics of the transducer 100 offer good compromises between performance and manufacturing difficulties of the back plate. Indeed, a back plate with a very large number of rings (> 20) of small area (R1 ⁇ 10 mm) can be particularly difficult to machine, especially if it is made of a metal such as aluminum.
  • the distance d between two consecutive elements 1 1 1 1 -1 12 is advantageously between 1 mm and 1, 8 mm, and preferably between 1, 4 mm and 1, 6 mm. Due to this small spacing between the elements 1 1 1 -1 12, the ultrasonic transducer multielements 100 remains compact and can therefore be used more easily.
  • the ultrasonic multielement transducer 100 comprises a central disk of radius R1 equal to 10 mm and 15 mm. concentric rings with the same active surface, ie a total of 16 conductive elements. The distance between two consecutive elements is constant and equal to 1, 4 mm.
  • FIG. 5 represents a calculation of the amplitude of the axial acoustic pressure p (z) (ie along the Oz axis) radiated by this example of the transducer according to the invention (curve in solid line) and, as a comparison, that developed by the transducer of the prior art (curve in dashed lines).
  • each of the transducers focuses at its own Fresnel distance.
  • FIG. 5 shows that the axial resolution (in the direction of the acoustic axis Oz) is also improved, since the main lobe of the axial acoustic pressure p (z) is narrower for the 16-element transducer than for the transducer 8 elements.
  • the improvement here is about 25% (9 mm instead of 12 mm).
  • Figure 6 shows that the lateral resolution of the ultrasonic beam calculated for the 16-element transducer is about 12% thinner than that of the 8-element transducer (1.4 mm vs. 1.6 mm). This lateral resolution is measured, for each curve, by raising the width at half height (Pmax / 2) of the main lobe of the transverse acoustic pressure p (x). Moreover, it can be seen from these figures that the amplitude Pmax of the maximum acoustic pressure (at the Fresnel distance Df) of the 16-element transducer is nearly twice that of the 8-element transducer (945 versus 492 in arbitrary units). ). The efficiency of the 16-element transducer is therefore significantly higher (by a factor of 4) than that of the 8-element transducer.
  • the table below gives the orders of magnitude of the performances for the transducer of the prior art and two examples. of the transducer according to the invention.
  • the ultrasonic phased array transducer according to the invention therefore has higher performances in terms of spatial resolution and of efficiency with respect to the capacitive multi-element transducer of the prior art.
  • the high efficiency and high resolution allow the detection and localization of small defects (of the order of a millimeter), while the wide frequency bandwidth allows a large number of applications.
  • the transducer 100 makes it possible to control pieces or structures of complex shape, made of very diverse materials (metals, polymer materials or composites, wood, ceramics, etc.).
  • the transducer 100 has the ability to dynamically change the focus distance.
  • the ultrasonic phased array transducer according to the invention may be suitable for applications in the field of telemetry.
  • FIGS. 7A to 7E show steps S1 to S5 of a method of manufacturing the backplate 1 comprising the central disc and the concentric rings.
  • This method makes it possible to manufacture simply and inexpensively a back plate provided with a central disk and at least one concentric ring. It is applicable regardless of the number N of elements, the radius R1 of the central disk and the spacing d between the elements (within the limits of manufacturing by machining). It is particularly beneficial for a large number of rings (N> 10), as in the case of the transducer according to the invention.
  • annular grooves 800 are machined into a metal disk 801, preferably of aluminum. The grooves 800 are concentric and intended to delimit the elements of the back plate.
  • the thickness of the metal disk 801 is 10 mm, while the grooves 800 have a depth of about 7 mm. Therefore, the grooves 800 do not agree over the entire thickness of the metal disc 801.
  • the grooves preferably have the same width, for example 1, 4 mm, so that the elements of the back plate are evenly spaced.
  • a dielectric material is deposited in the grooves 800 to form a layer 802 of surplus dielectric material on the upper face of the metal disc 801.
  • the dielectric material is an adhesive, preferably a bi-component epoxy resin.
  • the metal disk 801 covered with the resin layer 802 is inserted into a back plate support 803 made of electrically insulating material, for example polyvinyl chloride (PVC).
  • the support 803 comprises a housing 804 arranged to receive the metal disc 801.
  • the metal disk 801 is pushed into the housing 804 until the resin layer 802 comes into contact with the bottom of the housing 804.
  • the resin fulfills several functions, including that of sticking the metal disk 801 in the support 803.
  • the housing 804 has a height equal to the thickness of the metal disk 801 (10 mm) and the total thickness of the support 803 is for example 15 mm.
  • the housing 804 has a diameter slightly greater than that of the disc 801, so that the resin protrudes beyond the periphery of the disc, in the space between the metal disc 801 and the side wall of the support 803.
  • a groove 806 is advantageously arranged through the bottom of the housing 804, up to the upper face of the support 803.
  • a drilling hole (not shown in Figure 7C) can also be arranged in the side wall of the support 803, in substitution or in addition to the groove 806, to remove the excess resin.
  • Step S4 of FIG. 7D consists in machining, preferably by means of a lathe, the lower portions of the metal disk 801 and the support 803 until reaching the resin situated in the grooves 800, for example on a thickness of about 4 mm.
  • the grooves 800 filled with glue thus become through, that is to say that they extend from one face to the other of the metal plate. This separates the different portions of the metal disc 801 intended to form the conductive elements of the rear plate of the transducer.
  • the resin disposed between the conductive elements ensures their maintenance in a single block and isolates them electrically from each other.
  • step S4 is advantageously carried out so that the rear plate 1 10 and the support 803 have a planar "ground” surface. Thus, it reduces the risk of damaging (shearing) the diaphragm 120 disposed later on this surface.
  • step S4 the groove 806 can also be enlarged by milling, in order to provide access, on the rear face 1 10a of the back plate, to all the conductive elements of the back plate. This access is for the electrical connectors on the backplate.
  • the manufacturing method further comprises a preparation step S5 of the active surface of the back plate 1 (glued in the support 803), in order to create microcavities (of the order of the pm).
  • This step S5 is illustrated in FIG. 7E and comprises at least one micro-sandblasting operation.
  • the microcavities are formed on the front face 1 10b of the back plate 1 10 by the projection of hard grains whose diameter is critical to confer a broad frequency bandwidth and optimal performance of the ultrasound transducer multielements.
  • the preparation step S5 of the front face 1 10b is preferably composed of several sub-steps: at least one polishing operation, a micro-sandblasting operation and a cleaning operation.
  • the dressing tool used during the machining of the back plate 1 10 leaves a coarse surface condition.
  • the (active) front face 1 10b of the rear plate 1 10 has asperities of much greater dimensions than the desired microcavities. It is therefore necessary to remove these irregularities before creating micro-cavities by sanding.
  • a so-called mirror-like reference surface is made by polishing, for example by successively passing glass papers of increasing particle size (180, 400, 800 and then 1200 grains / cm 2 ) and then successively using diamond-shaped pastes. 3 pm, 1 pm and 1 ⁇ 4 pm in roughness.
  • the sanding is then carried out by projecting on the front face 1 10b of the back plate 1 10 an abrasive powder (for example F400 white corundum of average particle size equal to 17 ⁇ m), preferably under a pressure of 5 bar with a nozzle of 1, 8 mm in diameter.
  • the assembly consisting of the back plate 1 10 and the support 803 is preferably held about ten centimeters from the nozzle.
  • the sanding is carried out until a uniform surface (with the naked eye) is obtained on the front face 1 10b of the rear plate 1 10.
  • the back plate-support assembly is cleaned to eliminate the particles generated. by polishing and sanding operations, then dried.
  • the cleaning is for example carried out in an ultrasonic bath.
  • Fig. 8 shows a preferred embodiment of the backplate assembly step 1 with the membrane 120 and other components of the multielement ultrasonic transducer 100.
  • the membrane 120 is deposited on the front face 1 10b of the rear plate 1 10, by orienting its metallized conductive face (aluminum) outwards.
  • the membrane 120 has previously been cut around a cylindrical template of diameter greater than the diameter of the back plate 1 10, so that the peripheral edge of the membrane 120 rests on the insulating support 803.
  • the membrane 120 covers the entire surface active the back plate 1 10 and, for example, half the width of the insulating support 803.
  • a retaining ring 900 (for example made of aluminum), of internal diameter slightly greater than the diameter of the rear plate 1 10, is deposited on the front face of the membrane 120, directly above the support 803 located on the other side membrane, that is to say on the back side.
  • the retaining ring 900 advantageously has a chamfer on its inside diameter and a mirror-rectified surface condition so as not to damage the membrane later during assembly or operation of the transducer 100.
  • an electrical connector 901 is disposed in the groove 806 of the support 803, in contact with the rear face of the various conductive elements.
  • the electrical connector 901 is connected by a set of electrical wires 902 to a control electronics (not shown in FIG. 8) comprising a power source and / or a processing circuit.
  • the connector 901 will subsequently be used to convey alternating excitation signals to the conductive elements (when the transducer is in transmitter mode) or to recover measurement signals (when the transducer is configured in receiver mode).
  • the electrical connector 901 also makes it possible to apply a DC bias voltage (preferably between 30 V and 100 V) to the conductive elements of the back plate 1 10, while the electrically conductive holding ring 900 ensures that the mass of the membrane 120 (see also Fig. 1). Under the effect of this bias voltage, the membrane 120 is stretched. The DC bias voltage is maintained during transducer mounting, and then during operation. A perfectly stretched membrane, without any air bubbles trapped between the membrane and the back plate 1 10, guarantees an optimal final yield.
  • a DC bias voltage preferably between 30 V and 100 V
  • a cylindrical housing 903 (of conductive material, for example aluminum) until the retaining ring 900 comes into abutment against the bottom of the housing 903.
  • the bottom of the housing 903 has a circular opening 904, of diameter equal to the inside diameter of the retaining ring 900, which suggests the membrane 120.
  • a rear cover 905 (electrically conductive material, for example aluminum) is attached to the cylindrical housing 903, facing the rear plate 1 10, for example by means of several screws.
  • the rear cover 905 is provided with a projecting portion 906, which abuts against the support 803 of the rear plate 1 10. When the cover 905 is screwed onto the cylindrical housing 903, this projecting portion 906 presses on the support 803, so as to bring the membrane 120 in abutment against the retaining ring 900 (which is snuggled to the bottom of the housing 903).
  • the ultrasonic phased array transducer 100 is operational.

Abstract

L'invention concerne un transducteur (100) ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant : - une membrane (120) ayant une face électriquement conductrice; et - une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central (111) et de plusieurs anneaux (112) disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane (120) et lesdites faces des éléments conducteurs étant de même superficie; dans lequel le disque central (111) présente un rayon (R1) compris entre 10 mm et 15 mm et dans lequel le nombre des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18.

Description

TRANSDUCTEUR ULTRASONORE MULTIÉLÉMENTS
CAPACITIF À COUPLAGE AIR
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine du contrôle non destructif par ultrasons. L'invention concerne plus particulièrement un transducteur ultrasonore de type capacitif à couplage air permettant de générer et/ou de détecter les ultrasons.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Le contrôle non destructif par ultrasons permet d'inspecter rapidement une structure, par exemple en matériau composite ou en métal, sans la détériorer et parfois sans la démonter. En se propageant dans le matériau de la structure, les ondes ultrasonores fournissent des renseignements sur les propriétés mécaniques de la structure et révèlent la présence de défauts, en surface ou en profondeur. À titre d'exemple, les ondes ultrasonores peuvent indiquer la présence de fissures, de délaminages et de zones de porosité dans la structure, car ces défauts modifient l'amplitude et/ou la forme des ondes.
Les procédés de contrôle non-destructif par ultrasons utilisent le plus souvent un milieu de couplage liquide, bon conducteur des ondes ultrasonores, comme l'eau ou un gel. Ce milieu de couplage liquide permet de réaliser une adaptation d'impédance acoustique entre les sondes émettrice et réceptrice d'ondes ultrasonores, appelées transducteurs, et la structure à inspecter. La présence du milieu de couplage liquide entre les transducteurs et la structure peut être assurée par immersion partielle ou totale de la structure dans le liquide ou par apport continu du liquide, par exemple sous la forme de jets d'eau. Ces procédés de contrôle non-destructif à couplage liquide sont toutefois lourds à mettre en œuvre, du fait de la nécessité de prévoir une cuve ou un dispositif d'apport du liquide. Ils requièrent aussi le nettoyage et/ou le séchage des pièces, et parfois leur démontage. En outre, ils ne sont pas adaptés au contrôle de certains types de structures ne tolérant pas le couplage avec un liquide. On peut citer à titre d'exemple les structures dites « sandwich » intégrant une ou plusieurs couches alvéolaires (mousse, nid d'abeille, etc.), largement répandues dans l'industrie aéronautique.
En comparaison, les procédés de contrôle non-destructif par ultrasons sans contact, où l'air ambiant est utilisé comme milieu de couplage, sont plus simples à mettre en œuvre et rendent possible une inspection en continu des structures. Ils requièrent cependant de prévoir des transducteurs à couplage air dont le rendement est élevé, afin de compenser la très forte atténuation des ondes ultrasonores subie à chaque interface entre l'air et les matériaux solides (interface(s) air/transducteur(s) et interface(s) air/structure).
Les transducteurs ultrasonores capacitifs permettent aujourd'hui l'émission d'ondes ultrasonores dans l'air à des niveaux élevés et leur réception avec une sensibilité suffisante pour utiliser l'air comme milieu de couplage. Ces transducteurs possèdent en outre une meilleure bande passante en fréquence que les transducteurs de type piézo-électrique. Ils peuvent être constitués d'un seul élément capacitif ou d'une multitude d'éléments capacitifs, indépendants sur le plan électrique. Par rapport à la technologie mono-élément, la technologie multiéléments permet d'augmenter la résolution spatiale du transducteur. En effet, en pilotant électroniquement chacun des éléments, différents réglages tels que le balayage angulaire et la focalisation peuvent être obtenus. Les transducteurs multiéléments peuvent adopter différentes géométries, notamment linéaire, annulaire, matricielle et circulaire.
Le transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné (ou CMUT, pour « Capacitive Micromachining Ultrasonic Transducer ») est un exemple de transducteur multiéléments. Il est constitué d'un grand nombre de micro-diaphragmes organisés en réseau et actionnés de manière électrostatique. Ce transducteur est particulièrement compact, car il est fabriqué à partir d'un substrat en silicium en utilisant les techniques de micro-usinage de surface. Cependant, en raison de la géométrie du réseau d'éléments, en forme de barrette linéaire ou de matrice, le transducteur CMUT n'est pas le plus adapté pour obtenir une focalisation des ondes ultrasonores. Une focalisation des ondes ultrasonores est possible, en disposant les éléments sur un substrat courbé dont la courbure fixe la valeur centrale de la focale. La distance de focalisation ne peut alors varier (ou alors très faiblement), à cause du faible nombre d'éléments disposés sur le support. Les éléments du transducteur CMUT sont fabriqués en petit nombre, car les matériaux piézoélectriques qui les composent sont difficiles à usiner à petite échelle. Cette incapacité à modifier la distance de focalisation implique de prévoir autant de transducteurs CMUT qu'il y a d'applications possibles. Le document [« Numerical modelling for the optimization of multi-element, capacitive, ultrasonic, air coupled transducer », D. Zhang et al., Journal of Physics: Conférence Séries, Volume 457, 0120 1 , 2013] décrit un autre exemple de transducteur ultrasonore capacitif multiéléments à couplage air, de configuration annulaire. Ce transducteur capacitif comprend une membrane, dont une face est métallisée, et une plaque arrière métallique sur laquelle la membrane est fixée. La plaque arrière comporte huit éléments de surface active identique, répartis en un disque central et sept anneaux concentriques. Ce transducteur présente une large bande passante fréquentielle, un rendement élevé et permet de focaliser le faisceau d'ondes ultrasonores, afin d'ajuster la résolution spatiale. En outre, il permet d'ajuster la distance de focalisation de manière dynamique, en appliquant des retards variables aux signaux électriques d'excitation envoyés aux éléments (mode « émetteur ») ou délivrés par les éléments (mode « récepteur »). Le transducteur capacitif multiéléments du document susmentionné n'offre toutefois pas simultanément une grande souplesse de réglage de la distance de focalisation, un niveau de pression élevé et une résolution satisfaisante pour les applications ciblées. RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Il existe donc un besoin de prévoir un transducteur ultrasonore capacitif multiéléments à couplage air doté d'une grande souplesse dans le réglage de la distance de focalisation, tout en ayant une résolution spatiale et un niveau de pression optimaux, afin d'élargir le champ d'application de ce type de transducteur.
Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant :
- une membrane ayant une face électriquement conductrice ; et
- une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central et de plusieurs anneaux disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane et lesdites faces des éléments étant de même superficie ;
dans lequel le disque central présente un rayon compris entre 10 mm et 15 mm et dans lequel le nombre des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18. Avec une telle surface active (le rayon sélectionné fixe la surface active du disque central et par conséquent celle de tous les éléments conducteurs) et un tel nombre d'éléments conducteurs, le transducteur capacitif selon l'invention bénéficie d'une plage de focalisation plus étendue. En outre, grâce au nombre d'éléments sélectionné, le transducteur selon l'invention présente un rendement en pression et une résolution spatiale meilleurs que ceux du transducteur de l'art antérieur. Un tel nombre d'éléments offre enfin la possibilité de régler plus finement la distance de focalisation, c'est-à-dire avec un pas plus petit.
Les possibilités de réglage de la fréquence et de la distance de focalisation sont par conséquent augmentées, ce qui permet de satisfaire un plus grand nombre d'applications. Par exemple, dans le cas du contrôle non-destructif de structures, le transducteur selon l'invention permet de détecter des défauts plus fins et situés à une profondeur plus importante dans les structures. Sans déplacer le transducteur, juste en modifiant la distance de focalisation, il est possible de s'adapter à des structures dont la géométrie de surface serait variable, par exemple une plaque composite avec une marche ou une variation d'épaisseur. Le transducteur peut aussi permettre d'ajuster les caractéristiques de focalisation, notamment la taille de la tâche focale, de manière à détecter des défauts dont les dimensions sont au-delà d'une certaine taille critique, sans être sensible à des inhomogénéités de matériau de tailles inférieures et ne devant pas être considérées comme des défauts. Le transducteur selon l'invention s'adapte ainsi à une plus grande variété de structures et de besoins, au regard de leur forme ou de leur composition.
Le réglage de la distance de focalisation d'un transducteur multiéléments fonctionnant en mode « émission » peut être effectué en appliquant des déphasages aux signaux d'excitation envoyés aux différents éléments, par exemple au moyen d'une électronique multivoie. Le réglage de la distance de focalisation d'un transducteur multiéléments fonctionnant en mode « réception » peut être effectué en appliquant des déphasages aux signaux délivrés par les différents éléments ayant détecté une onde acoustique, toujours au moyen d'une électronique multivoie.
Les éléments conducteurs sont avantageusement séparés d'une distance comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm.
Selon un exemple de réalisation du transducteur selon l'invention, les éléments conducteurs sont au nombre de 16, le disque central présente un rayon égal à 10 mm et les éléments conducteurs sont espacés d'une distance égale à 1 ,4 mm.
L'invention concerne également un procédé permettant de fabriquer simplement et à moindre coût un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air doté de bonnes performances. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
- former une plaque arrière comprenant une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, dont un disque central et plusieurs anneaux disposés de façon concentrique avec le disque central, la plaque arrière présentant une face arrière et une face avant, dite face active, opposée à la face arrière ; et
- disposer sur la face active de la plaque arrière une membrane ayant une face électriquement conductrice ;
la formation de la plaque arrière comprenant les opérations suivantes : • usiner dans une plaque métallique une pluralité de gorges annulaires concentriques ;
• remplir les gorges d'une colle électriquement isolante ; et
• retirer une portion de la plaque métallique de façon à rendre traversantes les gorges remplies de colle.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une étape de micro-sablage de la face active de la plaque arrière, de façon à former des microcavités ;
- une étape consistant à appliquer une tension de polarisation, de préférence comprise entre 30 V et 100 V, entre la face électriquement conductrice de la membrane et les éléments conducteurs de la plaque arrière ;
- une étape de fixation de la plaque arrière à l'intérieur d'un support au moyen de la colle électriquement isolante, une portion du support étant avantageusement retirée en même temps que la portion de la plaque métallique de façon à former une surface plane, la membrane étant disposée sur cette surface plane ;
- les gorges annulaires présentent une même largeur ; et
- la colle électriquement isolante est une résine époxy.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente de manière schématique un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
- la figure 2 représente en vue de dessus une plaque arrière du transducteur ultrasonore de la figure 1 ; - la figure 3 représente la pression acoustique maximale à la distance de Fresnel rayonnée par le transducteur selon l'invention, en fonction du nombre d'éléments de la plaque arrière ;
- la figure 4 représente la résolution latérale pour une distance de focalisation égale à la distance de Fresnel du transducteur de la figure 1 , en fonction du nombre d'éléments de la plaque arrière ;
- la figure 5 représente les variations de l'amplitude du champ de pression axial rayonné par le transducteur selon l'invention et par le transducteur de l'art antérieur, à la distance de focalisation égale à la distance de Fresnel de chacun des transducteurs ;
- la figure 6 représente les variations de l'amplitude du champ de pression transversal à la distance de Fresnel rayonnée par le transducteur selon l'invention et par le transducteur de l'art antérieur ;
- les figures 7A à 7E représentent des étapes d'un procédé de fabrication de la plaque arrière selon la figure 2 et de son support en matériau isolant ; et
- la figure 8 représente une façon particulière d'assembler le transducteur multiéléments capacitif à couplage air selon l'invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. Par ailleurs, sur les figures 3, 5 et 6, la pression acoustique est exprimée en unité arbitraire (« a.u. », pour « arbitrary unit » en anglais).
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION
La figure 1 représente un mode de réalisation préférentiel d'un transducteur ultrasonore multiéléments 100 de type capacitif.
Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 est optimisé, en termes de fréquence de travail et de résolution spatiale, pour le contrôle non destructif de matériaux. L'objectif de ce contrôle peut être de déceler la présence de défauts, tels que des fissures, des vides ou de la porosité, dans des pièces mécaniques ou des structures, de mesurer l'épaisseur des matériaux et/ou d'analyser leurs propriétés. Le transducteur 100 est à couplage air, c'est-à-dire qu'il utilise l'air ambiant comme milieu de couplage des ondes ultrasonores. Il n'y a donc aucun contact entre ce transducteur et le matériau à contrôler. Les avantages de ce type de transducteur sont la facilité de mise en œuvre des procédures de contrôle et l'absence de contamination ou de pollution du matériau.
Le transducteur 100 comprend une plaque arrière 1 10 et une membrane 120 disposée en regard de la plaque arrière 1 10. La plaque arrière 1 10 est rigide et massive comparée à la membrane 120, qui est (par définition) souple et fine. De préférence, l'épaisseur de la plaque arrière 1 10 est comprise entre 4 mm et 10 mm, tandis que l'épaisseur de la membrane 120 se situe entre 3 pm et 8 pm. La plaque arrière 1 10 et la membrane 120 ont toutes les deux la forme d'un disque. Au moins une face de la membrane 120 est électriquement conductrice.
Dans le mode de réalisation préférentiel de la figure 1 , la membrane 120 est formée d'une couche en matériau polymère 121 , tel que le polyéthylène téréphtalate (PET), recouverte d'une fine couche de métal 122, par exemple en aluminium. La couche de métal 122 recouvre avantageusement la face avant de la couche de polymère 121 , c'est-à-dire la face tournée vers le matériau à contrôler (la face arrière de la couche de polymère 121 étant dirigée vers la plaque arrière 1 10). La membrane 120 peut ainsi être disposée en contact avec la plaque arrière 1 10 et fixée aux bords de celle- ci, sans créer de court-circuit entre la couche de métal 122 et la plaque arrière 1 10. La plaque arrière 1 10, représentée en vue de dessus sur la figure 2, comporte plusieurs éléments conducteurs espacés les uns des autres, et plus particulièrement un disque central 1 1 1 et des anneaux 1 12. Les anneaux 1 12 sont disposés de manière concentrique avec le disque central 1 1 1 . Ces éléments (disque et anneaux) sont de préférence en métal, par exemple en aluminium. Le disque 1 1 1 et les anneaux 1 12 sont avantageusement de même épaisseur et imbriqués les uns dans les autres, de sorte que la plaque arrière 1 10 ait des faces principales (i.e. avant et arrière) planes et parallèles (cf. Fig .1 ). Les éléments 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10 sont séparés par un matériau diélectrique 1 13, de préférence une résine époxy. Sur la figure 2, « x » désigne la position radiale des anneaux 1 12 par rapport au centre « O » du disque central 1 1 1 .
Chaque élément 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10 interagit avec la membrane 120 à la manière d'un condensateur, pour convertir une onde ultrasonore en un signal électrique (à la manière d'un microphone), et inversement (à la manière d'un haut- parleur). La membrane 120 constitue la première armature (ou électrode), mobile, du condensateur, tandis que l'élément concerné de la plaque arrière 1 10 constitue la deuxième armature du condensateur, qui est au contraire fixe. Autrement dit, chacun des éléments, le disque 1 1 1 et les anneaux 1 12, constitue avec une portion de la membrane 120 un élément actif de type capacitif. Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 peut donc être vu comme une multitude de transducteurs capacitifs mono-élément, intégrés dans un même boîtier et partageant la même membrane.
Pour générer des ultrasons, la membrane 120 du transducteur 100 est précontrainte de manière permanente par une tension continue de polarisation VDC et vibre à une fréquence de résonance sous l'effet d'une tension d'excitation alternative VAC appliquée à chaque élément conducteur 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10. Ce mouvement de la membrane 120 donne naissance à un faisceau d'ondes ultrasonores 130, correspondant à la superposition des faisceaux acoustiques générés par les différents transducteurs capacitifs mono-élément. Sur la figure 1 , l'axe de révolution Oz du disque central 1 1 1 et des anneaux 1 12 coïncide avec la direction de propagation du faisceau d'ondes ultrasonores 130. Cet axe Oz est appelé ci-après « axe acoustique » du transducteur ultrasonore 100.
Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 présente, intrinsèquement, une large bande passante en fréquence grâce au fait qu'il est de type capacitif. Cette large bande passante rend le transducteur 100 compatible avec de nombreux matériaux, car la fréquence du signal d'excitation alternatif VAC, dite fréquence de travail, est choisie en fonction du matériau à contrôler.
La surface active S des éléments 1 1 1 -1 12, c'est-à-dire la surface orientée vers la membrane 120, comporte avantageusement des microcavités dimensionnées pour augmenter la bande passante et le rendement du transducteur. Cette rugosité de surface est par exemple obtenue par un micro-sablage de la face avant des éléments.
Le champ de pression acoustique du faisceau ultrasonore généré par un transducteur plan mono-élément émettant une onde purement sinusoïdale comporte classiquement deux zones : la zone de champ proche (ou zone de Fresnel) où le champ de pression est inhomogène, et la zone de champ lointain (ou zone de Fraunhofer) où le champ de pression diverge. La distance de Fresnel Df est la distance à laquelle on passe de la zone de champ proche à la zone de champ lointain. Cette distance Df est celle à laquelle le faisceau ultrasonore présente les caractéristiques les plus intéressantes : une pression acoustique élevée (lorsque l'atténuation dans l'air est négligeable, c'est la position du dernier maximum de pression) et des dimensions latérales réduites (autrement dit une bonne résolution latérale). La distance Df est proportionnelle au rapport de la surface active S sur la longueur d'onde émise λ, soit dans le cas d'une source en forme de disque de rayon r :
Pour une source annulaire, le ray n de la surface active S à prendre en compte est :
avec rext et nnt respectivement les rayons externe et interne de l'anneau.
Le disque central 1 1 1 et les anneaux concentriques 1 12 de la plaque arrière 1 10 sont ici dimensionnés de sorte qu'ils aient la même surface active S. En d'autres termes, les faces avant du disque centrai 1 1 1 et des anneaux 1 12 sont de même superficie. Ainsi, si chacun de ces éléments 1 1 1 -1 12 est excité par le même signal purement sinusoïdal, le champ rayonné par chacun des éléments présentera la même distance de Fresnel Df. En conséquence, l'amplitude de la pression à cette distance Df sera égale à la somme des champs rayonnés par les différents éléments.
Pour avoir une surface active identique, le disque central 1 1 1 et les anneaux concentriques 1 12 présentent nécessairement des largeurs différentes. Cette configuration présente l'avantage de minimiser l'amplitude des lobes secondaires du champ de pression acoustique. Ces lobes secondaires représentent une partie de l'énergie acoustique qui est rayonnée dans des directions différentes de l'axe acoustique Oz du transducteur 100 (i.e. l'axe du disque 1 1 1 et des anneaux 1 12 ; cf. Fig.1 ). Ils peuvent induire des artefacts sur les images des matériaux inspectés et conduire à la détection de « faux défauts ». L'irrégularité dans la largeur des éléments du transducteur est donc un atout pour l'obtention d'un faisceau avec peu de lobes secondaires, voire sans lobes secondaires.
En pratique, les éléments du transducteur ne sont pas excités par des signaux purement sinusoïdaux, mais par des trains d'ondes. En conséquence, lorsque les signaux d'excitation sont tous en phase, la focalisation du transducteur à la distance de Fresnel (commune à l'ensemble des anneaux) n'a pas lieu naturellement. Le faisceau ultrasonore possède certes une certaine directivité, mais elle est comparable à celle d'un transducteur mono-élément formé d'un disque unique de rayon égal au rayon externe de l'élément périphérique. La résolution latérale d'un tel système n'est pas suffisante. Afin de pouvoir effectivement améliorer la résolution latérale et augmenter l'amplitude du maximum de pression à la distance de Fresnel, des décalages de phases sont introduits entre les signaux d'excitation du disque 1 1 1 et des anneaux 1 12. Cela a pour effet de concentrer, ou focaliser, le faisceau d'ondes ultrasonores 130 émis par le transducteur 100 autour d'un point situé sur l'axe acoustique Oz du transducteur 100. Le faisceau ultrasonore 130 converge alors vers une zone focale où il devient localement plan. À plus grande distance, le faisceau diverge. La distance de focalisation, notée ci-après Zf, est mesurée depuis la source (i.e. la membrane 120) le long de l'axe Oz et peut être égale à la distance de Fresnel Df.
Cette focalisation permet de détecter des défauts plus fins, avec un meilleur rapport signal sur bruit. L'autre intérêt du transducteur multiéléments selon l'invention est qu'on peut alors facilement modifier la distance de focalisation Zf et donc la profondeur de détection. La distance de focalisation Zf est ajustée en modifiant les déphasages relatifs entre les signaux d'excitation, par exemple à l'aide d'une électronique multivoie. L'amplitude de la pression et les dimensions latérales du faisceau ultrasonore au niveau de la zone de focalisation dépendent de la distance de focalisation Zf et de la longueur d'onde λ.
Les performances du transducteur capacitif multiéléments 00, en termes de résolution spatiale et de rendement notamment, dépendent également de sa géométrie. Des simulations numériques ont permis d'identifier les caractéristiques géométriques du transducteur 100, tels que le nombre N d'éléments (disque central et anneaux concentriques) de la plaque arrière 1 10 et la surface active S de ces éléments, qui ont un impact fort sur les performances du transducteur. Les résultats de ces simulations numériques (à une fréquence de 300 kHz) sont donnés ci- dessous en relation avec les figures 3 et 4.
Par définition, le rendement d'un transducteur est défini comme le rapport entre la puissance acoustique délivrée et la puissance électrique consommée. La puissance acoustique est sensiblement proportionnelle au carré de la pression acoustique générée par le faisceau d'ondes ultrasonores. Par conséquent, plus la pression acoustique du faisceau est importante, plus le rendement du transducteur est élevé.
La figure 3 représente l'amplitude p(z=Df) du maximum de pression situé à la distance de Fresnel Df lorsque cette distance est choisie comme distance de focalisation Zf sur l'axe Oz (soit dans le plan de la figure 2, à x=0), en fonction du nombre N d'éléments du transducteur 100 et pour des valeurs du rayon R1 de l'élément central 1 1 1 comprises entre 5 mm et 12 mm. Pour mémoire, le rayon R1 fixe la surface active S de tous les éléments 1 1 1 -1 12 (S = π. RI2). La distance d entre deux éléments 1 1 1 -1 12 consécutifs est constante et fixée ici à 1 mm. Cette figure montre que l'amplitude p(z=Df) du maximum de pression augmente avec le nombre N d'éléments de la plaque arrière 1 10, pour une surface S fixée (i.e. un rayon R1 fixé). Elle montre également que la pression maximale p(z=Df) (atteinte à la distance de Fresnel Df) n'augmente pas nécessairement avec la surface active S des éléments. Par exemple, pour un nombre N d'éléments égal à 8, la pression maximale développée par des éléments de surface S = π. 122 mm2 est inférieure (presque de moitié) à la pression maximale obtenue avec des éléments de surface S =
7Γ. 52 mm2.
La figure 4 représente la résolution latérale R(z=Dt) (i.e. la dimension du faisceau selon l'axe Ox) à la distance de Fresnel Df, en fonction du nombre N d'éléments et pour des valeurs de rayon R1 comprises entre 5 mm et 12 mm. Plus la valeur indiquée en ordonnées est faible, meilleure est la résolution latérale.
On constate grâce à cette figure que la résolution latérale s'améliore en augmentant le nombre N d'éléments (à surface S fixée) et en diminuant la surface active S des éléments (pour un nombre N d'éléments fixé). Les dimensions de la tâche focale sont proportionnelles à la distance de focalisation et inversement proportionnelles au rayon total du transducteur multiéléments (et donc au nombre d'éléments). Néanmoins, comme la distance de Fresnel est proportionnelle à la surface active, (carré du rayon de l'élément central), une augmentation de la surface active S des éléments détériore la résolution spatiale. Ainsi, pour obtenir les meilleures performances en termes de rendement (Fig.3) et de résolution spatiale (Fig.4), le transducteur 100 devrait posséder un nombre élevé d'éléments de petite surface S. Le rendement et la résolution spatiale ne sont cependant pas les seuls critères à prendre en considération pour le dimensionnement du transducteur 100.
Les inventeurs ont constaté, de manière surprenante, qu'en choisissant un nombre N d'éléments compris entre 12 et 18 et un rayon R1 du disque central 1 1 1 compris entre 10 mm et 15 mm, la plage de focalisation du transducteur multiéléments 100 est étendue de façon significative. En outre, son rendement est proche du niveau maximal, sa résolution spatiale est très bonne et les dimensions et espacements de ses divers éléments rendent sa réalisation possible avec des moyens d'usinage et d'assemblage courants. De plus, la technologie basée sur l'effet « capacitif » du transducteur lui procure une large bande passante, qui s'étend de 100 kHz à 500 kHz à -20 dB. Cette large bande passante permet de choisir la fréquence de fonctionnement de manière à l'accorder sur l'une des fréquences de résonance de la structure à contrôler. Comme les caractéristiques de la tâche focale (amplitude de la pression et dimensions) dépendent de la fréquence, la distance de focalisation peut être ajustée de manière à optimiser le faisceau à émettre.
Une fois la fréquence de contrôle choisie, cette distance de focalisation Zf peut être ajustée de Zf-min = 40 mm jusqu'à une distance Zt-max égale à environ deux fois la distance de Fresnel (jusqu'à 350 mm à 300 kHz pour 16 éléments et R1 = 15 mm). À titre de comparaison, la bande passante du transducteur multiéléments de l'art antérieur (8 éléments de surface S = π. 7,872 mm2) vaut 100kHz - 500kHz et sa plage de focalisation est d'environ 30 mm à 1 10 mm.
Par ailleurs, avec un nombre N d'éléments compris entre 12 et 18, le transducteur 100 permet de régler plus finement la distance de focalisation, comparativement au transducteur de l'art antérieur équipé de seulement 8 éléments. En effet, plus ce nombre N est élevé, plus la loi de retards appliquée aux signaux d'excitation peut être définie précisément. Enfin, les caractéristiques géométriques du transducteur 100 offrent de bons compromis entre performances et difficultés de fabrication de la plaque arrière. En effet, une plaque arrière avec un nombre très élevé d'anneaux (> 20) de petite surface (R1 < 10 mm) peut être particulièrement difficile à usiner, notamment si elle est constituée d'un métal comme l'aluminium.
La distance d entre deux éléments 1 1 1 -1 12 consécutifs est avantageusement comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence comprise entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm. Grâce à ce faible espacement entre les éléments 1 1 1 -1 12, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 reste compact et peut donc être utilisé plus facilement.
Selon un exemple particulier de réalisation, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 comporte un disque central de rayon R1 égal à 10 mm et 15 anneaux concentriques de même surface active, soit au total 16 éléments conducteurs. La distance entre deux éléments consécutifs est constante et égale à 1 ,4 mm. La figure 5 représente un calcul de l'amplitude de la pression acoustique axiale p(z) (i.e. le long de l'axe Oz) rayonnée par cet exemple du transducteur selon l'invention (courbe en trait plein) et, à titre de comparaison, celle développée par le transducteur de l'art antérieur (courbe en traits pointillés). Sur cette figure, chacun des transducteurs focalise à sa propre distance de Fresnel. De la même façon, la figure 6 représente la pression acoustique transversale p(x) à la distance de focalisation (i.e. Zt = Df) pour ces deux transducteurs. La fréquence est la même dans les deux cas (300 kHz).
La figure 5 montre que la résolution axiale (dans la direction de l'axe acoustique Oz) est également améliorée, puisque le lobe principal de la pression acoustique axiale p(z) est plus étroit pour le transducteur à 16 éléments que pour le transducteur à 8 éléments. L'amélioration est ici d'environ 25 % (9 mm au lieu de 12 mm).
La figure 6 montre que la résolution latérale du faisceau ultrasonore calculé pour le transducteur à 16 éléments est plus fine d'environ 12 % que celle du transducteur à 8 éléments (1 ,4 mm contre 1 ,6 mm). Cette résolution latérale est mesurée, pour chaque courbe, en relevant la largeur à mi-hauteur (Pmax/2) du lobe principal de la pression acoustique transversale p(x). On constate en outre sur ces figures que l'amplitude Pmax du maximum de pression acoustique (à la distance de Fresnel Df) du transducteur à 16 éléments est près de deux fois supérieure à celle du transducteur à 8 éléments (945 contre 492 en unités arbitraires). Le rendement du transducteur à 16 éléments est par conséquent nettement plus élevé (d'un facteur 4) que celui du transducteur à 8 éléments.
Suite à des calculs numériques réalisés pour différentes distances de focalisation (toujours à une fréquence de 300 kHz), le tableau ci-dessous donne les ordres de grandeurs des performances pour le transducteur de l'art antérieur et deux exemples du transducteur selon l'invention.
Les valeurs données en italique pour le transducteur de l'art antérieur à une distance de focalisation de 180 mm, hors de la plage de focalisation annoncée, sont données uniquement à titre comparatif (la pression y est bien plus faible par rapport au transducteur à 16 éléments).
Le transducteur ultrasonore multiéléments selon l'invention présente donc des performances plus élevées en termes de résolution spatiale et de rendement par rapport au traducteur multiéléments capacitif de l'art antérieur. Le rendement et la résolution élevés favorisent la détection et la localisation de défauts de petite taille (de l'ordre du millimètre), tandis que la large bande passante en fréquence permet un grand nombre d'applications. Plus particulièrement, le transducteur 100 permet de contrôler des pièces ou structures de forme complexe, constitués de matériaux très divers (métaux, matériaux polymères ou composites, bois, céramiques...). Enfin, contrairement à d'autres transducteurs de type capacitif, le transducteur 100 possède la faculté de pouvoir modifier dynamiquement la distance de focalisation. En effet, il est possible de créer une tâche focale avec une amplitude supérieure à la moitié de l'amplitude maximale sur des distances comprises entre 40 mm et environ deux fois la distance de Fresnel du transducteur. Il peut donc se substituer à une pluralité de transducteurs ayant chacun une distance de focalisation fixe.
Outre le contrôle non-destructif, qui concerne principalement les applications industrielles (spatial, aéronautique, génie civil...), le transducteur ultrasonore multiéléments selon l'invention peut convenir à des applications dans le domaine de la télémétrie.
Une façon de fabriquer et d'assembler les composants du transducteur ultrasonore multiéléments 100 va maintenant être décrite en relation avec les figures 7A-7E et 8.
Les figures 7A à 7E représentent des étapes S1 à S5 d'un procédé de fabrication de la plaque arrière 1 10 comprenant le disque central et les anneaux concentriques. Ce procédé permet de fabriquer simplement et à moindre coût une plaque arrière munie d'un disque central et d'au moins un anneau concentrique. Il est applicable quel que soit le nombre N d'éléments, le rayon R1 du disque central et l'espacement d entre les éléments (dans les limites de la fabrication par usinage). Il s'avère particulièrement bénéfique pour un nombre élevé d'anneaux (N>10), comme dans le cas du transducteur selon l'invention. À l'étape S1 de la figure 7A, des gorges annulaires 800 sont usinées dans un disque métallique 801 , de préférence en aluminium. Les gorges 800 sont concentriques et destinées à délimiter les éléments de la plaque arrière. Dans l'exemple représenté, l'épaisseur du disque métallique 801 est de 10 mm, tandis que les gorges 800 ont une profondeur d'environ 7 mm. Par conséquent, les gorges 800 ne s'entendent pas sur toute l'épaisseur du disque métallique 801 . Les gorges ont de préférence la même largeur, par exemple 1 ,4 mm, afin que les éléments de la plaque arrière soient régulièrement espacés.
À l'étape S2 (Fig.7B), un matériau diélectrique est déposé dans les gorges 800 jusqu'à former une couche 802 de matériau diélectrique en surplus sur la face supérieure du disque métallique 801 . Le matériau diélectrique est une colle, de préférence une résine époxy bi-composants. Puis, en S3 (Fig.7C), le disque métallique 801 recouvert de la couche de résine 802 est inséré dans un support de plaque-arrière 803 en matériau isolant électriquement, par exemple en polychlorure de vinyle (PVC). Le support 803 comprend un logement 804 aménagé pour recevoir le disque métallique 801 . Le disque métallique 801 est poussé dans le logement 804 jusqu'à ce que la couche de résine 802 entre en contact avec le fond du logement 804. La résine remplit plusieurs fonctions, dont celle de coller le disque métallique 801 dans le support 803. De préférence, le logement 804 présente une hauteur égale à l'épaisseur du disque métallique 801 (10 mm) et l'épaisseur totale du support 803 est par exemple de 15 mm. Le logement 804 présente un diamètre légèrement supérieur à celui du disque 801 , afin que la résine déborde à la périphérie du disque, dans l'espace situé entre le disque métallique 801 et la paroi latérale du support 803.
Une rainure 806 est avantageusement aménagée à travers le fond du logement 804, jusqu'à la face supérieure du support 803. Lorsque le disque métallique 801 est pressé contre le fond du logement 804, l'excédent de résine flue et s'évacue par cet orifice. Un trou de perçage (non représenté sur la figure 7C) peut aussi être aménagé dans la paroi latérale du support 803, en substitution ou en complément de la rainure 806, afin d'évacuer l'excédent de résine.
L'étape S4 de la figure 7D consiste à usiner, de préférence à l'aide d'un tour, les portions inférieures du disque métallique 801 et du support 803 jusqu'à atteindre la résine située dans les gorges 800, par exemple sur une épaisseur d'environ 4 mm. Les gorges 800 remplies de colle deviennent ainsi traversantes, c'est-à-dire qu'elles s'étendent d'une face à l'autre de la plaque métallique. On sépare ainsi les différentes portions du disque métallique 801 destinées à former les éléments conducteurs de la plaque arrière du transducteur. La résine disposée entre les éléments conducteurs assure leur maintien en un seul bloc et les isole électriquement les uns des autres.
L'usinage de l'étape S4 est avantageusement effectué de façon à ce que la plaque arrière 1 10 et le support 803 présentent une surface « rectifiée » plane. Ainsi, on réduit le risque de détériorer (par cisaillement) la membrane 120 disposée ultérieurement sur cette surface.
Lors de l'étape S4, la rainure 806 peut être également agrandie par fraisage, afin d'offrir un accès, en face arrière 1 10a de la plaque arrière, à tous les éléments conducteurs de la plaque arrière. Cet accès est destiné aux connecteurs électriques de la plaque arrière.
De préférence, le procédé de fabrication comprend en outre une étape de préparation S5 de la surface active de la plaque arrière 1 10 (collée dans le support 803), afin de créer des microcavités (de l'ordre du pm). Cette étape S5 est illustrée par la figure 7E et comprend au moins une opération de micro-sablage. Les microcavités sont formées en face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10 par la projection de grains durs dont le diamètre est déterminant pour conférer une large bande passante en fréquence et un rendement optimal au transducteur ultrasonore multiéléments.
L'étape de préparation S5 de la face avant 1 10b est préférentiellement composée de plusieurs sous-étapes : au moins une opération de polissage, une opération de micro-sablage et une opération de nettoyage. En effet, l'outil à dresser utilisé lors de l'usinage de la plaque arrière 1 10 (à l'étape S4) laisse un état de surface grossier. En particulier, la face (active) avant 1 10b de la de plaque arrière 1 10 présente des aspérités de dimensions bien plus importantes que les microcavités recherchées. Il est donc nécessaire de supprimer ces irrégularités avant de créer les microcavités par sablage.
Tout d'abord, une surface dite de référence de type miroir est réalisée par polissage, par exemple en passant successivement des papiers verre de granulométrie croissante (180, 400, 800 puis 1200 grains/cm2) puis en utilisant successivement des pâtes diamantées de 3 pm, 1 pm et ¼ pm en rugosité. Le sablage est ensuite effectué en projetant sur la face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10 une poudre abrasive (par exemple du Corindon blanc F400 de granulométrie moyenne égale à 17 pm), de préférence sous une pression de 5 bars avec une buse de 1 ,8 mm de diamètre. L'ensemble constitué par la plaque arrière 1 10 et le support 803 est de préférence tenu à une dizaine de centimètres de la buse. Le sablage est effectué jusqu'à l'obtention d'une surface uniforme (à l'œil nu) en face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10. Enfin, l'ensemble plaque arrière-support est nettoyé pour éliminer les particules générées par les opérations de polissage et de sablage, puis séché. Le nettoyage est par exemple effectué dans un bain à ultrasons.
La figure 8 représente un mode de mise en œuvre préférentiel de l'étape d'assemblage de plaque arrière 1 10 avec la membrane 120 et d'autres composants du transducteur ultrasonore multiéléments 100.
La membrane 120 est déposée sur la face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10, en orientant sa face conductrice métallisée (en aluminium) vers l'extérieur. La membrane 120 a été précédemment découpée autour d'un gabarit cylindrique de diamètre supérieur au diamètre de la plaque arrière 1 10, afin que le bord périphérique de la membrane 120 repose sur le support isolant 803. Ainsi, la membrane 120 couvre toute la surface active de la plaque arrière 1 10 et, par exemple, la moitié de la largeur du support isolant 803.
Une bague de maintien 900 (par exemple en aluminium), de diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre de la plaque arrière 1 10, est déposée sur la face avant de la membrane 120, à l'aplomb du support 803 situé de l'autre côté de la membrane, c'est-à-dire en face arrière. La bague de maintien 900 présente avantageusement un chanfrein sur son diamètre intérieur et un état de surface rectifié miroir afin de ne pas endommager ultérieurement la membrane lors du montage ou du fonctionnement du transducteur 100.
Par ailleurs, un connecteur électrique 901 est disposé dans la rainure 806 du support 803, en contact avec la face arrière des différents éléments conducteurs. Le connecteur électrique 901 est relié par un ensemble de fils électriques 902 à une électronique de commande (non représentée sur la figure 8) comprenant une source d'alimentation et/ou un circuit de traitement. Le connecteur 901 servira, ultérieurement, à acheminer des signaux d'excitation alternatifs aux éléments conducteurs (lorsque le transducteur est en mode émetteur) ou à récupérer des signaux de mesure (lorsque le transducteur est configuré en mode récepteur).
Le connecteur électrique 901 permet également d'appliquer une tension de polarisation continue (de préférence entre 30 V et 100 V) aux éléments conducteurs de la plaque arrière 1 10, tandis que la bague de maintien 900, électriquement conductrice, assure la mise à la masse de la membrane 120 (cf. également Fig .1 ). Sous l'effet de cette tension de polarisation, la membrane 120 se tend. La tension de polarisation continue est maintenue pendant le montage du transducteur, puis lors de son fonctionnement. Une membrane parfaitement tendue, sans aucune bulle d'air emprisonnée entre la membrane et la plaque arrière 1 10, garantit un rendement final optimal.
Puis, l'assemblage de ces différents composants (plaque arrière dans son support, membrane et bague de maintien) est effectué à l'intérieur d'un boîtier cylindrique 903 (en matériau conducteur, par exemple en aluminium) jusqu'à ce que la bague de maintien 900 vienne en butée contre le fond du boîtier 903. Le fond du boîtier 903 possède une ouverture 904 circulaire, de diamètre égal au diamètre intérieur de la bague de maintien 900, qui laisse entrevoir la membrane 120. Enfin, un capot arrière 905 (en matériau électriquement conducteur, par exemple en aluminium) est fixé au boîtier cylindrique 903, en regard de la plaque arrière 1 10, par exemple au moyen de plusieurs vis. Le capot arrière 905 est muni d'une portion en saillie 906, qui vient en butée contre le support 803 de la plaque arrière 1 10. Lorsque le capot 905 est vissé sur le boîtier cylindrique 903, cette portion en saillie 906 appuie sur le support 803, de manière à amener la membrane 120 en butée contre la bague de maintien 900 (qui est blottie au fond du boîtier 903).
À l'issue de cet assemblage, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 est opérationnel.
De nombreuses variantes et modifications du procédé de fabrication selon l'invention apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, ce procédé n'est pas limité à l'ordre des étapes d'assemblage qui vient d'être décrit en référence à la figure 8. Il est notamment possible d'introduire successivement la bague de maintien 900, la membrane 20 et la plaque arrière 1 10 dans le boîtier cylindrique 903, plutôt que d'introduire l'ensemble de ces éléments simultanément. Par ailleurs, d'autres façons de relier les éléments conducteurs de la plaque arrière à l'électronique de commande peuvent être envisagées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Transducteur (100) ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant :
- une membrane (120) ayant une face électriquement conductrice ; et
- une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central (1 1 1 ) et de plusieurs anneaux (1 12) disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane (120) et lesdites faces des éléments conducteurs étant de même superficie (S) ;
caractérisé en ce que le disque central (1 1 1 ) présente un rayon (R1 ) compris entre 10 mm et 15 mm et en ce que le nombre (N) des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18.
2. Transducteur (100) selon la revendication 1 , dans lequel les éléments conducteurs sont séparés d'une distance (d) comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm.
3. Transducteur (100) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les éléments conducteurs sont au nombre (N) de 16 et dans lequel le disque central
(1 1 1 ) présente un rayon (R1 ) égal à 10 mm.
4. Transducteur (100) selon la revendication 3, dans lequel les éléments conducteurs sont espacés d'une distance (d) égale à 1 ,4 mm.
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