FR2505126A1 - Transducteurs ultrasonores performants simplifies - Google Patents

Abstract

DANS LE TRANSDUCTEUR SELON L'INVENTION, LE SIGNAL ELECTRIQUE TRANSMIS PAR 1 SUR LE CRISTAL PIEZO-ELECTRIQUE 2 EST TRANSFORME EN UN SIGNAL ACOUSTIQUE QUI, MOYENNANT LA LENTILLE ACOUSTIQUE 3, EST ENVOYE VERS 4, ELEMENT A ANALYSER. LES DEUX FACES 5 ET 6 DU CRISTAL PIEZO-ELECTRIQUE 2 EN CONTACT AVEC L'AMORTISSEUR 7 ET LA LENTILLE 3 SONT METALLISEES. LES COMPOSANTS DU TRANSDUCTEUR SONT CONTENUS DANS UN BOITIER 8. LES ELEMENTS 2 ET 7 SONT ENTOURES PAR UN CYLINDRE 9 QUI SERT COMME ATTENUATEUR DE DEFORMATIONS TRANSVERSALES.

Description

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L'objet de la présente invention est la réalisation

d'une méthode qui permet la fabrication des composants des transduc-

teurs ultrasonores (résine et poudre de métal ou d'oxyde métallique) ayant des caractéristiques acoustiques et électriques définies au préalable et, par conséquent, qui permet la fabrication simplifiée de transducteurs ultrasonores performants, possédant les meilleures qualités possibles de reproductibilité des caractéristiques acoutiques

et électriques.

Certains éléments d'un transducteur ultrasonore sont constitués par des résines plus ou moins chargées d'une poudre de

métal; il s'agit généralement de l'amortisseur d'ondes longitudi-

nales, de l'atténuateur de déformations transversales et de l'adap-

tateur d'impédance acoustique qui joue aussi parfois le rôle de lentille de focalisation;

La qualité du transducteur et surtout la reproducti-

bilité de ses caractéristiques dépendent, pour une part importante, du soin avec lequel est préparé le composite et en particulier du

choix des matériaux de base et de leur dosage.

Actuellement, une série de transducteurs provenant d'un même fabricant avec les mêmes composants présente généralement une diversité de caractéristiques très gênantes et parfois même

inacceptables pour l'utilisateur.

D'autre part, l'élément piézo-électrique (mono cristal ou céramique) doit être connecté sur deux faces, ce qui nécessite la métallisation de ces dernières et la soudure des conducteurs

opération qui est toujours très délicate.

Pour pallier aux susdits inconvénients, on propose,

selon l'invention, un nouveau type de transducteur.

Une double étude théorique et expérimentale de la propagation des ultrasons dans les milieux composites a permis de définir et de mettre à la disposition du fabricant les équations des paramètres suivants, en fonction de la concentration de la charge de poudre:

1) Masse volumique M qui ne dépend pas du dimension-

nement de l'échantillon ni du mode de propagation de l'onde acous-

tique;

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2) Vitesse de propagation des ondes longitudinales C 3) Impédance acoustique caractéristique Z en fonction des deux paramètres précités: ( 1) Z = Mx C 4) Coefficient d'absorption a dont la valeur dépend principalement de la fréquence et de la granulométrie de la charge pour une concentration donnée; ) Conductibilité électrique du composite qui dépend

de la concentration et de la nature des composants (pour une concen-

tration donnée) ainsi que de la granulométrie de la charge.

Dans la figure 1 est illustré un transducteur tradition-

nel Le signal électrique transmis par 1 sur le cristal piéto-élec-

trique 2 est transformé en un signal acoustique qui, moyennant la lentille acoustique 3, est envoyé vers 4, élément à analyser les

deux faces 5 et 6 du cristal piézo-électrique 2 en contact avec l'amor-

tisseur 7 et la lentille 3 sont métallisées Les composants du trans-

ducteur sont contenus dans un bottier 8 Les éléments 2 et 7 sont entourés par un cylindre 9 qui sert comme atténuateur de déformations transversales. La figure 2 montre le transducteur, objet de la présente invention (les mêmes repères indiquent les éléments identiques) On

peut noter ici l'absence des métallisations sur l'élément piézo-élec-

trique 2 L'alimentation se fait à travers une électrode 1, qui est noyée dans l'amortisseur 7, et l'amortisseur lui-même d'une part; à

travers le bottier métallique 8 et la lentille acoustique 3 l'atténua-

ceur de déformations transversales 9 cylindrique qui n'est pas conduc-

teur enferme l'amortisseur 7 et l'élément 2.

Cette solution permet une simplification notable de la

fabrication du transducteur.

Lorsqu'on conçoit un transducteur amorti (large bande) il faut satisfaire à deux conditions, c'est-à-dire que l'impédance acoustique de l'amortisseur soit la plus proche possible de celle du

cristal piézo-électrique, et que l'onde qui se propage dans l'amor-

tisseur soit le plus possible atténuée dans ce dernier.

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La diversité des caractéristiques que l'on constate généralement dans une même série de transducteurs traditionnels est due, entre autres choses, à un choix arbitraire de la résine, de la

concentration de la charge-et de la granulométrie de cette dernière.

Autrement dit, l'impédance acoustique de l'amortisseur est diffici-

lement reproductible et plus difficilement encore son pouvoir atté-

nuateur. Dans la figure 3 sont montrées les courbes relatives & la densité M, en kg/m 3,la vitesse de propagation de l'onde C en m/s en fonction de la concentration K (poudre métallique-résine); selon

la formule ( 1), on obtient la courbe Z de l'impédance acoustique.

Or, grâce à notre méthode, après une mesure de M et de la vitesse de propagation C dans un échantillon de résine non chargée, il sera possible de connaître les variations des paramètres et donc de leur produit Z, en fonction de la concentration de la charge K.

Si le fabricant veut obtenir la même impédance acous-

tique avec une résine différente, il n'aura plus qu'à se reporter au diagramme concernant cette seconde résine pour trouver la nouvelle

concentration & laquelle correspond la Z recherchée.

La figure 4 montre la variation de l'absorption a en db/mm en fonction de la grandeur des grains métalliques pour une fréquence fixe (dans le cas de la figure 4 est de 2 M Hz) et avec des

concentrations K différentes -

Dans la figure 4 b, on voit que l'absorption diminue en augmentant la fréquence ( 5 M Hz), les autres paramètres restant les mêmes. La concentration, dans les figures 4 et 4 b, se réfère

à la poudre métallique de tungstène dans l'araldite.

Avec une granulométrie de charge < 1/100 de longueur d'onde, il n'y a pas de variations notables de la vitesse en fonction de la fréquence pour une concentration donnée; en outre, l'absorption répond & une loi relativement simple: a = f(x) pour une fréquence et

une granulométrie données.

Le fabricant peut donc dimensionner son amortisseur

d'après les diagrammes des figures 3 et 4.

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Pour l'atténuateur de déformations transversales 9 la méthode de fabrication est analogue à celle utilisée précédemment

en ce qui concerne l'amortisseur, en choisissant cependant un compo-

site non conducteur, par exemple araldite et aluminium.

L'adaptateur d'impédance 3 peut être conçu de deux manières: en choisissant son impédance acoustique homogène et égale

à la moyenne géométrique des impédances de la pastille piézo-élec-

trique et du milieu de transmission ou avec une impédance acoustique variant progressivement de celle de la pastille piézo-électrique vers celle du milieu de transmission Les mêmes diagrammes des figures

3, 4 et 4 b) sont ici utilisés pour satisfaire aux conditions d'impd-

dance d'un part, de conductibilité d'autre part, et enfin de minimum d'absorption (granulométrie fine) Si l'adaptateur joue aussi le rôle

de lentille acoustique de focalisation, on relèvera sa vitesse carse-

tdristique de propagation à l'interface avec le milieu de transmission

pour en définir la concavité.

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R E Y E N D I C A T I 0 N S

1 Transducteur piézo-électrique ultrasonore composé par une lentille acoustique, un cristal ou élément piézo-électrique ( 2),

un élement atténuateur de déformations transversales ( 9) et un amor-

tisseur ( 7),caractérisé en ce que la lentille est composée par une résine dans laquelle sont distribuées des particules métalliques à petit diamètre, ladite lentille étant placée en contact direct avec le cristal piézo-électrique ( 2) qui à son tour est englobé dans un amortisseur composé par une résine dans laquelle sont distribuées des

particules métalliques à grand diamètre; dans le corps dudit amor-

tisseur ( 7) est noyée l'extrémité de contact électrique du fil de phase du signal électrique, ledit amortisseur et le cristal étant

entourés par l'élément atténuateur de déformations transversales ( 9).

2 Transducteur piézo-électrique ultrasonore composé par une lentille acoustique, un cristal ou élément piézo-électrique, un élément atténuateur et un amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules métalliques dispersées dans la

résine y sont distribuées selon une concentration variable préétablie.

3 Transducteur piézo-électrique ultrasonore selon les

revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les particules métalliques

sont en tungstène.

4 Transducteur piézo-électrique ultrasonore selon les

revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les particules métalliques

sont en aluminium.

Transducteur piézo-électrique ultrasonore selon les

revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce que les particules disper-

sées dans la résine sont des oxydes.

6 Transducteur piézo-électrique ultrasonore selon la

revendication 1 caractérisé en ce que l'élément atténuateur de défor-

mations transversales est composé par une résine dans laquelle sont distribuées des particules métalliques, le composite résultant étant

non conducteur.

7 Méthode de fabrication des transducteurs ultrasonores selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on calcule la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans le milieu et la

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densité de l'ensemble des éléments constituant ledit milieu en fonc-

tion des différentes concentrations, le produit de la vitesse et de

la densité donne l'impédance acoustique pour les différentes concen-

trations.