FR2908556A1 - Procede de fabrication d'un traducteur ultrasonore multi-elements et traducteur ultrasonore multi-elements obtenu par ce procede - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un traducteur ultrasonore multi-éléments et traducteur ultrasonore multi-éléments obtenu par ce procédé.Le traducteur comprend une pastille piézoélectrique (34), des éléments conducteurs (A1 à A5) sur une face de celle-ci, et au moins une électrode de masse (36) sur l'autre face, et il crée une répartition non-uniforme choisie d'amplitude de source vibratoire, en vue de commander les éléments à l'aide d'un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore pour traducteur à élément unique. Selon l'invention, on choisit une fonction de répartition non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, on définit la géométrie des éléments conducteurs et de chaque électrode de masse associée, en fonction de cette répartition, on en déduit les amplitudes des tensions excitatrices qui doivent être appliquées aux éléments, on définit le branchement des éléments selon que la fonction de répartition est définie positive ou qu'elle peut prendre des valeurs positives et des valeurs négatives, et on définit les composants électroniques qui sont nécessaires à l'application des tensions.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN TRADUCTEUR ULTRASONORE MULTI-ELEMENTS ET

TRADUCTEUR ULTRASONORE MULTI-ELEMENTS OBTENU PAR CE PROCEDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine général de l'utilisation de faisceaux d'ondes ultrasonores. Plus précisément, elle concerne les traducteurs (en anglais, probes) ultrasonores. L'invention s'applique plus particulièrement au domaine de l'imagerie, par exemple en médecine et dans le domaine du CND (en anglais, NDT) c'est-à-dire du contrôle non-destructif (en anglais, non-destructive testing) des matériaux. Indiquons dès à présent que l'invention porte sur une technique permettant d'engendrer des faisceaux ultrasonores particuliers, en créant, de façon économique, une répartition choisie et quelconque d'amplitude de source vibratoire à la surface active d'un traducteur ultrasonore, cette amplitude étant localement positive ou négative. Réciproquement, dans le cas de la réception, le traducteur est non-uniformément sensible aux ondes ultrasonores qu'il intercepte suivant la même répartition. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Faisons tout d'abord quelques rappels en ce qui concerne l'émission et la réception des ondes ultrasonores dans le domaine de l'imagerie. 2908556 2 On utilise les traducteurs ultrasonores pour émettre et recevoir des ondes ultrasonores qui se propagent dans une matière que l'on veut inspecter, par exemple des tissus constitutifs du corps humain ou des 5 pièces ou assemblages mécaniques dont on veut s'assurer qu'ils ne comportent pas de défauts dangereux. Dans le cas de l'émission, un traducteur ultrasonore convertit un signal électrique excitateur en une vibration mécanique dont la fréquence se situe 10 dans le domaine des fréquences ultrasonores. Inversement, dans le cas de la réception, le traducteur convertit les vibrations engendrées par les ondes ultrasonores qu'il intercepte en signaux électriques mesurables. Ces signaux constituent des 15 informations que l'on transforme ensuite en éléments d'une image qui est plus facilement interprétable par un médecin ou un contrôleur, dans le cas des exemples d'applications qui ont été donnés plus haut. Différents types de traducteurs 20 ultrasonores existent mais pour, l'essentiel, les traducteurs ultrasonores utilisés dans le domaine de l'imagerie fonctionnent à l'aide d'un élément actif piézoélectrique qui constitue un convertisseur électro- acoustique, dans le cas de l'émission, et un 25 convertisseur acousto-électrique dans le cas de la réception. On rappelle qu'un traducteur ultrasonore utilisant l'effet piézo-électrique comprend un élément actif qui est appelé transducteur (en anglais, transducer). En général, ce dernier comporte une pastille qui est constituée d'un matériau 2908556 3 piézoélectrique et sur les faces de laquelle sont respectivement déposées des couches métalliques. Ces couches constituent deux électrodes aux bornes desquelles on peut appliquer ou mesurer une différence 5 de potentiel. Dans le cas de l'émission, l'effet piézoélectrique permet la conversion de la différence de potentiel excitatrice, qui est appliquée aux bornes des électrodes, en une vibration mécanique de l'élément 10 piézoélectrique. Cett vibration peut être rayonnée dans un milieu fluide ou solide qui est en contact avec le transducteur. Inversement, dans le cas de la réception, l'élément piézoélectrique permet la conversion d'une 15 vibration mécanique, qui est créée par une onde mécanique se propageant dans le milieu fluide ou solide en contact avec le transducteur, et qui est interceptée par ce dernier, en une différence de potentiel que l'on peut mesurer aux bornes des électrodes. 20 Considérons à présent deux problèmes qui se posent dans le domaine de l'imagerie ultrasonore et sont résolus par l'utilisation de traducteurs présentant une amplitude vibratoire non-uniforme. 1. Cas du rayonnement d'ondes ultrasonores 25 volumiques pour l'imagerie la. Dans ce cas, le problème résulte des fluctuations spatio-temporelles du champ ultrasonore qui est rayonné dans un milieu volumique par un traducteur uniforme. 30 En effet, les traducteurs ultrasonores courants sont constitués d'un transducteur 2908556 4 piézoélectrique dont les deux faces sont uniformément métallisées. Les faisceaux ultrasonores qu'ils rayonnent ont des caractéristiques déterminées - par la forme et l'aire de la surface 5 métallisée, - par l'amplitude des vibrations de l'élément piézoélectrique, en fonction du temps, en chaque point de la surface du transducteur, et - par les caractéristiques acoustiques du 10 milieu de propagation dans lequel se propage le rayonnement. La transduction électroacoustique crée approximativement une distribution uniforme de source mécanique sur l'ensemble de la surface. L'ouverture 15 finie de la source acoustique uniforme .conduit essentiellement à un phénomène de diffraction : le champ ultrasonore rayonné dans le milieu de propagation fluctue spatialement et temporellement, généralement d'autant plus que l'on est à proximité de la source. 20 Le traitement de signaux revenant d'une zone où le champ créé fluctue peut conduire à des aberrations dans les images que l'on forme à partir de ces signaux ; et ces aberrations peuvent conduire à un mauvais diagnostic sur l'état de la matière inspectée. 25 lb. Pour résoudre ce problème, on utilise des traducteurs ultrasonores non-uniformes. En effet, les fluctuations spatiales et temporelles du champ peuvent être fortement limitées en créant des sources acoustiques non-uniformes à la 30 surface du transducteur. On dit alors que ce dernier est non-diffractant. 2908556 5 Différentes répartitions non-uniformes de sources acoustiques ont été étudiées théoriquement et présentent chacune des avantages spécifiques. Certaines d'entre elles n'ont que la valeur d'amplitude locale de 5 vibration comme élément variable ; d'autres combinent une telle variation à une variation de la phase ou à une variation du signe de l'amplitude locale de vibration. 2. Cas du rayonnement d'ondes élastiques 10 guidées dans le domaine du contrôle non-destructif 2a. Dans ce cas, le problème résulte du caractère multi-modal du champ d'ondes élastiques qui est rayonné dans un guide d'onde par un traducteur uniforme rayonnant depuis la section du guide 15 En effet, les ondes élastiques se propagent de façon guidée dans une pièce dont une ou deux des dimensions sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de ces ondes et l'autre dimension (ou les deux autres dimensions est (sont) très supérieure(s) à cette 20 longueur d'onde, la géométrie étant invariante le long de cette direction. La propagation guidée se fait suivant différents modes qui correspondent à des phénomènes de résonance dans la section du guide. À une fréquence 25 d'excitation donnée, différents modes guidés existent et se propagent à différentes vitesses (caractère multi-modal de la propagation guidée). De plus, la vitesse de propagation des différents modes varie avec la fréquence (caractère dispersif de la propagation 30 guidée). Dans toute méthode de CND utilisant des 2908556 6 ondes élastiques qui se propagent dans une pièce à inspecter, le temps d'arrivée d'une onde ayant interagi avec un défaut sert à déduire la position du défaut dès lors que l'on sait associer une vitesse de propagation 5 à cette onde. Dans le cas des ondes guidées, la localisation des défauts détectés est rendue difficile par le caractère multi-modal des ondes rayonnées : l'interprétation des signaux reçus, en termes de temps 10 d'arrivée des ondes ayant interagi avec un défaut, pour en déduire la localisation de ce défaut, est d'autant plus difficile que les modes guidés excités sont nombreux. La déformation temporelle des signaux du fait de la dispersion accroît cette difficulté. 15 2b. Pour résoudre ce problème, on utilise aussi des traducteurs ultrasonores non-uniformes. Pour faciliter l'interprétation des signaux obtenus en CND par ondes guidées, on cherche en général à émettre les ondes suivant un mode unique en vue d'une 20 sélection optimale. On peut envisager de choisir une fréquence parmi celles qui correspondent à des modes guidés (a) ayant une distribution nulle de contraintes tangentielles ou (b) se propageant à une vitesse de 25 groupe maximale, en vue de la sélection optimale d'un mode d'ondes élastiques guidées parmi tous les modes qui existent à une fréquence donnée, lorsque le traducteur émet et reçoit les ondes depuis la section du guide. 30 Dans les cas (a) et (b), un traducteur à répartition non-uniforme de source doit être utilisé. 2908556 7 En outre, dans le premier cas (a), il est nécessaire de pouvoir créer, d'un point à un autre de la surface active du transducteur, des vibrations qui sont soit en phase, soit en opposition de phase. 5 On considère maintenant des solutions techniques pour produire un traducteur ultrasonore ayant une répartition spatiale non-uniforme de source acoustique. Différentes solutions techniques 10 permettent, en pratique, de créer une telle répartition. Ces solutions reposent toutes sur une fabrication particulière du transducteur, qui est constitué de l'élément piézoélectrique lui-même et des électrodes qui sont obtenues par la métallisation des 15 faces de cet élément. a) En particulier, on peut utiliser une polarisation variable de l'élément piézoélectrique. En effet, une polarisation locale variable de la pastille piézoélectrique, polarisation qui peut 20 être obtenue par différents procédés techniques (voir les documents [Brit 87] et [Hsu 89] qui sont mentionnés à la fin de la description), permet de faire varier localement l'amplitude de la source acoustique. Dans ce cas, un système électronique standard d'émission- 25 réception ultrasonore peut être utilisé. b) On peut aussi utiliser des électrodes ayant une géométrie particulière. En effet, en créant une variation de la densité de surface active en fonction de la distance, 30 depuis le centre d'une pastille piézoélectrique qui est par exemple circulaire, jusqu'à la périphérie de cette 2908556 8 pastille, par l'adoption d'une géométrie d'électrode en forme d'étoile, on peut également créer une source non-uniforme et non-diffractante (voir le document [Deva95]). Là aussi, un système électronique standard 5 d'émission-réception ultrasonore peut être utilisé. c) On peut également utiliser un pilotage électronique d'un traducteur piézoélectrique multiéléments. En effet, sur l'une des faces de la 10 pastille piézoélectrique ou chacune des faces de celle-ci, on peut créer plusieurs électrodes qui sont séparées du point de vue électrique et peuvent être excitées séparément à l'aide d'appareils électroniques adaptés. On constitue ainsi des traducteurs dits 15 multi-éléments. . Ceci est schématiquement illustré par la figure 1 qui montre un exemple de fabrication d'un transducteur multi-éléments, à trois stades de sa fabrication. 20 En A, la pastille piézoélectrique 2 est découpée aux dimensions externes voulues. En B, un film métallique 4 est déposé uniformément sur l'une des deux face de la pastille 2, pour former l'électrode de masse, tandis que le film 25 est déposé sur la face opposée, en formant des surfaces séparées 6 par un procédé de photogravure. En C, un câble coaxial 8 est soudé à chaque élément 6 de la face métallisée par morceaux tandis qu'un câble unique, destiné à être branché à la masse 30 du traducteur, est soudé à la face opposée. 2908556 9 Le pilotage électronique de ces traducteurs multi-éléments peut par exemple permettre, dans le domaine de l'imagerie, d'engendrer un faisceau ultrasonore dont les caractéristiques varient suivant 5 la loi d'amplitude et la loi de retard (encore appelée loi de phase) que l'on applique à l'ensemble des différents éléments. Ces lois définissent les amplitudes du signal électrique excitateur et les temps (ou les phases) auxquels sont excités les différents 10 éléments. Pour appliquer des lois d'amplitude et de retard choisies, il faut disposer d'un appareillage électronique d'émission-réception indépendant, afin de commander l'excitation de chaque élément du réseau. Si 15 N éléments doivent être commandés, il est nécessaire de disposer de N systèmes électroniques équivalents à l'unique système électronique d'émission-réception que l'on utilise pour commander un traducteur mono-élément classique, pour lequel chaque face de l'élément 20 piézoélectrique est uniformément métallisée. Ces systèmes électroniques de commande d'un traducteur multi-éléments sont donc coûteux, mais ils permettent le contrôle complet des lois appliquées, lois que l'on peut faire varier d'une mesure à l'autre. 25 Dans le domaine de l'imagerie ultrasonore, il existe cependant des cas d'application pour lesquels les lois d'amplitude et de phase que l'on veut créer n'ont pas à varier d'une mesure à l'autre. Il est alors possible de n'utiliser qu'un système électronique 30 standard d'émission-réception, en reportant la tâche d'alimenter chaque élément, avec l'amplitude et 2908556 10 éventuellement la phase correspondant aux lois que l'on veut créer, sur des composants électroniques simples, dont les caractéristiques sont fixes et qui sont donc économiques. 5 Les lois de répartition d'amplitude que l'on veut créer sont en général définies théoriquement par des fonctions continues de la position à la surface de la source ultrasonore. Or, avec un traducteur multiéléments, une telle loi ne peut être décrite que de 10 façon approximative, par une fonction constante par éléments. La définition de la géométrie des différentes électrodes constituant les éléments séparés doit donc être optimisée de manière à ce que la fonction continue soit approchée de la façon la plus pertinente possible. 15 Si l'on utilise un système électronique de commande du traducteur multi-éléments pour l'émission-réception, la loi d'amplitude peut en outre être complétée par une loi de phase arbitraire. Si l'on utilise un système électronique 20 standard d'émission-réception, c'est-à-dire un système qui commande les éléments de façon indifférenciée, la distribution non-uniforme d'amplitude peut être créée en associant, à chaque élément du traducteur, un composant à caractéristique fixée, assurant que 25 l'excitation de l'élément se fait avec l'amplitude et la phase voulues. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à une 30 méthode particulière pour définir la géométrie d'une série d'éléments et exciter ces éléments par des 2908556 11 signaux d'amplitude et de phase choisies, de manière à créer ces lois d'amplitude et de phase en utilisant simplement un système électronique standard d'émission-réception, sans avoir recours à des appareillages 5 électroniques coûteux. Les lois d'amplitude et de phase choisies sont alors invariables. L'invention concerne plus précisément une technique de fabrication d'un traducteur ultrasonore, visant à créer une répartition non-uniforme et choisie 10 d'amplitude de source vibratoire (en valeur algébrique) à l'aide d'un transducteur piézoélectrique constitué de plusieurs éléments que l'on peut commander à l'aide d'un système électronique standard d'émissionréception ultrasonore pour traducteur mono-élément, et non pas 15 d'un système complet de pilotage de traducteur multiéléments. En contrepartie de cet avantage, il convient de noter que le traducteur ainsi fabriqué ne peut émettre, sans modification physique, d'autres lois 20 que la loi d'amplitude pour laquelle il a été conçu. De façon précise, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un traducteur ultrasonore multi-éléments comprenant - une pastille piézoélectrique comportant 25 des première et deuxième faces, - des éléments électriquement conducteurs qui sont formés sur la première face, et - au moins un élément constituant une électrode de masse, qui est formé sur la deuxième face, 30 ce traducteur ultrasonore multi-éléments étant apte à créer une répartition nonuniforme choisie 2908556 12 d'amplitude de source vibratoire, cette amplitude étant positive ou négative, en vue de commander les éléments à l'aide d'un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore pour traducteur ultrasonore à 5 élément unique, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on choisit une fonction de répartition non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, - on définit la géométrie des éléments 10 électriquement conducteurs et de chaque électrode de masse associée, en fonction de cette répartition non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, - on en déduit les amplitudes des tensions excitatrices qui doivent être respectivement appliquées 15 aux éléments, - on définit le branchement électrique des éléments selon que la fonction de distribution est définie positive ou qu'elle peut prendre des valeurs positives et des valeurs négatives, 20 - on définit les composants électroniques qui sont nécessaires à l'application des tensions excitatrices, et - on forme les éléments électriquement conducteurs et chaque électrodes de masse sur la 25 pastille. Selon un premier mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition constante par morceaux, à valeurs positives, on 30 métallise la deuxième face de la pastille de façon uniforme et l'on crée une métallisation par morceaux 2908556 13 sur la première face, en définissant autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction de répartition prend des valeurs différentes. Selon un deuxième mode de réalisation 5 particulier du procédé objet de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition constante par morceaux, à valeurs positives et négatives, et l'on métallise les première et deuxième faces de la pastille par morceaux, ces morceaux 10 définissant autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction prend des valeurs différentes, en faisant en sorte que les deux ensembles d'électrodes résultant de la métallisation des première et deuxième faces soient symétriques l'une de l'autre par rapport à 15 la surface médiane de la pastille. Selon un troisième mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition continue, à valeurs positives, on métallise la deuxième 20 face de la pastille de façon uniforme et l'on définit les éléments sur la première face de manière à approcher la répartition. Selon un quatrième mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, la 25 répartition non-uniforme de source est une répartition continue, à valeurs positives et négatives, et l'on métallise les première et deuxième faces de la pastille suivant différents éléments, de manière identique, en faisant en sorte que les deux ensembles d'électrodes 30 résultant de la métallisation des première et deuxième 2908556 14 faces soient symétriques l'une de l'autre par rapport à la surface médiane de la pastille. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la répartition non-uniforme de source est 5 une répartition constante par morceaux et les amplitudes des tensions que l'on affecte aux éléments sont les amplitudes de la répartition non-uniforme de source que l'on veut créer. Selon un autre mode de réalisation 10 particulier de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition continue et l'on affecte à chaque élément une amplitude de tension qui est calculée comme la valeur moyenne de l'amplitude de la répartition non-uniforme sur la surface de cet élément. 15 Selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition à valeurs positives et l'électrode résultant de la métallisation uniforme de la deuxième face de la pastille est mise à 20 la masse et les éléments que l'on définit sur la première face sont connectés individuellement. Selon un autre mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, la répartition non-uniforme de source est une répartition 25 à valeurs positives et négatives, et tous les éléments de l'une des première et deuxième faces, qui correspondent à une amplitude positive, ainsi que tous les éléments de l'autre des première et deuxième faces, qui correspondent à une amplitude négative, sont mis à 30 la masse, et les éléments restants sont connectés individuellement. 2908556 15 Dans le cas de ces connexions individuelles, les composants électroniques sont définis de façon que les éléments connectés individuellement soient respectivement alimentés par 5 les valeurs des amplitudes de tension que l'on a déterminées. La présente invention concerne aussi un traducteur ultrasonore multi-éléments comprenant - une pastille piézoélectrique comportant 10 des première et deuxième faces, - des éléments électriquement conducteurs qui sont formés sur la première face, et au moins un élément constituant une électrode de masse, qui est formé sur la deuxième face, 15 ce traducteur ultrasonosore multi-éléments étant apte à créer une répartition non-uniforme choisie d'amplitude de source vibratoire, cette amplitude étant positive ou négative, en vue de commander les éléments à l'aide d'un système électronique standard d'émission- 20 réception ultrasonore pour traducteur ultrasonore à élément unique, ce traducteur ultrasonore multi-éléments étant caractérisé en ce que : - la géométrie des éléments électriquement 25 conducteurs et de chaque électrode de masse associée est définie en fonction de la répartition non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, - les amplitudes des tensions excitatrices qui doivent être respectivement appliquées aux éléments 30 sont déterminées en fonction de cette géométrie, 2908556 16 - le branchement électrique des éléments est déterminé selon que la fonction de répartition est définie positive ou qu'elle peut prendre des valeurs positives et des valeurs négatives, et 5 - des composants électroniques sont prévus pour appliquer les tensions excitatrices. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à 10 la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 a déjà été décrite et 15 illustre schématiquement un exemple de fabrication d'un transducteur multi-éléments, à trois stades de la fabrication de ce transducteur, - les figures 2 à 5 illustrent schématiquement diverses géométries d'éléments et 20 d'électrodes pour des traducteurs conformes à l'invention, - les figures 6 à 9 illustrent schématiquement des éléments conducteurs de tranducteurs conformes à l'invention, correspondant à 25 diverses répartitions de source vibratoire, - la figure 10 illustre schématiquement une configuration de contrôle de pièce, qui utilise des traducteurs conformes à l'invention, -la figure 11 illustre schématiquement une 30 distribution de source utilisée dans l'exemple de la figure 10, 2908556 17 - la figure 12 illustre schématiquement un signal excitateur utilisé dans l'exemple de la figure 10, et - la figure 13 illustre schématiquement des 5 signaux reçus, pour deux distances séparant l'émetteur d'ultrasons du récepteur d'ultrasons dans l'exemple de la figure 10. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On souhaite fabriquer un traducteur ultrasonore multi-éléments, qui est apte à créer une répartition non-uniforme et choisie d'amplitude de source vibratoire cette amplitude étant algébrique, c'est-à-dire ayant un signe (+ ou -). En outre, ce traducteur comprenant un transducteur piézoélectrique comportant une pastille piézoélectrique dont une face porte des éléments électriquement conducteurs et dont l'autre face porte au moins une électrode de masse, on souhaite que les 20 éléments puissent être commandés à l'aide d'un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore pour traducteur à élément unique. Pour ce faire, étant donné une fonction de répartition non-uniforme de source vibratoire à créer, 25 on procède de la façon suivante : 1. on définit la géométrie des différents éléments et de l'électrode de masse ou des électrodes de masse associée(s) en fonction de la répartition non-uniforme de source que l'on veut créer ; 30 2. on en déduit l'amplitude de chacune des tensions excitatrices qu'il faut appliquer, élément par 10 15 2908556 élément ; 3. on définit le branchement (connexion) électrique des différents éléments selon que la fonction est définie positive ou qu'elle peut prendre 5 des valeurs positives et négatives ; et 4. on définit les composants électroniques qui sont nécessaires à l'application des tensions excitatrices définies à l'étape 2. On explique ci-après comment on réalise 10 l'étape 1. Soit une fonction f(r), qui est continue ou non, qui définit la répartition non-uniforme de source à créer, et qui est une fonction des coordonnées r des points situés à la surface du transducteur 15 piézoélectrique. Suivant la géométrie, ces coordonnées peuvent être choisies sous forme cartésienne (x, y) ou polaire (r, 0). L'opération de définition de la géométrie des électrodes (éléments conducteurs et électrode(s) de 20 masse) est assimilable à une opération consistant à calculer l'intégrale de la répartition surfacique que l'on veut créer par la méthode numérique appelée méthode d'intégration par rectangles . Plus la surface des rectangles est petite, mieux la 25 distribution est approchée ; définir des surfaces d'éléments de forme et d'aire variées permet d'optimiser le nombre d'éléments définis et, de ce fait, d'optimiser les branchements électriques à effectuer, élément par élément, pour commander les 30 éléments. 18 2908556 19 Dans tous les cas, on prévoit un espace entre éléments voisins pour permettre un découplage électrique entre ces éléments et faire en sorte que chaque élément soit mécaniquement indépendant des 5 autres. De ce fait, si la pastille piézoélectrique est constituée d'un matériau piézocomposite, l'espace qui est prévu entre des éléments voisins doit avoir une largeur supérieure à la dimension latérale d'une colonnette piézoélectrique de la pastille. 10 On distingue quatre cas pour la fonction à reproduire. i) répartition constante par morceaux, à valeurs positives (voir la figure 2 qui est décrite plus loin) 15 Une face de la pastille est métallisée de façon uniforme. Sur l'autre face, on crée une métallisation par morceaux, en définissant autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction prend des valeurs différentes. 20 ii) répartition constante par morceaux, à valeurs positives et négatives (voir la figure 3 qui est décrite plus loin) Les deux faces de la pastille sont métallisées par morceaux, ces morceaux définissant 25 autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction prend des valeurs différentes. Les deux séries d'électrodes, chaque série étant sur l'une des deux faces de la pastille, doivent être formées de façon à être précisément symétriques l'une de l'autre par 30 rapport à la surface médiane de la pastille. Si la pastille est plane, cette surface est le plan médian de 2908556 20 la pastille, ce plan étant parallèle aux faces de la pastille. iii) répartition continue à valeurs positives (voir la figure 4 qui est décrite plus loin) 5 Une face de la pastille est métallisée de façon uniforme. Sur l'autre face, on définit des éléments de manière à approcher la répartition. Une optimisation dansla découpe en différents éléments peut être 10 effectuée, en définissant la séparation des éléments par exemple au niveau des inflexions de la répartition à créer. Tous les points de la surface découpée vibrant en phase, le respect de cette règle n'est pas impératif. Chaque élément défini suivant la règle 15 indiquée peut être subdivisé en plusieurs éléments afin de mieux approcher la répartition continue. iv) répartition continue, à valeurs positives et négatives (voir la figure 5 qui est décrite plus loin) 20 Les deux faces de la pastille doivent être métallisées pour former différents éléments sur chaque face, la métallisation étant identique sur les deux faces et effectuée de façon symétrique comme dans le cas de la répartition définie par morceaux. La 25 séparation des éléments est définie par les passages par zéro de la répartition. Chaque élément défini suivant la règle indiquée peut être subdivisé en plusieurs éléments afin de mieux approcher la répartition continue mais, dans tous les cas, les 30 passages par zéro doivent être respectés. 2908556 21 On explique ci-après comment on réalise l'étape 2. La fonction f(r), continue ou non, est approchée par une fonction F(r) à valeurs constantes 5 par éléments, ces éléments étant définis à l'étape 1. cas d'une répartition définie constante par morceaux, à valeurs positives ou à valeurs positives et négatives (voir la figure 6 qui est décrite plus loin) . 10 Dans les deux cas, l'amplitude à affecter à l'élément est celle de la répartition que l'on veut créer. La fonction F(r) qui approche la répartition f(r) en tout point de la surface est définie de la façon suivante : pour chaque élément Ei, F (ri) =f (ri) , 15 pour tout ri appartenant à E. cas d'une répartition continue, à valeurs positives ou à valeurs positives et négatives (voir la figure 7 qui est décrite plus loin) . Dans les deux cas, on affecte à chaque 20 élément une amplitude calculée comme la moyenne, sur la surface de l'élément, de l'amplitude de la répartition en tout point appartenant à l'élément. Soit Ei le ième élément ayant une surface Si; l'amplitude A; que l'on affecte à cet élément est 25 définie de la façon suivante : Ai = f(ri) dS(ri) Si F(ri) = Ai, quel que soit ri appartenant à Ei. On explique ci-après comment on réalise 30 l'étape 3. 2908556 22 Le branchement des différents éléments est effectué suivant les règles suivantes : cas d'une répartition F(r), à valeurs positives (voir la figure 8 qui est décrite plus 5 loin) . Pour une répartition à valeurs positives, une face de la pastille est uniformément métallisée. L'électrode ainsi formée est branchée à la masse du traducteur. Cette face sera celle que l'on orientera 10 vers le milieu dans lequel on veut rayonner les ondes. Les éléments séparés, qui sont définis sur l'autre face de la pastille, sont quant à eux branchés individuellement, un câble étant soudé à chaque élément. 15 - cas d'une répartition F(r), à valeurs positives et négatives (voir la figure 9 qui est décrite plus loin) . Chaque face de la pastille est métallisée comme une série d'éléments. Les deux séries sont 20 placées symétriquement l'une en face de l'autre. Sur l'une des deux faces, on branche ensemble tous les éléments correspondant à une amplitude positive de la fonction discrétisée F(r) et l'on relie ces éléments à la masse du traducteur. 25 Sur l'autre face, on branche ensemble tous les éléments correspondant à une amplitude négative de la fonction discrétisée F(r) et l'on relie également ces éléments à la masse du traducteur. Cette dernière face est celle qui sera orientée vers le milieu dans 30 lequel on veut rayonner les ondes. 2908556 23 Un câble est soudé à chaque élément que l'on doit mettre à la masse du traducteur, et tous les câbles correspondants sont reliés ensemble puis à la masse. 5 Les éléments restants ont un branchement individuel, un câble étant soudé à chaque élément restant. Un composant électronique permettant de créer l'amplitude voulue sera disposé sur chacun de ces câbles (voir l'étape 4). 10 On explique ci-après comment on réalise l'étape 4. Les composants électroniques sont choisis de telle sorte que la tension électrique initiale dans le câble coaxial excitateur du transducteur, ce câble 15 étant divisé en autant de câbles qu'il y a d'éléments selon le branchement réalisé à l'étape 3, alimente les différents éléments avec la valeur d'amplitude qui a été déterminée à l'étape 2. Par exemple, dans le cas d'une excitation à 20 bande passante étroite, il suffit de monter une résistance en série avec chaque branchement, résistance dont la valeur est inversement proportionnelle à l'amplitude qui doit être affectée à l'élément. Si la discrétisation de la répartition 25 d'amplitude revient à une alternance de valeurs qui sont égales en valeur absolue mais ont des signes opposés, aucun composant n'est introduit ; dans ce cas, un simple branchement en alternance des électrodes suffit à engendrer la distribution d'amplitude voulue. 2908556 24 Considérons maintenant les avantages particuliers qui sont apportés par la présente invention. Un transducteur défini suivant les 5 différentes étapes décrites précédemment peut être monté pour que l'ensemble forme un traducteur ultrasonore de façon identique au montage d'un transducteur standard, ce dernier comportant une pastille piézoélectrique dont les deux faces sont 10 uniformément métallisées. Le traducteur est alors alimenté par un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore. On peut donc fabriquer des traducteurs ultrasonores d'amplitude vibratoire non- uniforme sans 15 avoir à utiliser un système électronique complexe permettant de commander un traducteur multi-éléments classique. Toutes les répartitions non-uniformes d'amplitude vibratoire que l'on peut souhaiter créer 20 peuvent être produites de façon approchée par la méthode décrite. Les répartitions qui doivent être créées et sont définies comme des fonctions constantes par morceaux sont reproduites de façon optimale. La seule 25 différence entre la répartition à créer et la répartition obtenue par la méthode décrite provient de l'espace interstitiel séparant les différents éléments, espace qui assure le découplage électrique des éléments. 30 L'approximation d'une répartition à créer, dont l'amplitude vibratoire est continue, par une 2908556 25 répartition définie constante par morceaux, est une solution moins optimale que dans le cas d'une répartition à créer qui est constante par morceaux. Cependant, l'influence de l'approximation 5 ainsi faite peut être aisément étudiée par simulation, à l'aide de logiciels permettant de calculer le champ rayonné par un traducteur ultrasonore ayant une répartition non-uniforme d'amplitude vibratoire. Il suffit de remplacer, dans le calcul, la répartition 10 continue par la répartition approchée définie et de comparer quantitativement les résultats que l'on obtient pour le champ rayonné. La figure 2 illustre schématiquement, en A, la géométrie des éléments conducteurs 10 pour une 15 répartion non-uniforme d'amplitude qui est définie. par une fonction à valeurs positives, constante par morceaux. En B, on voit la géométrie des différentes électrodes : l'une des faces de la pastille 20 piézoélectrique 15 à savoir la face inférieure, est métallisée de façon uniforme pour former une électrode 12 ; sur l'autre face, la géométrie des éléments définis 14 reproduit les zones sur lesquelles la fonction est à valeur constante. La figure 3 illustre schématiquement, en A, la géométrie des éléments conducteurs 16 pour une répartition non-uniforme d'amplitude qui est définie par une fonction à valeurs positives et négatives, constante par morceaux. En B, on voit la géométrie des différentes électrodes : les deux faces de la pastille 25 30 2908556 26 piézoélectrique 15 sont métallisées de façon identique de façon à former les éléments 16 ; la géométrie des éléments définis reproduit les zones sur lesquelles la fonction est à valeur constante, positive ou négative. 5 La figure 4 illustre schématiquement, en A, la géométrie des éléments 18 pour une répartition non-uniforme d'amplitude définie par une fonction à valeurs positives continue. En B, on voit la géométrie des différentes 10 électrodes : l'une des faces de la pastille 19, à savoir la face inférieure, est pourvue d'une métallisation uniforme 20 ; sur l'autre face, la géométrie des éléments définis 18 correspond aux inflexions de la répartition continue 22. 15 La figure 5 illustre schématiquement, en A, la géométrie des éléments 24 pour une répartition non-uniforme d'amplitude définie par une fonction continue à valeurs positives et négatives. En B, on voit les deux faces de la pastille 20 26 qui sont métallisée par éléments de façon identique. La géométrie des éléments définis correspond aux zéros de la répartition continue 28. La figure 6 illustre schématiquement, en A, un exemple dans lequel une répartition f(r) définie 25 constante par morceaux, soit à valeurs positives (I), soit à valeur positives et négatives (II), est créée, comme on le voit en B, en affectant à chaque élément 30 l'amplitude constante de f(r) aux points de la zone que la forme et la position de l'élément reproduit. 30 La figure 7 illustre schématiquement, en A, un exemple dans lequel une répartition f(r) continue, 2908556 27 soit à valeurs positives (I), soit à valeur positives et négatives (I I) , est créée, comme on le voit en B, en affectant à chaque élément 32 l'amplitude constante moyenne de f(r) calculée sur la surface de l'élément. 5 La figure 8 illustre schématiquement, en A, un exemple dans lequel une répartition f(r) continue et axisymétrique à valeurs positives est discrétisée par des éléments annulaires. L'amplitude positive à affecter à chaque anneau, calculée à l'étape 2, est 10 affectée aux éléments en connectant les électrodes qui discrétisent la fonction que l'intermédiaire de résistances qui varient d'un élément à l'autre. L'électrode uique de la face opposée est mise à la masse. 15 Plus précisément, on voit une électrode centrale en forme de disque Al, dont l'axe est l'axe z, et quatre électrodes annulaires concentriques A2, A3, A4 et A5 dont l'axe commun est l'axe z. On voit aussi la répartition continue I et 20 la forme discrétisée II de cette répartition. En A, a représente le rayon extérieur de l'anneau A5 et r représente une distance radiale, comptée à partir du centre du disque Al. En B, on voit le transducteur ultrasonore 25 multi-éléments correspondant. Ce transducteur comporte une pastille piézoélectrique 34 sur une face de laquelle sont disposés cinq éléments espacés, à savoir le disque Al et les quatres électrodes A2, A3, A4 et A5. L'autre face de la pastille est recouverte d'une 30 couche métallique 36 qui est mise à la masse. 2908556 28 On voit aussi un générateur de tension 38 prévu pour exciter les éléments Al, A2, A3, A4 et A5 par l'intermédiaire de résistances appropriées R1, R2, R3, R4 et R5. 5 La figure 9 illustre schématiquement, en A, un exemple dans lequel une répartition f(r) continue et axisymétrique (I) est discrétisée (II) par des éléments espacés les uns des autres, à savoir un élément central al entouré par des éléments annulaires a2, a3, a4 et 10 a5. L'amplitude, positive ou négative, à affecter à chaque élément, amplitude qui est calculée à l'étape 2, est affectée aux éléments en connectant, comme on le voit en B, les électrodes qui ne sont pas à la masse par l'intermédiaire de résistances rl, r2, r3, r4 et r5 15 qui varient d'un élément à l'autre. Plus précisément, les éléments al à a5 sont formés sur la face supérieure de la pastille piézoélectrique 40 et aussi sur la face inférieure de celle-ci. On voit que les deux séries d'éléments ainsi 20 formés sont, dans l'exemple, symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian de la pastille, ce plan étant parallèle aux faces de celle-ci. On voit aussi un générateur de tension 42 prévu pour exciter les éléments a2 et a4 de la face 25 supérieure, par l'intermédiaire des résistances r2 et r4, ainsi que les éléments a1, a3 et a5 de la face inférieure, par l'intermédiaire des résistances r1, r3 et r5. En outre, les éléments a1, a3 et a5 de la 30 face supérieure ainsi que les éléments a2 et a4 de la face inférieure sont mis à la masse. 2908556 29 On donne maintenant un exemple numérique pour illustrer l'effet de la répartition d'amplitude de source de contrainte normale, produite par un traducteur ultrasonore, qui est placée sur la

tranche 5 d'un guide d'ondes ultrasons. Dans un exemple, ce dernier est en acier et de géométrie cylindrique. La configuration de contrôle est schématiquement illustrée par la figure 10 Deux traducteurs multiéléments 44 et 46 identiques, à 10 répartition de source non-uniforme (et donc, par réciprocité, à répartition de sensibilité non-uniforme et identique à la répartition de source) sont positionnés aux deux extrémités d'une pièce constituant le guide d'onde cylindrique 48. Ce dernier a une 15 longueur z et un diamètre d. Les traducteurs ont aussi le diamètre d. La répartition est représentée sur la figure 11. On y voit une répartition I non- uniforme et axisymétrique de source, notée u2(r), à valeurs 20 positives et négatives et sa discrétisation II. Dans l'exemple, la répartition est relative au mode L(0,5). On cherche ici à rayonner le mode L(0,5) à une fréquence centrale égale à la fréquence universelle de ce mode (égale à 1,09 MHz pour un cylindre d'acier 25 de diamètre 20 mm), cette fréquence universelle étant celle à laquelle le mode a une répartition nulle de contraintes tangentielles. Le signal excitateur est une sinusoïde à la fréquence de 1,09 MHz modulée en amplitude par une enveloppe gaussienne dont la durée 30 est telle que sa largeur de bande passante à -6dB relative vaut 10%.

2908556 30 On se reportera à la figure 12 où l'on voit ce signal excitateur dans le domaine temporel (I) et dans le domaine fréquentiel (II). On a simulé le signal qui est reçu par le 5 traducteur récepteur 46 et correspond à un système d'ondes élastiques qui sont guidées par le guide cylindrique 48 et rayonnées par le traducteur émetteur 44. Le résultat de la simulation est donné sur 10 la figure 13 où l'on voit le signal électrique reçu par le traducteur récepteur, pour z=250mm et z=500mm. On a considéré trois cas. Dans le premier cas I, les traducteurs émetteur et récepteur ont une répartition de source (et 15 de sensibilité) uniforme (cas d'un traducteur ultrasonore standard). Dans le deuxième cas II, la répartition relative aux deux traducteurs est la répartition idéale connue, analytiquement définie par une fonction 20 continue. Il convient de noter qu'il n'existe pas de moyens technologiques permettant de créer une telle répartition. Dans le troisième cas III, une répartition approchée, pour cinq éléments du genre de ceux de la 25 figure 9, est considérée et définie suivant les différentes étapes 1 à 4 de l'invention. On constate que le signal prédit dans le cas d'une répartition uniforme est complexe et composé de différentes contributions. Avec la répartition non- 30 uniforme de source idéale, le signal n'est plus composé que d'une unique contribution. Les résultats obtenus 2908556 31 dans le cas du traducteur non-uniforme tel que présenté dans l'invention sont quasiment indiscernables de ceux qui sont obtenus dans le cas de la répartition idéale. La solution technologique développée par la 5 présente invention pour la production de traducteurs ultrasonores à distribution non-uniforme permet donc de réaliser de façon pratique des dispositifs d'imagerie ultrasonore fonctionnant à l'aide d'une électronique standard.

10 Les documents cités dans la présente description sont les suivants : [Brit87] R.H. Brittain and J.P. Weight (1987) "Fabrication of nonuniformly excited wide-15 band ultrasonic transducers", Ultrasonics, 25, pp. 100- 106 [Deva95] D. De Vadder et A. Lhémery (1995), "Transducteur ultrasonore", demande de brevet 20 français FR 2 730 375, publiée le 9 août 1996 [Hsu89] D.K. Hsu, F.J. Margetan and D.O. Thompson (1989) "Bessel beam ultrasonic transducer: 25 fabrication method and experimental results", Appl. Phys. Letters, 55 (20), pp. 2066-2068

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un traducteur ultrasonore multi-éléments comprenant - une pastille piézoélectrique (15, 19, 26, 5 34, 40) comportant des première et deuxième faces, - des éléments électriquement conducteurs (Al à A5 ; al à a5) qui sont formés sur la première face, et -au moins un élément (36)constituant une 10 électrode de masse, qui est formé sur la deuxième face, ce traducteur ultrasonore multi-éléments étant apte à créer une répartition non-uniforme choisie d'amplitude de source vibratoire, cette amplitude étant positive ou négative, en vue de commander les éléments 15 à l'aide d'un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore pour traducteur ultrasonore à élément unique, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on choisit une fonction de répartition 20 non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, on définit la géométrie des éléments électriquement conducteurs et de chaque électrode de masse associée, en fonction de cette répartition non-uniforme de source vibratoire que l'on veut créer, 25 - on en déduit les amplitudes des tensions excitatrices qui doivent être respectivement appliquées aux éléments, - on définit le branchement électrique des éléments selon que la fonction de répartition est 30 définie positive ou qu'elle peut prendre des valeurs positives et des valeurs négatives, 2908556 33 - on définit les composants électroniques qui sont nécessaires à l'application des tensions excitatrices, et - on forme les éléments électriquement 5 conducteurs et chaque électrode de masse sur la pastille.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la répartition non-uniforme de source est une répartition constante par morceaux, à valeurs 10 positives, on métallise la deuxième face de la pastille de façon uniforme et l'on crée une métallisation par morceaux sur la première face, en définissant autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction de répartition prend des valeurs différentes. 15

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la répartition non-uniforme de source est une répartition constante par morceaux, à valeurs positives et négatives, et l'on métallise les première et deuxième faces de la pastille par morceaux, ces 20 morceaux définissant autant d'éléments qu'il y a de domaines sur lesquels la fonction prend des valeurs différentes, en faisant en sorte que les deux ensembles d'électrodes résultant de la métallisation des première et deuxième faces soient symétriques l'un de l'autre 25 par rapport à la surface médiane de la pastille.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la répartition non-uniforme de source est une répartition continue, à valeurs positives, on métallise la deuxième face de la pastille de façon uniforme et 30 l'on définit les éléments sur la première face de manière à approcher la répartition. 2908556 34

5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la répartition non-uniforme de source est une répartition continue, à valeurs positives et négatives, et l'on métallise les première et deuxième faces de la pastille suivant différents éléments, de manière identique, en faisant en sorte que les deux ensembles d'électrodes résultant de la métallisation des première et deuxième faces soient symétriques l'un de l'autre par rapport à la surface médiane de la pastille.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel les amplitudes des tensions que l'on affecte aux éléments sont les amplitudes de la répartition non-uniforme de source que l'on veut créer.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel on affecte à chaque élément une amplitude de tension qui est calculée comme la valeur moyenne de l'amplitude de la répartition non-uniforme sur la surface de cet élément.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2, 4, 6 et 7, dans lequel l'électrode résultant de la métallisation uniforme de la deuxième face de la pastille est mise à la masse et les éléments que l'on définit sur la première face sont connectés individuellement.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, 5, 6 et 7, dans lequel tous les éléments de l'une des première et deuxième faces, qui correspondent à une amplitude positive, et tous les éléments de l'autre des première et deuxième faces, qui correspondent à une amplitude négative, sont mis à la 2908556 masse, et les éléments restants sont connectés individuellement.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel les composants 5 électroniques sont définis de façon que les éléments connectés individuellement soient respectivement alimentés par les valeurs des amplitudes de tension que l'on a déterminées.

11. Traducteur ultrasonore multi-éléments 10 comprenant - une pastille piézoélectrique (15, 19, 26, 34, 40) comportant des première et deuxième faces, - des éléments électriquement conducteurs (Al à A5 ; al à a5) qui sont formés sur la première 15 face, et - au moins un élément (36) constituant une électrode de masse, qui est formé sur la deuxième face, ce traducteur ultrasonosore multi-éléments étant apte à créer une répartition non-uniforme choisie 20 d'amplitude de source vibratoire, cette amplitude étant positive ou négative, en vue de commander les éléments à l'aide d'un système électronique standard d'émission-réception ultrasonore pour traducteur ultrasonore à élément unique, 25 ce traducteur ultrasonore multi-éléments étant caractérisé en ce que : - la géométrie des éléments électriquement conducteurs et de chaque électrode de masse associée est définie en fonction de la répartition non-uniforme 30 de source vibratoire que l'on veut créer, 2908556 36 - les amplitudes des tensions excitatrices qui doivent être respectivement appliquées aux éléments sont déterminées en fonction de cette géométrie, - le branchement électrique des éléments 5 est déterminé selon que la fonction de répartition est définie positive ou qu'elle peut prendre des valeurs positives et des valeurs négatives, et -des composants électroniques sont prévus pour appliquer les tensions excitatrices. 10