FR2952221A1 - Transducteur d'ultrasons applicable a un milieu fluide - Google Patents

Abstract

Le transducteur d'ultrasons (110) comporte un manchon de boîtier (112) avec un volume intérieur (114) logeant au moins un noyau de transducteur (124). Le noyau (124) comporte au moins un élément transducteur électroacoustique (126). A l'extérieur du volume intérieur de boîtier (114), au moins un élément amortisseur (156) est en contact avec le manchon de boîtier (112) pour amortir les bruits de structure.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un transducteur d'ultrasons utilisable dans un milieu fluide, comportant un manchon de boîtier avec au moins une cavité logeant un noyau de transducteur.

Etat de la technique Selon l'état de la technique, on connaît des transducteurs d'ultrasons pour différents domaines d'application. C'est ainsi qu'on utilise par exemple des transducteurs d'ultrasons dans des milieux fluides pour détecter le niveau de remplissage et/ou une caractéristique d'écoulement par exemple un débit volumique ou un débit massique ou encore une vitesse du fluide. En particulier, de tels transducteurs d'ultrasons s'utilisent dans la conduite d'admission et/ou la conduite des gaz d'échappement des moteurs thermiques. Des exemples de tels transducteurs d'ultrasons sont décrits dans les documents suivants : DE 203 02 582 U l, EP 0 766 071 Al ou DE 10 2007 010 500 Al. Un transducteur d'ultrasons est en général un élément transducteur électroacoustique, par exemple un élément transducteur piézoélectrique pour transformer des signaux électriques en des signaux d'ultrasons et inversement. C'est ainsi que selon l'état de la technique, par exemple celui cité ci-dessus, on connaît des transducteurs d'ultra-sons utilisant une céramique piézoélectrique avec en plus au moins une couche d'adaptation d'impédance (par exemple une couche d'adaptation d'impédance 274 ; cet élément transducteur électroacoustique et la couche d'adaptation d'impédance constituent le noyau de transducteur.

Ce noyau de transducteur se place dans un manchon formant un boîtier. Une difficulté particulière de cette solution est d'éliminer les chemins d'ultrasons parasites traversant les matières du boîtier de capteur et atteignant le noyau de transducteur ou encore circulant en sens in-verse. De tels chemins parasites d'ultrasons risquent de fausser le si- gnal de mesure si bien que la valeur obtenue pour la vitesse d'écoulement à mesurer risque fréquemment de dépasser les limites de tolérance. Selon l'état de la technique par exemple cité ci-dessus, les documents EP 0 766 071 Al, DE 203 02 582 U l décrivent des éléments de remplissage, amortisseurs, utilisés à l'intérieur du manchon du bol- tier. A titre d'exemple, les éléments de découplage peuvent être insérés

2 entre le noyau de transducteur et le manchon du boîtier. En outre, dans de nombreux cas, on prévoit une masse coulée d'amortissement à l'intérieur du manchon. Mais on a constaté que dans de nombreux cas, il est souhaitable d'améliorer la suppression des chemins parasites des ultra-sons en passant par des parties du boîtier, bruits qui seront appelés ci-après bruits de structure. En particulier, dans le cas de montage de capteurs comprenant plusieurs transducteurs d'ultrasons, un chemin d'ultrasons peut influencer réciproquement les différents transducteurs d'ultrasons, ce qui se traduit par des signaux de mesure faussés. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un transducteur d'ultrasons applicable à un milieu fluide ainsi qu'un montage de capteur comportant au moins deux transducteurs d'ultrasons sui- vant un procédé de fabrication d'un tel transducteur d'ultrasons, et de remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus et en particulier de réduire de manière significative les chemins parasites de passage des ultrasons à travers des éléments de boîtier, c'est-à-dire l'invention se propose de réduire ou d'éliminer globalement la transmission des bruits de structure. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un transducteur d'ultra-sons applicable à un milieu fluide comprenant au moins un manchon de boîtier avec au moins une cavité, - la cavité logeant au moins un noyau de transducteur, - le noyau de transducteur comportant au moins un élément transducteur électroacoustique, - à l'extérieur de la cavité au moins un élément amortisseur est en contact avec le manchon de boîtier, et - l'élément amortisseur amortit les bruits de structure. Ainsi, le transducteur d'ultrasons selon l'invention s'utilise dans un milieu fluide qui est un gaz et/ou des liquides en particulier de l'air ou des gaz d'échappement. Le transducteur d'ultrasons peut s'utiliser pour saisir au moins une caractéristique du milieu fluide, par exemple le niveau de remplissage et/ou une propriété ou caractéris-

3 tique de l'écoulement du milieu fluide par exemple sa vitesse d'écoulement, son débit massique, ou son débit volumique. Cela permet en particulier au transducteur d'ultrasons d'être utilisé comme débit-mètre (débitmètre à ultrasons appelé débitmètre UFM) notamment en technique automobile. Mais d'autres domaines d'application sont en principe possibles. Le transducteur d'ultrasons comporte au moins un manchon de boîtier avec au moins un volume intérieur. Le manchon de boîtier (ou manchon formant le boîtier) désigne en principe n'importe quelle partie du boîtier qui assure la protection mécanique et/ou forme un écran électromagnétique pour les composants logés dans le volume du boîtier. Le manchon de boîtier peut par exemple avoir une forme symétrique en rotation, par exemple la forme d'un manchon cylindrique de section circulaire ou de section polygonale. Le manchon de boîtier comporte notamment une ouverture tournée vers le milieu fluide et recevant au moins une surface d'émission du transducteur d'ultrasons. La surface d'émission permet par exemple de transmettre les impulsions d'ultrasons au milieu fluide ou de recevoir de telles impulsions du milieu fluide. Cette surface d'émission ou surface de rayonnement peut être une surface de forme circulaire ou polygonale. Le manchon de boîtier aura de façon correspondante une forme cylindrique constituant un manchon ouvert en direction du milieu fluide. Le volume intérieur du boîtier reçoit au moins un noyau de transducteur. Ce noyau de transducteur comporte au moins un élé- ment transducteur électroacoustique. Comme présenté ci-dessus, un élément transducteur électroacoustique est en principe un élément quelconque conçu pour transformer des signaux électriques en des signaux acoustiques notamment des signaux d'ultrasons et inversement. En particulier, l'élément transducteur électroacoustique peut être un élément transducteur piézoélectrique (appelé ci-après également céramique piézoélectrique) ou être réalisé en totalité sous la forme d'un tel élément piézoélectrique. Le noyau de transducteur peut comporter comme exposé ci-dessus un ou plusieurs éléments supplémentaires en particulier au moins un organe adaptateur pour éviter les pertes de couplage provenant de différences d'impédance entre l'élément de

4 transducteur électroacoustique et le milieu fluide. Par exemple, au moins un organe adaptateur peut comporter au moins une couche d'adaptation d'impédance par exemple une couche d'adaptation d'impédance X/4. En particulier, l'organe adaptateur comporte au moins une matière dont l'impédance est comprise entre celle de l'élément transducteur électroacoustique et celle du milieu fluide par exemple il s'agit de la moyenne géométrique de ces impédances. A titre d'exemple, le noyau de transducteur peut être conçu pour loger tout d'abord l'élément transducteur électroacoustique dans le boîtier puis de disposer d'au moins un organe adaptateur qui réalise la surface d'émission du volume intérieur du boîtier vers le milieu fluide. Cette ouverture du boîtier peut être couverte totalement ou partiellement comme cela sera explicité ensuite par au moins un élément d'étanchéité, par au moins un film d'étanchéité.

Pour résoudre les problèmes présentés ci-dessus, il est en outre prévu au moins un élément amortisseur à l'extérieur du volume intérieur du boîtier, cet élément étant en contact avec le manchon du boîtier. L'élément amortisseur est conçu pour amortir les bruits de structure et il peut par exemple comporter au moins une matière d'amortissement pour amortir une extension de signal acoustique ou une vibration propre, au moins dans le domaine des ultrasons. L'élément d'amortissement désigne de manière générale dans le cadre de la présente invention, un élément qui est en mesure de recevoir de l'énergie, notamment de l'énergie sonore. L'élément amortis- Beur est conçu pour être en contact directement ou indirectement avec au moins une pièce à amortir. L'élément d'amortissement ne doit pas être découplé de préférence par rapport à la pièce à amortir mais être couplé à cette pièce. En particulier, l'élément amortisseur aura une impédance aussi voisine que possible de celle de la pièce à amortir, par exemple par rapport à un élément piézoélectrique, en utilisant une matière dure et/ou les matières de remplissage lourdes. L'élément amortisseur doit en outre permettre de dissiper l'énergie absorbée c'est-à-dire par exemple la transformer en chaleur par des pertes viscoélastiques. Pour cela, il faut utiliser une matière plutôt molle. En plus, on peut de manière générale également avoir une dispersion de cavité de matière de remplissage offrant une autre impédance. En principe, il faut distinguer un élément de découplage d'un élément d'amortissement ; l'élément de découplage peut être prévu 5 en plus, en option. L'élément de découplage est de façon générale un élément conçu pour transmettre aussi peu que possible d'énergie vibratoire. Cela peut se faire par exemple par une mauvaise adaptation d'impédance, par exemple une mauvaise adaptation d'impédance vis-à-vis de l'élément piézoélectrique en utilisant une matière molle comme io élément de découplage. En option, la matière de l'élément de découplage peut comporter une ou plusieurs cavités. De façon générale en pratique, la différence décrite entre un élément amortisseur et un élément de découplage n'est pas toujours totalement possible. Un élément de découplage caractéristique à 15 l'extérieur du manchon de boîtier qui n'est pas englobé dans l'élément amortisseur décrit ci-dessus et qui peut en plus être prévu en option serait par exemple un élément de découplage sous la forme d'une sus-pension du manchon de boîtier à l'aide d'au moins un joint torique entourant partiellement ou totalement le manchon de boîtier, par exemple 20 un joint torique en une matière élastique. Un tel joint torique ne serait toutefois pas en général suffisamment résistant au milieu auquel il est exposé. Si un tel joint torique est court-circuité par une protection du milieu, par exemple par une liaison rigide, pourrait court-circuité acoustiquement, alors le joint torique ne pourra plus être découplé. 25 D'autre part, un amortissement même faible suffit pour supprimer le développement des bruits de structure ou les limiter dans un espace de temps donné. Par exemple la matière d'amortissement comporte au moins une matière plastique, par exemple une matière formant une ma- 30 trice ayant des propriétés de déformations plastiques, par exemple un élastomère et/ou une matière thermoplastique molle. Les matières thermodurcissables sont toutefois en principe également utilisables. On peut par exemple utiliser des silicones et/ou des époxydes rendus souples et comportant ou non des charges.

6 De façon générale, la mécanique d'amortissement primaire se définit par le module de perte de la matière d'amortissement, par exemple par les grandeurs E" et/ou tan(8). L'amortissement peut être amélioré en option par une ou plusieurs charges (matières de rem- plissage). Par exemple on peut utiliser une ou plusieurs matières de remplissage ayant des différences d'impédance considérables par rapport à la matière plastique proprement dite constituant la matière d'amortissement si bien que l'on aura une dispersion et/ou une amélioration de l'adaptation d'impédance à l'organe à amortir.

On peut par exemple utiliser comme matrice de la matière d'amortissement, une matière ayant un module de perte élevée. Ce module de perte peut notamment être lié à une dureté réduite de la matière d'amortissement. La matière d'amortissement peut être remplie d'une ou plusieurs charges dures de sorte que globalement la matière d'amortissement sera choisie plus dure. C'est ainsi que par exemple son impédance sera adaptée à l'impédance du manchon de boîtier. L'utilisation d'une ou plusieurs matières de remplissage permet également d'utiliser des matières plastiques moins déformables comme par exemple des matières thermoplastiques et/ou les résines époxydes mais qui, grâce à leur plus grande dureté, conviennent en général mieux pour l'impédance de la matière du manchon du boîtier, en particulier si le manchon est en métal. C'est ainsi que par exemple on peut utiliser des matières d'amortissement qui, y compris leurs charges, ont globalement une dureté Shore-A comprise entre 20 et 80. Mais on peut en principe envisager également des matières plus dures. L'élément amortisseur peut être en particulier une masse coulée d'amortissement ou un élément amortisseur peut lui-même comporter une telle masse coulée d'amortissement. L'expression « masse coulée d'amortissement » désigne en principe n'importe quel élément d'amortissement qui est mis dans sa forme définitive par l'introduction dans le transducteur d'ultrasons. L'introduction peut se faire par exemple par un procédé de coulée, par un procédé d'injection ou un procédé de pressage ou encore autre procédé de mise en forme. La coulée d'amortissement se distingue par exemple des pièces insérées

7 ou des pièces moulées comme celles utilisées selon l'état de la technique dans de nombreux cas pour assurer l'amortissement. Comme exposé ci-dessus, l'élément amortisseur comporte au moins une matière d'amortissement ayant les propriétés d'amortissement indiquées. D'une manière particulièrement préférentielle, l'élément amortisseur comporte au moins l'une des matières sui-vantes : silicone notamment silicone liquide, matière thermodurcissable notamment une résine époxyde, en particulier une résine époxyde rendue souple ; une matière thermoplastique notamment au moins l'une des matières ci-dessus comportant des cavités et/ou des matières de remplissage (charges). Ces matières utilisées seules ou dans une combinaison quelconque présentent des propriétés d'amortissement particulièrement bonnes vis-à-vis du bruit sonore et aussi ces matières sont faciles à travailler, notamment dans le cadre d'une coulée de la matière d'amortissement. Pour assurer la protection électromagnétique de l'élément transducteur électroacoustique, il est particulièrement avantageux que le manchon du boîtier comporte au moins une matière métallique. Par exemple le manchon peut comporter un métal notamment de l'acier et/ou un aluminium. On peut également envisager différentes combinaisons de métaux. Comme en plus, on utilise au moins un élément amortisseur, les inconvénients des matières métalliques, qui ont un amortissement plus faible des bruits de structure, seront très largement compensés si bien que dans le cadre de la présente invention, les pro- priétés de protection électromagnétique peuvent être combinées à une faible expansion des bruits de structure. L'élément d'amortissement notamment la matière coulée d'amortissement peuvent être mis en contact de différentes manières avec le manchon du boîtier et en dehors du volume intérieur du boîtier.

En plus et comme cela sera explicité ultérieurement, on prévoit au moins un autre élément amortisseur dans le volume intérieur du boitier. De façon particulièrement préférentielle, l'élément amortisseur est appliqué au moins en partie sur la surface extérieure du manchon de boîtier. Il s'agit par exemple comme présenté ci-dessus, d'un manchon de boîtier de forme cylindrique si bien que par exemple l'enveloppe cy-

8 lindrique et/ou la face frontale du manchon cylindrique à l'opposé de la face exposée au milieu fluide, peut recevoir une masse coulée d'amortissement. En variante à l'application sur la surface extérieure, en particulier au moins un élément amortisseur, par exemple au moins une masse coulée d'amortissement, peut toutefois être prévue de l'autre côté, en particulier à d'autres endroits à l'intérieur du manchon de boîtier lui-même. Ainsi le manchon de boîtier peut par exemple comporter plusieurs cavités et au moins l'une de ces cavités servira à introduire l'élément amortisseur. D'une façon particulièrement préférentielle, le manchon de boîtier comporte en plus au moins une cavité d'amortissement et cette cavité est remplie au moins en partie avec l'élément d'amortissement. La cavité d'amortissement peut par exemple être conçue pour ne pas être remplie par ce milieu fluide. Par exemple la cavité d'amortissement, comme cela sera explicité ultérieurement, peut comporter un pli ou une partie rétrécie, fermée vis-à-vis du milieu fluide et ayant par exemple une ouverture tournée vers l'extérieur, du côté opposé au milieu fluide et qui reçoit au moins l'élément amortisseur, par exemple la masse coulée d'amortissement. Différents exemples de réalisation seront donnés ultérieurement. En plus de l'élément amortisseur installé à l'extérieur du volume intérieur du boîtier, on peut prévoir d'autres éléments amortisseurs dans le volume intérieur du boîtier. C'est ainsi que par exemple on pourra toujours installer dans le volume intérieur du boîtier au moins une masse coulée d'amortissement et/ou d'avoir au moins un élément de découplage qui entoure radialement, par exemple le noyau de transducteur, qui est ainsi protégé par le manchon du boîtier. Le transducteur d'ultrasons peut comporter en plus d'au moins un manchon de boîtier également au moins un boîtier de cap- teur. Par exemple ce boîtier de capteur peut recevoir un ou plusieurs manchons de boîtier. Le transducteur d'ultrasons peut par exemple être réalisé sous la forme d'un module qui sera intégré et applicable particulièrement pour un tube d'écoulement notamment une paroi de tube d'écoulement. En variante ou en plus, le boîtier de capteur peut lui-

9 même comporter un ou plusieurs tubes d'écoulement pour le milieu fluide. Il est prévu au moins un boîtier de capteur de sorte que de manière particulièrement préférentielle, le manchon de boîtier est logé au moins en partie dans le boîtier de capteur. L'élément amortisseur peut alors être installé de préférence au moins en partie entre le manchon de boîtier et le boîtier de capteur. Cela signifie que l'élément amortisseur, notamment la masse coulée d'amortissement, se trouve physiquement entre de tels éléments et/ou que ces éléments sont ainsi au moins reliés, par exemple par une masse coulée commune reliant le boîtier de capteur et le manchon de boîtier. Différents exemples de réalisation seront décrits ultérieurement. En particulier, l'élément amortisseur remplit au moins en partie l'intervalle entre le manchon de boîtier et le boîtier de capteur en particulier il le remplit par la matière. L'élément amortisseur peut notamment être placé dans cet intervalle comme matière déformable ou liquide et s'adapter totalement ou partiellement au contour extérieur du manchon de boîtier, contour tourné vers l'intervalle et/ ou s'adapter au contour intérieur du boîtier de capteur également tourné vers cet inter- valle. En particulier, l'espace intermédiaire entre le boîtier de capteur et le manchon de boîtier sera rempli totalement ou partiellement avec l'élément amortisseur notamment il sera rempli par une liaison par la forme, en particulier par une masse coulée d'amortissement. L'élément amortisseur assurera de cette manière en particulier la liaison entre le manchon de boîtier et le boîtier de capteur. Le boîtier de capteur aura au moins l'élément de guidage pour guider le manchon de boîtier. En particulier, cet élément de guidage aura au moins une lamelle, et de préférence deux ou au moins trois lamelles. Dans ce cas, l'élément amortisseur sera par exemple au moins installé en partie entre l'élément de guidage et le manchon de boîtier. On peut par exemple introduire une masse de coulée d'amortissement entre les lamelles pour remplir l'intervalle entre les lamelles et le manchon de boîtier au moins en partie avec la masse coulée d'amortissement.

10 Le boîtier de capteur comporte notamment au moins un orifice de réception pour recevoir le manchon de boîtier. A titre d'exemple, les éléments de guidage tels que les lamelles peuvent occuper l'ouverture de réception ou logement, de préférence dans une direc- tion parallèle à l'axe du logement et qui est par exemple cylindrique. Dans ce cas et comme décrit ci-dessus, la masse coulée d'amortissement remplit par exemple le volume intermédiaire entre la paroi du logement et la paroi extérieure du manchon de boîtier par un remplissage au moins partiel.

Le logement ou orifice de réception peut comporter notamment au moins une butée, en particulier au moins une collerette. Le manchon de boîtier s'appliquera contre cette butée en position insérée si bien que par exemple la pression du milieu fluide sera transmise par le manchon de boîtier à cette butée et globalement le transducteur d'ul- trasons sera étanche à la pression. A côté du transducteur d'ultrasons, on peut également prévoir un ou plusieurs développements décrits ci-dessus avec un montage de capteur pour saisir au moins une propriété du milieu fluide. Comme exposé ci-dessus, il peut s'agir par exemple d'une caractéris- tique fluidique du milieu fluide et/ou le niveau de remplissage du mi-lieu fluide dans au moins un réservoir. Pour cela, on se reportera à la description déjà donnée. Le montage de capteur comporte au moins deux transducteurs d'ultrasons correspondant à l'un ou plusieurs des modes de réalisation décrits. Il est particulièrement avantageux qu'au moins un élément amortisseur soit prévu pour les deux transducteurs d'ultrasons. On peut avoir par exemple une masse coulée d'amortissement reliant les deux transducteurs d'ultrasons et amortissant les deux transducteurs d'ultrasons ou les vibrations des bruits de structure.

A côté du transducteur d'ultrasons et du montage de capteur selon un ou plusieurs développements, il est également proposé un procédé de fabrication d'un transducteur d'ultrasons. Le procédé peut s'appliquer en particulier pour réaliser un transducteur d'ultra-sons correspondant à l'un ou à plusieurs des modes de réalisation pré- sentés ci-dessus. On se reportera à cet effet en particulier à la

11 description déjà donnée. Le procédé proposé utilise au moins un manchon de boîtier avec au moins une cavité de boîtier recevant au moins un noyau de transducteur. Le noyau de transducteur comporte au moins un élément transducteur électroacoustique. A l'extérieur du vo- lume du boîtier, on met en contact au moins un élément amortisseur avec le manchon de boîtier. L'élément amortisseur est conçu pour amortir les bruits de structure. Le transducteur ainsi que le montage de capteur et le procédé proposé selon la description ci-dessus offrent de nombreux avantages par rapport au dispositif connu. Le transducteur d'ultrasons peut en principe comporter par exemple une céramique piézoélectrique avec au moins une couche adaptatrice et un manchon de boîtier comme boîtier de transducteur d'ultrasons. Le transducteur d'ultrasons peut, sans autre découplage, être monté de manière rigide dans un boîtier de capteur, par exemple par collage. Au moins à l'état installé dans le boitier de capteur, on aura une matière d'amortissement de l'élément amortisseur, par exemple une masse coulée d'amortissement qui sera mécaniquement en contact avec le manchon de boîtier. Cette matière appliquée de préférence de l'extérieur sur le manchon de boîtier amortit les vibrations des bruits de structure du boîtier si bien que déjà à l'intérieur d'une fenêtre de temps non critique, ces vibrations pourront passer à l'autre transducteur d'ultrasons. Pour réaliser l'étanchéité du transducteur d'ultrasons, en particulier pour assurer son découplage par un silicone prévu en option en interne et/ ou sa couche d'adaptation d'impédance, poreuse, prévue en option, on peut en outre et comme cela a déjà été évoqué, appliquer au moins un film d'étanchéité sur la face du transducteur exposée au milieu fluide. Ce film transmettra les bruits de structure qui seront alors amortis rapidement de nouveau par un élément amortisseur.

Comme cela est en outre exposé, on peut utiliser comme écran électromagnétique (contremesure de protection contre les ondes électromagnétiques), un manchon de boîtier en un métal. Selon l'invention et notamment en utilisant un film d'étanchéité, un manchon ainsi réalisé, du fait du faible amortissement propre des métaux, se

12 mettrait à osciller longtemps après la phase d'émission et transmettrait pendant ce temps les bruits de structure. Le montage rigide du manchon de boîtier tel que décrit ci-dessus dans un boîtier de capteur prévu en option permet en même temps d'assurer l'étanchéité et la stabilité de position comme cela ne serait pas nécessaire dans le cas d'un montage à découplage, c'est-à-dire plus mou. Si en plus, il faut un élément de découplage, cela signifie qu'il s'agit d'un montage rigide et que l'élément de découplage doit être logé à l'intérieur du manchon. Dans ce cas, la matière d'amortissement intérieure, appliquée contre l'élément transducteur électroacoustique, sera également découplée du manchon et elle ne peut pas amortir ces bruits de structure. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de différents exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un transducteur d'ultrasons sans l'élément amortisseur selon l'invention, - les figures 2 à 4 montrent différentes étapes du procédé de l'invention pour la fabrication d'un transducteur d'ultrasons selon l'invention, - les figures 5 et 6 montrent différents exemples de réalisation d'un transducteur d'ultrasons selon l'invention avec des éléments transducteurs installés de manière différente, - la figure 7 montre un exemple de réalisation d'un montage de capteur selon l'invention, - les figures 8 et 9 montrent d'autres exemples de réalisation de transducteurs d'ultrasons selon l'invention avec des cavités d'amortissement supplémentaires.

Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un transducteur d'ultrasons 110 représenté en coupe en vue de côté. Ce transducteur d'ultrasons 110 ne comporte pas d'éléments amortisseurs extérieurs et constitue ainsi seulement une étape préliminaire de la fa- brication du transducteur d'ultrasons 110 selon l'invention. Mais en

13 principe, on peut également modifier d'autres transducteurs d'ultrasons 110 selon l'invention. Le transducteur d'ultrasons 110 comprend un manchon formant boîtier 112 avec une cavité 114. Le manchon de boîtier 112 peut être par exemple réalisé en une matière plastique notamment une matière plastique dure ou encore en un métal. Le manchon de boîtier 112 de l'exemple présenté a une forme de pot, ayant une ouverture 116 tournée vers le milieu fluide 118 lorsque le transducteur d'ultrasons 110 est installé pour être utilisé ; cette ouverture 116 est entourée par un bord 120. L'ouverture 116 du boîtier peut être rendue étanche par rapport au milieu fluide 118, par exemple par un film d'étanchéité 122. Ce film d'étanchéité 122 est par exemple relié au bord 120 et en option avec un noyau de transducteur 124 logé en option dans le volume 114 du boîtier, par exemple par collage.

Le noyau de transducteur 124 de l'exemple de réalisation présenté est logé principalement en position centrale dans la cavité 114 du boîtier. Le noyau comporte un élément transducteur électroacoustique 126. Dans la suite et sans que cela ne constitue une limitation de l'invention, cet élément transducteur électroacoustique 126 peut avoir différentes formes de réalisation ; il peut s'agir d'un élément piézoélectrique encore appelé céramique piézoélectrique ou élément transducteur piézoélectrique. L'élément transducteur électroacoustique 126 est branché par exemple par les lignes d'alimentation sous la forme de broches de contact 128 et/ou de fils d'alimentation 130, du côté arrière c'est-à- dire du côté non tourné vers le milieu fluide 118 du transducteur d'ul- trasons 110. Le noyau de transducteur 124 comporte également en option dans l'exemple présenté, au moins un organe adaptateur 132 pour améliorer le couplage acoustique entre l'élément transducteur électroacoustique 126 et le milieu fluide 118. Il peut s'agir par exemple d'au moins une couche d'adaptation d'impédance. Le noyau de transducteur 124 peut comporter des éléments supplémentaires. Par exemple entre l'organe adaptateur 132 et l'élément transducteur électroacoustique 126, on peut avoir au moins un élément de liaison 134. A titre d'exemple, cet élément de liaison 134

14 comporte au moins un adhésif. En variante ou en plus, l'élément de liaison 134 peut également comporter un ou plusieurs éléments de compensation adaptant par exemple les caractéristiques thermiques/mécaniques de l'élément transducteur électroacoustique 126 à celles de l'organe adaptateur 132. Le transducteur d'ultrasons 110 de l'exemple de réalisation représenté comporte également un élément de découplage 136 entourant radialement le noyau de transducteur 124. Cet élément de découplage 136 prévu en option a pour but de fixer mécaniquement le noyau de transducteur 124 dans la cavité intérieure du boîtier 114 et en même temps d'éviter le couplage acoustique direct du manchon de boîtier 112 au noyau de transducteur 124. Cet élément de découplage 136 peut par exemple comporter également un matériau amortisseur. L'espace résiduel du volume intérieur du boîtier 114 no- tamment du côté arrière du noyau de transducteur 124, à l'opposé du côté tourné vers le milieu fluide 118, peut être rempli totalement ou partiellement d'un élément amortisseur 138, par exemple d'une masse coulée d'amortissement 140. Le côté arrière du volume intérieur du boîtier 114 peut être fermé au moins en partie par un couvercle 142, par exemple sous la forme d'un couvercle annulaire. Ce couvercle 142 est relié de différentes manières au manchon 112 formant le boîtier, par exemple par vissage, matage, collage, sertissage ou autre liaison par la force, par la forme ou par la matière. Une zone du manchon 112 du boitier peut être frettée et/ ou sertie pour tenir le couvercle 142. Le cou- vercle 142 peut en même temps servir de moyen de fixation aux lignes d'alimentation de l'élément transducteur électroacoustique 126, par exemple pour la broche de contact 128. La représentation fortement schématisée de la figure 1 montre seulement un mode de réalisation possible du transducteur d'ultrasons 110. La transformation électromécanique se fait dans la céramique piézoélectrique de l'élément transducteur électroacoustique 126 couplé par l'élément de liaison 134 à l'organe adaptateur 132, par exemple une couche d'adaptation d'impédance. L'élément de liaison optimum n'est pas nécessairement un composant distinct ou une matière autre ; il peut s'agir par exemple d'un simple contact par adhérence à la

15 matière de l'organe adaptateur 132. En variante, on peut également prévoir comme élément de liaison 134 une couche adhésive, distincte, ou encore l'élément de liaison 134 peut contenir une matière permet-tant la compensation thermique/ mécanique et/ ou acoustique entre l'élément transducteur électroacoustique 126 et la couche d'adaptation d'impédance de l'organe adaptateur 132. Il est avantageux que l'impédance acoustique de la matière de l'élément de liaison 134 et son coefficient de dilatation thermique se situent entre les caractéristiques respectives de l'élément transducteur électroacoustique 126 et celles de l'organe adaptateur 132. L'organe adaptateur, en particulier la couche d'adaptation d'impédance, a par exemple une épaisseur qui est de l'ordre de grandeur d'environ un quart de longueur d'onde de la fréquence d'ultrasons utilisée et cet organe adaptateur a de préférence une impédance acous- tique comprise l'impédance de l'air et celle de l'élément transducteur électroacoustique 126 qui est par exemple l'élément piézoélectrique. Les paramètres précis de la matière et de la géométrie pourront être choisis pour que par exemple l'efficacité de la conversion, la largeur de bande et la caractéristique de rayonnement présentent les valeurs nécessaires pour chaque application. Pour l'adaptation d'impédance, on a en particulier des matières poreuses ou des mousses de synthèse pour les-quelles l'impédance acoustique est réduite par la densité. Par exemple, on envisage des résines époxydes avec des charges telles que des billes creuses en verre ou des cavités ou encore un polyimide fritté, poreux.

Pour la compensation thermique/mécanique, on envisage deux mécanismes différents. D'une part, on peut utiliser un adhésif ou une matière séparée ou encore comme indiqué ci-dessus, l'élément de liaison 134 peut faire partie de la couche d'adaptation d'impédance ou de l'organe adaptateur 132. L'élément de liaison 134 doit de son côté être suffisamment dur pour réaliser un couplage acoustique avantageux entre l'élément transducteur électroacoustique 126 et l'organe adaptateur 132 et en même temps il doit être suffisamment souple pour compenser ou atténuer les contraintes thermiques entre ces deux composants.

16 En variante, selon un second mécanisme, on peut utiliser un matériau qui n'est pas sélectionné nécessairement à cause de sa souplesse mais présente un coefficient de dilatation thermique situé entre les valeurs de l'organe d'adaptation 132 et celles de l'élément transducteur électroacoustique 126. De manière idéale, ces valeurs sont proches des valeurs de l'élément transducteur électroacoustique 126 car celui-ci qui est par exemple un élément piézoélectrique, réagit en général de manière sensible vis-à-vis des contraintes de traction. Dans les deux concepts proposés ci-dessus, on pourra, régler la compensation thermique/mécanique et acoustique par les épaisseurs des couches et le paramètre de la matière. En plus de l'élément transducteur électroacoustique 126, en option comme décrit ci-dessus, le noyau de transducteur 124 peut comporter l'organe adaptateur 132, l'élément de liaison 134 et en option 15 d'autres éléments ; le noyau est fixé dans le manchon 112 du boîtier par l'intermédiaire de l'élément de découplage 136. Le manchon 112 du boîtier est réalisé comme indiqué ci-dessus, par exemple principalement en matière plastique et/ ou en métal. Pour réaliser l'étanchéité du transducteur d'ultrasons 110 vis-à-vis du milieu fluide 118, on utilise le 20 film d'étanchéité 122 représenté, qui peut être un film mince servant à réaliser le scellement. Le côté arrière du transducteur d'ultrasons 110 peut être par exemple fermé avec un couvercle 142 servant en même temps de support aux broches de contact 128. Pour que l'élément transducteur électroacoustique 126 25 revienne aussi rapidement que possible à l'état de repos après une phase d'émission, l'élément amortisseur intérieur 138 est réalisé sous la forme d'une masse coulée d'amortissement 140. Cela permet d'une part des signaux d'ultrasons particulièrement brefs et à large bande et d'autre part l'élément transducteur électroacoustique 126, après une 30 phase d'émission, arrive rapidement au repos si bien que le transducteur d'ultrasons 110 peut servir en un intervalle relativement court à la fois comme émetteur et comme récepteur d'un signal d'ultrasons. Aux figures 2 à 4, on a représenté différentes étapes de procédé de fabrication d'un transducteur d'ultrasons 110 selon 35 l'invention. Le transducteur d'ultrasons 110 selon l'exemple de réalisa-

17 tion représenté à la figure 1 est équipé en plus d'un boîtier de capteur 144. Le boîtier de capteur 144 a un orifice de réception 146 entouré d'une enveloppe rabattue 148 sous la forme d'une collerette 150. Le manchon de boîtier 112 ayant la structure intérieure décrite à la figure 1, peut être placé dans l'orifice de réception ou logement 146 à partir du côté tourné vers le milieu fluide 118. L'orifice de réception 146 comporte en outre des éléments de guidage 152 sous la forme de lamelles 154. La figure 2 montre l'assemblage du transducteur d'ultra-sons dans le boîtier de capteur 144. Ce boîtier de capteur peut comporter en option comme représenté, les éléments de guidage 152. Les éléments de guidage 152 sont réalisés sous la forme de structures de guidage qui se rétrécissent vers le haut c'est-à-dire en s'éloignant du milieu fluide 118. Les éléments de guidage 152 permettent de serrer le manchon de boîtier 112 lors de cette opération d'assemblage pour que 15 la position du manchon de boîtier 112 reste bloquée par rapport au boîtier de capteur 144 jusqu'à la fin de la phase de collage ultérieure, pré-vue en option. La figure 3 montre la position du manchon de boîtier 112 après l'opération d'assemblage présentée à la figure 2. Le manchon de 20 boîtier 112 est appliqué comme indiqué ci-dessus, par son bord 120 contre la collerette 150 qui peut également servir d'appui lors-qu'ultérieurement le transducteur d'ultrasons 110 sera exposé à une poussée antagoniste du côté du milieu à mesurer. L'appui contre la collerette 150, dans la zone avant du transducteur d'ultrasons et les élé- 25 ments de guidage 152 dans la zone de transducteur arrière, fixe de manière reproductible le positionnement du manchon de boîtier 112 et/ou du noyau de transducteur 124 par rapport au boîtier de capteur 144. L'utilisation de trois éléments de guidage 152 est particulièrement avantageuse pour éviter de surdimensionner cette position. Les élé- 30 ments de guidage 152 peuvent avoir une forme de lamelles si bien qu'il subsiste dans l'orifice de réception ou cavité 146 entre le boîtier de capteur 144 et le manchon de boîtier 112, de l'espace pour un élément amortisseur 156 sous la forme par exemple d'une masse coulée d'amortissement 158. Cette situation est représentée à la figure 4. Si 35 l'on veut utiliser plus de lamelles 154 pour subdiviser la masse coulée

18 d'amortissement 158 en plusieurs segments, on peut également utiliser des formes de lamelles différentes et une forme servira de structure de guidage pour le blocage du transducteur et les autres formes serviront à séparer les segments de remplissage.

Enfin la figure 4 montre l'état assemblé du transducteur d'ultrasons 110. Le manchon de boîtier 112 peut par exemple être relié au boîtier de capteur 144 par une liaison collée 160. Cette liaison collée 160 peut en même temps assurer l'étanchéité et le cas échéant servir à sceller le bord du film d'étanchéité 144. L'élément de découplage 136, le contact de la masse coulée d'amortissement 140, intérieure, avec les autres parties de transducteur, mais également le film d'étanchéité 122, transmettent en général une certaine partie des bruits de structure vers le manchon de boîtier 112. Si deux transducteurs d'ultrasons 110 sont installés dans un montage commun de capteurs, par exemple dans un boîtier de capteur 144 commun (voir par exemple l'exemple de réalisation de la figure 7), alors ces bruits de structure peuvent passer d'un transducteur d'ultrasons 110 à l'autre et générer dans celui-ci des bruits de structure se combinant de manière perturbatrice au signal proprement dit à mesurer. Si le milieu à mesurer est par exemple un gaz (notamment de l'air), alors la composante des bruits de structure se déplace plus rapidement d'un transducteur d'ultrasons 110 à l'autre que le son dans le gaz. Il est pour cela avantageux d'amortir rapidement des bruits de structure pour permettre une mesure faiblement parasitée. Toute accumulation d'énergie dans le sens d'une oscillation d'une pièce au niveau du transducteur d'ultrasons 110 peut en revanche al-longer de manière critique dans le temps, le flux des bruits de structure. En particulier, le manchon de boîtier 112 peut être excité par de telles oscillations. En particulier, si par exemple pour des considérations de compatibilité électromagnétique (compatibilité EMV) c'est-à-dire pour des raisons d'écran électromagnétique, on choisit comme manchon de boîtier 112 un manchon métallique, celui-ci pourra être excité par des oscillations dont l'atténuation sera très longue car en général un métal a un amortissement propre plus faible que d'autres matières comme par exemple les matières plastiques. Pour amortir de nouveau rapidement de telles oscillations propres, l'exemple de réalisation repré- senté à la figure 4 prévoit un élément amortisseur 156, extérieur, en contact avec le manchon de boîtier 112, en particulier sous la forme d'une masse coulée d'amortissement 158. Les éléments de guidage 152 décrits ci-dessus, en parti- culier les lamelles 154, permettent que pour une position de montage inclinée, la masse coulée d'amortissement 158 ne coule pas trop rapidement d'un côté à l'autre du transducteur avant la prise définitive. La masse coulée d'amortissement 158 peut être délimitée vers l'extérieur par une cloison 162 ou avoir un congé.

Comme le montre la figure 5, l'ensemble du transducteur d'ultrasons 110 peut être amorti du côté arrière. Ainsi cette figure montre un exemple de réalisation qui correspond pour l'essentiel à l'exemple de réalisation de la figure 4. Mais en plus, le côté arrière du manchon de boîtier 112 et du boîtier de capteur 144, à l'opposé du côté tourné vers le milieu fluide 118, peut recevoir l'élément d'amortissement 156 notamment la masse coulée d'amortissement 158. On peut égale-ment remplir les espaces intermédiaires avec les éléments de guidage 152 comme cela apparaît à la figure 5. En revanche, la figure 6 est une variante de l'exemple de réalisation de la figure 5 selon lequel on couvre uniquement en partie le côté arrière. Les cavités entre le boîtier de capteur 144 et le manchon de boîtier 112 peuvent par exemple également être remplies uniquement en partie au niveau des éléments de guidage 152 ou des lamelles 154. La figure 7 montre en revanche un exemple de réalisation d'un montage de capteur 164 comportant plusieurs transducteurs d'ultrasons 110. Ces transducteurs d'ultrasons 110, dont seulement deux transducteurs d'ultrasons 110 sont représentés dans l'exemple de réalisation, sont logés dans un boîtier commun de capteur 144. Les transducteurs d'ultrasons 110 peuvent correspondre à l'exemple de réalisation de la figure 5 ou à d'autres exemples de réalisation. On peut prévoir un élément amortisseur 156 extérieur, commun, notamment une masse coulée d'amortissement 158 commune, qui relie entre eux, les deux transducteurs d'ultrasons 110. On peut également avoir d'autres réalisations des transducteurs d'ultrasons 110. Le montage de

20 capteur 164 de la figure 7 peut s'utiliser par exemple pour une mesure de temps de parcours. Au moins un élément amortisseur 156 qui amortit à par-tir de l'extérieur le manchon de boîtier 112 n'est pas nécessairement introduit en premier au cours ou pendant le montage, dans un boîtier de capteur 144. Les figures 8 et 9 montrent deux exemples de réalisation du transducteur d'ultrasons 110 selon l'invention. Dans ces exemples, l'élément amortisseur extérieur 156 est déjà au moins en partie installé sur le manchon de boîtier 112 avant que celui-ci ne soit placé dans le boîtier de capteur 144. L'exemple de réalisation du transducteur d'ultrasons 110 de la figure 8 correspond tout d'abord à la structure interne principale du transducteur d'ultrasons 110 selon la figure 1. Ainsi, on pourra se reporter au moins en grande partie à la description déjà faite de cette 15 structure antérieure. A la différence de l'exemple de réalisation de la figure 1, le manchon de boîtier 112 selon la figure 8 a toutefois en plus du volume intérieur 114, au moins une cavité d'amortissement 166. Cette cavité d'amortissement 166 peut être réalisée comme le montre par exemple la figure 8 en donnant au manchon de boîtier 112 deux 20 parois. Dans ce cas, le bord 120 est relevé pour développer entre le bord relevé et la paroi proprement dite du manchon de boîtier 112, la cavité d'amortissement 166 sous la forme d'un volume annulaire. Le volume annulaire du côté du milieu fluide 118 est fermé par le sertissage du bord 120 alors que du côté opposé au milieu fluide 118, le manchon de 25 boîtier 112 est ouvert de sorte qu'à partir de ce côté, on peut introduire l'élément amortisseur 156 par exemple sous la forme d'une masse coulée d'amortissement 158. Une masse coulée d'amortissement extérieure, par exemple analogue à celle des exemples de réalisation des figures 4 à 7, peut toutefois être prévue en option. 30 La figure 9 montre également un exemple de réalisation d'un transducteur d'ultrasons 110 qui correspond tout d'abord pour l'essentiel à l'exemple de réalisation de la figure 8. Une cavité d'amortissement 166 sous la forme d'une double paroi du manchon de boîtier 112 est prévue dans ce cas. On pourra ainsi se reporter dans 35 une très large mesure à la description de l'exemple de réalisation de la

21 figure 8. Toutefois, dans l'exemple de réalisation de la figure 9, en plus on supprime l'élément de découplage intérieur 136. Cela est notamment possible dans les cas où le chemin des bruits de structure passant par le film d'étanchéité 122 domine de sorte que le découplage par l'élément de découplage 136 est de toute façon court-circuité de manière acoustique par le film d'étanchéité 122 et cela n'offrirait plus d'avantages. En plus de l'amortissement du manchon de boîtier 112, dans tous les modes de réalisation de l'invention tels que décrits ci-dessus, on peut prévoir au moins un autre moyen d'amortissement. Par exemple l'amortissement propre par le manchon de boîtier 112 pourra être relevé en ce que par exemple on choisira une matière quelconque pour le manchon de boîtier 112 qui disperse le son et/ ou le transforme en chaleur. En règle générale, un tel amortissement est assuré par les matières plastiques ; mais les matières plastiques les plus dures ou celles qui sont techniquement les plus stables ont de moins bonnes propriétés d'amortissement. Un amortissement propre plutôt mauvais est celui des métaux constituant un matériau en forme de manchon. Mais ces matériaux ont l'avantage de pouvoir s'utiliser pour les écrans thermiques, électriques, au niveau du transducteur. Dans ce cas, il faut un amortissement externe particulièrement bon par le manchon, par exemple par l'élément amortisseur externe 156 selon l'invention et en particulier la masse coulée d'amortissement 158.25 NOMENCLATURE

110 Transducteur d'ultrasons 112 Manchon de boîtier 114 Intérieur du boîtier 116 Ouverture du boîtier 118 Milieu fluide 120 Bord 122 Film d'étanchéité 124 Noyau de transducteur 126 Elément transducteur électroacoustique 128 Broche de contact 130 Fil d'alimentation 132 Organe adaptateur 134 Elément de liaison 136 Elément de découplage 140 Masse coulée d'amortissement 142 Couvercle 144 Boîtier de capteur 146 Logement 148 Butée 150 Collerette 152 Elément de guidage 154 Lamelle 156 Elément amortisseur 158 Masse coulée d'amortissement 160 Liaison collée 162 Cloison 164 Montage de capteur 166 Cavité d'amortissement

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Transducteur d'ultrasons (110) applicable à un milieu fluide (118) comprenant au moins un manchon de boîtier (112) avec au moins une cavité (114), - la cavité (114) logeant au moins un noyau de transducteur (124), - le noyau de transducteur (124) comportant au moins un élément transducteur électroacoustique (126), - à l'extérieur de la cavité (114), au moins un élément amortisseur (156) est en contact avec le manchon de boîtier (112), et - l'élément amortisseur (156) amortit les bruits de structure. 2°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (156) comporte une masse coulée d'amortissement (140). 3°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (156) comporte au moins l'une des matières sui- vantes : - silicone notamment silicone liquide ; polyuréthane ; résine époxyde ; polymère ayant des cavités ; polymère chargé de parti-cules de remplissage contenant des matières solides. 4°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon de boîtier (112) comporte un métal. 5°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (156) est installé au moins en partie sur la sur-face extérieure du manchon de boîtier (112). 6°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 5le manchon de boîtier (112) comporte en plus au moins une cavité d'amortissement (166), - la cavité d'amortissement (166) est au moins partiellement remplie avec l'élément amortisseur (156). 7°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un autre élément amortisseur (138) dans la cavité (114) du boîtier. 10 8°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre au moins un boîtier de capteur (144), - le manchon de boîtier (112) étant logé au moins en partie dans le 15 boîtier de capteur (144), - l'élément amortisseur (156) étant logé au moins en partie entre le manchon de boîtier (112) et le boîtier de capteur (144). 9°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que le boîtier de capteur (144) comporte au moins un élément de guidage (152) pour guider le manchon de boîtier (112), notamment au moins une lamelle (154), - l'élément amortisseur (156) étant installé au moins en partie entre 25 l'élément de guidage (152) et le manchon de boîtier (112). 10°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier de capteur (144) comporte au moins un logement (146) pour 30 recevoir le manchon de boîtier (112), - le logement (146) comportant au moins une butée (148) notamment une collerette (150), - le manchon de boîtier (112) s'appuyant contre la butée (148). 25 11 °) Montage de capteur (164) pour saisir au moins une propriété d'un milieu fluide (118) comportant au moins deux transducteurs d'ultra-sons (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et - au moins un élément amortisseur (156) est commun aux deux transducteurs d'ultrasons (110). 12°) Procédé de fabrication d'un transducteur d'ultrasons (110) notamment selon l'une des revendications 1 à 10, procédé selon lequel - on utilise au moins un manchon de boîtier (112) ayant au moins une cavité (114), - la cavité (114) recevant au moins un noyau de transducteur (124), - le noyau de transducteur (124) comportant au moins un élément transducteur électroacoustique (126), - à l'extérieur du volume intérieur (114) du boîtier, au moins un élément amortisseur (156) est mis en contact avec le manchon de boîtier (112), et - l'élément d'amortissement (156) amortit les bruits de structure.20