FR2952266A1 - Transducteur d'ultrasons applicable a un milieu fluide et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Transducteur d'ultrasons (110) applicable à un milieu fluide (114) comprenant un noyau transducteur (126) ayant un élément transducteur électroacoustique (128). Le transducteur (110) comporte en outre un élément de découplage (138) pour réduire le couplage du bruit de structure entre le noyau transducteur (126) et un boîtier (120). L'élément de découplage (138) a une matière plastique poreuse notamment une matière plastique expansée contenant une matière thermodurcissable et/ou une matière thermoplastique.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un transducteur d'ultrasons applicable à un milieu fluide ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel transducteur.

Etat de la technique Selon l'état de la technique, on connaît les transducteurs d'ultrasons émettant des ultrasons dans un milieu fluide et/ou recevant des ultrasons du milieu fluide. Des exemples de tels transducteurs d'ultrasons sont ceux de débitmètres à ultrasons utilisés par exemple dans la technique des procédés et/ou dans le domaine automobile. Les documents DE 10 2007 010 500 Al, DE 42 30 773 Cl, EP 0 766 071 Al décrivent des exemples de transducteurs d'ultrasons. Selon l'état de la technique, on connaît des débitmètres à ultrasons équipés de transducteurs d'ultrasons à base d'une céramique piézoélectrique et comportant une couche d'adaptation d'impédance par exemple une couche d'adaptation d'impédance 274. La couche d'adaptation d'impédance sert à compenser la différence importante entre l'impédance acoustique de l'air et celle de la céramique. La matière de la couche d'adaptation d'impédance doit en général avoir d'une part un amortissement qui ne soit pas trop important et d'autre part présenter une impédance acoustique située entre celle du milieu fluide et celle de la céramique piézoélectrique. La valeur optimale théorique se situe pour les ondes planes en général à la moyenne géométrique de ces deux impédances. En général, du fait de la faible impédance de l'air, on ne pourra obtenir cette valeur théorique qu'avec des matières extrême-ment poreuses comme par exemple des aérogels qui sont toutefois fragiles. En réalité, on obtient également des mousses syntactiques de densité élevée, qui donnent des résultats utilisables. Des matières plastiques utilisées relativement fréquemment pour la couche d'adaptation d'impédance est une résine époxyde chargée de billes creuses de verre. On peut également utiliser une polyimide poreuse, frittée. A la place d'une unique couche adaptatrice, on peut dans de nombreux cas, utiliser une succession de plusieurs couches pour avoir par une adaptation d'impédance progressive, une amplitude d'ultrasons plus élevée ou une largeur de bande d'ultrasons plus élevée. Une couche supplémentaire

2 peut également s'utiliser pour protéger l'élément transducteur piézoélectrique contre les contraintes de traction et de cisaillement d'origine thermique. Grâce à l'adaptation d'impédance effectivement tenue entre l'élément piézoélectrique et l'air, on aura dans les transducteurs d'ultrasons de l'air, en pratique, contrairement à l'adaptation des liquides, en général la difficulté d'injecter une énergie sonore suffisante dans l'air ou de recueillir une énergie sonore suffisante de l'air. Généralement, indépendamment d'une fraction extrêmement faible du signal utile proprement dit, l'énergie sonore sera réfléchie en grande partie sur les surfaces limites de l'élément piézoélectrique ou de la couche d'adaptation d'impédance. Le couplage du bruit de structure dans l'élément piézoélectrique, au niveau de sa fixation, par exemple par une masse coulée d'amortissement, un élément de découplage d'un boîtier de transducteur ou moyen analogue ne concerne en revanche en général que des différences d'impédances relativement faibles. Même en intégrant un noyau de transducteur dans du silicone mou, on aura en général toujours une transition de sons parasites vers les matières de l'environnement et/ ou vers un second transducteur comme cela existe dans de nombreux cas pour la mesure d'un écoulement. Cette transmission parasite du son est en général beaucoup plus forte que le signal utile proprement dit passant par l'air et elle ne s'atténue pas suffisamment jusqu'à l'arrivée du signal utile proprement dit. Ainsi, dans de nombreux cas, il faut utiliser un découplage du bruit de structure en utilisant des pièces moulées en silicone et/ou en élastomère, par exemple des anneaux toriques. Le découplage est en général amélioré par la mise en forme géométrique, par exemple en ce que la réduction se fait par un couplage uniquement linéaire d'un joint torique contre le noyau du transducteur et le cas échéant également dans les noeuds de vibration du boîtier de transducteur. Le document DE 10 2008 055 126.0 non publié antérieurement de la Demanderesse décrit un transducteur d'ultrasons appliqué à un milieu fluide. Ce transducteur d'ultrasons comporte entre autres, un élément de découplage entre le boîtier du transducteur d'ultrasons et un organe adaptateur. A titre d'exemple, des matériaux pour un tel 20 25

3 élément de découplage, il y a les élastomères qui peuvent également contenir des billes creuses remplies de gaz ou des inclusions de gaz. L'inconvénient de ces solutions connues est toutefois qu'en général les matériaux de découplage utilisés ont une résistance insuffisante vis-à-vis des milieux ou encore les points de jonction entre la matière de découplage et les matières adjacentes. En général, on peut remédier à cet inconvénient en appliquant un revêtement approprié, par exemple un revêtement de téflon, un revêtement de parylène ou une couche de vernis. En principe, pour assurer l'étanchéité, on peut pré-voir un film par exemple en liaison avec une couche d'adaptation à pores ouverts, par exemple un polyimide fritté, poreux. Si le transducteur d'ultrasons doit également résister à des contraintes de pression, le revêtement et/ou le film doivent être au contact direct ou de transmission avec la couche d'adaptation d'impédance, la matière de découplage 15 et de l'environnement du transducteur tel qu'un manchon ou un boî- tier, pour transmettre les efforts correspondants. Mais en pratique, du fait des tolérances de montage des pièces de découplage relativement molles, cette solution est extrêmement difficile. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne ainsi un transducteur d'ultrasons pour un milieu fluide et son procédé de fabrication remédiant aux inconvénients des transducteurs d'ultrasons connus et à leur procédé de fabrication. Le transducteur d'ultrasons peut être réalisé notamment selon le procédé de l'invention. Ainsi l'invention concerne un transducteur d'ultrasons applicable à un milieu fluide comprenant : - au moins un noyau transducteur ayant au moins un élément transducteur électroacoustique, - le transducteur comportant en outre au moins un élément de dé- 30 couplage pour réduire le couplage du bruit de structure entre le noyau transducteur et un boîtier, l'élément de découplage ayant au moins une matière plastique poreuse notamment une matière plastique expansée contenant au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière 35 thermoplastique.

4 Le transducteur d'ultrasons selon l'invention est destiné à des milieux fluides. Il s'agit par exemple d'un milieu gazeux tel que de l'air ou les gaz d'échappement ou encore un autre type de milieu fluide. Le transducteur d'ultrasons peut s'appliquer à la mesure d'un écoule- ment par exemple comme débitmètre dans le domaine automobile. Le transducteur d'ultrasons comporte au moins un noyau de transducteur ayant au moins un élément transducteur électroacoustique. Un élément transducteur électroacoustique est en principe un élément transducteur quelconque qui est en mesure de transformer les signaux électriques en des signaux acoustiques, notamment des signaux d'ultrasons, ou encore de faire la transformation inverse. L'élément transducteur électroacoustique comporte au moins un élément transducteur piézoélectrique. Le noyau du transducteur peut également comporter un adaptateur pour améliorer les propriétés de couplage entre le milieu fluide et l'élément transducteur électroacoustique, par exemple une couche d'adaptation d'impédance X/4 ou plusieurs telles couches. En variante, le noyau d'adaptateur peut comporter d'autres éléments comme cela sera explicité, par exemple une ou plusieurs couches d'adaptation thermiques, seule(s) ou entre l'élément transducteur électroacoustique et un adaptateur. Le noyau de transducteur peut de préférence comporter une surface d'émission (surface de rayonnement) tournée vers le mi-lieu fluide pour découpler et/ou coupler des ondes d'ultrasons. Cette surface d'émission reste de préférence au moins partiellement non cou-verte par l'élément de découplage qui sera détaillé ultérieurement.

Le transducteur d'ultrasons comporte en outre au moins un élément de découplage qui réduit le couplage de bruit de structure entre le noyau de transducteur et le boîtier. Pour cela, l'élément de dé-couplage comporte au moins une matière plastique poreuse. La matière plastique poreuse est en principe une matière plastique quelconque ayant de nombreuses cavités communiquant ou non. Les cavités peu-vent se réaliser en principe de différentes manières. Les cavités sont intégrées de préférence directement dans la matrice de la matière plastique c'est-à-dire par exemple sous la forme de billes creuses non encapsulées. Les cavités sont réalisées directement comme cavités dans la matrice, par exemple sous la forme de pores. L'encapsulage est toute- fois possible en principe dans les mêmes conditions. Par exemple, on peut intégrer des corps creux dans la matrice. En principe même si cela est moins préférentiel, on peut envisager des corps creux en verre, rigides, par exemple des billes creuses de verre. En variante, on peut éga- 5 lement utiliser avantageusement des corps creux en matière plastique tels que des billes creuses en matière plastique ayant de préférence une bonne compressibilité. En variante et comme indiqué ci-dessus, les cavités peuvent également s'utiliser sans enveloppe. Les pores de la matière plastique poreuse peuvent être par exemple remplis de gaz ou être sous vide. En particulier, la matière plastique poreuse peut comporter une matière plastique expansée. La matière plastique poreuse contient au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique notamment la matière thermodurcissable et/ou la matière thermoplastique s'utilise(nt) comme matière de la matrice, de pré- férence sous la forme d'une matière homogène pour la matrice et qui contient directement les pores ou les cavités, par exemple les corps creux. Les matières thermoplastiques ou plastomères sont les matières plastiques ayant au moins une plage de températures d'utilisation du transducteur d'ultrasons par exemple entre -40°C jusqu'à +110°C en ne se déformant pratiquement pas ou pas du tout dans cette plage de températures alors qu'une élévation de température dans un domaine de températures plus élevé, par exemple au-dessus de la température de transition vitreuse, se traduit par leur déformabilité. Une matière thermodurcissable encore appelée matière duromère est une matière plas- tique qui après sa prise n'est pratiquement plus déformable. Pour d'autres limites possibles des matières thermoplastiques et thermodurcissables vis-à-vis d'autres matières plastiques telles que par exemple des élastomères, on se reportera par exemple à l'ouvrage Hans-Georg Elias, Macromolécules, Tome 3 : Physical Structures and Properties, 2008, page 2. La matière plastique peut notamment être une ou plu-sieurs des matières plastiques suivantes : matière thermoplastique poreuse, matière thermoplastique expansée, matière thermodurcissable poreuse, matière thermodurcissable expansée, résine époxyde poreuse, résine époxyde expansée. En particulier les résines époxydes expansées

6 ont des avantages quant à leurs propriétés de traitement et leur adaptation comme élément de découplage. Les éléments de découplage peu-vent être des pièces moulées terminées, placées dans le transducteur d'ultrasons ou encore la mise en forme de l'élément de découplage pour- ra se faire totalement ou en partie dans le transducteur d'ultrasons par exemple dans le boîtier du transducteur par exemple dans un volume intermédiaire entre le noyau du transducteur et le boîtier du transducteur. Différents exemples de réalisation seront décrits. La matière plastique poreuse peut avoir notamment un degré de porosité d'au moins 5 % en volume et de préférence d'au moins 10 % en volume. La matière plastique poreuse a de préférence des cavités de diamètre moyen compris entre 5 à 200 µm, et notamment inférieur à 80 µm, par exemple des diamètres compris entre 5 et 50 µm. D'autres domaines sont en principe également envisageables.

Le transducteur d'ultrasons comporte au moins un boitier. Le boîtier entoure au moins partiellement le noyau du transducteur. Un intervalle ou espace subsiste entre le boîtier et le noyau du transducteur, par exemple un intervalle annulaire. Cet intervalle annulaire est au moins partiellement rempli par l'élément de découplage. Ce remplissage se fait de préférence pour que la surface d'émission décrite ci-dessus du noyau de convertisseur reste au moins en partie libre de la matière de découplage. Par exemple l'espace intermédiaire peut être conçu pour que, vu du milieu fluide, la surface d'émission du noyau de transducteur soit entourée suivant une forme annulaire par la surface de l'élément de découplage et cette surface est elle-même de nouveau entourée de manière annulaire par le boîtier. On aura ainsi une géométrie ronde, notamment circulaire, ou une géométrie polygonale ou en principe on peut envisager n'importe quelle géométrie entourée par la forme annulaire. De façon préférentielle, dans l'exemple de réalisation représenté, la surface d'émission du noyau de transducteur, la surface limite de l'élément de découplage et le bord du boîtier, tourné vers le milieu fluide se trouvent principalement dans une surface plane. Selon une autre caractéristique, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un transducteur d'ultrasons appliqué à un mi- lieu fluide notamment à un transducteur d'ultrasons selon l'une ou

7 plusieurs des formes présentées ci-dessus. Ainsi selon le procédé, par-tant d'un noyau de transducteur qui comporte un élément transducteur électroacoustique, on développe un élément de découplage pour au moins réduire le couplage des bruits de structure entre le noyau de transducteur et le boîtier par exemple le boîtier du transducteur d'ultrasons lui-même ou un autre boîtier dans lequel est intégré le transducteur d'ultrasons. Pour réaliser l'élément de découplage, on utilise au moins une matière plastique poreuse notamment une matière plastique expansée ; cette matière plastique poreuse comporte au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique. La réalisation de l'élément de découplage peut se faire notamment avec au moins une matière de base dans laquelle on génère des bulles de gaz, par expansion chimique et/ou par expansion phy- Bique et/ou par expansion mécanique. L'expansion chimique désigne de façon générale une expansion produite par une réaction chimique. L'expansion physique est une expansion utilisant une transition de phase, par exemple une transition de phase entre un état liquide et un état gazeux pour générer les bulles de gaz. L'expansion mécanique dé- signe de manière générale dans le cadre de la présente invention, un procédé selon lequel on mélange à la matière de base, directement ou indirectement un ou plusieurs gaz et on expanse ainsi la matière de base. En plus des cavités générées par l'un ou plusieurs des procédés d'expansion décrits ci-dessus, on peut dans tous les cas avoir en option également d'autres types de cavités dans l'élément de découplage, par exemple sous la forme de corps creux en matière plastique comme ceux décrits ci-dessus. Par exemple on peut utiliser une matière de base dans laquelle on génère des bulles de gaz par une réaction chimique. On peut utiliser par exemple des mélanges à deux composants qui, en combinai-son, développent une réaction chimique libérant des gaz. On peut également envisager un mélange de plus de deux composants. Des exemples de tels mélanges à au moins deux composants sont les mélanges de résines époxydes utilisés pour fabriquer des mousses époxy.

Des exemples seront décrits ci-dessous.

8 Une matière de base est en principe une matière quel-conque qui, seule ou en combinaison avec d'autres matières, constitue l'élément de découplage. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une ou plu-sieurs matières premières de l'élément de découplage à partir desquelles on développe la matière plastique poreuse et qui comporte au moins une matière plastique thermodurcissable et/ou au moins une matière plastique thermoplastique. En variante des procédés d'expansion chimiques décrits ci-dessus, on peut également utiliser un procédé d'expansion physique.

Par exemple la matière de base comporte au moins un composant d'expansion. La matière de base sera alors expansée et le composant d'expansion formera des bulles de gaz. Le composant d'expansion peut être un gaz dans un état surcritique. Par expansion, ce gaz qui, à l'état surcritique, est à l'état liquide, revient de nouveau à son état gazeux dans les conditions normales. En particulier, on peut utiliser un ou plusieurs des gaz suivants : air ambiant, azote, dioxyde de carbone, argon. Comme décrit ci-dessus, en variante on peut également utiliser un procédé d'expansion mécanique par exemple également avec un ou plu-sieurs des gaz cités ci-dessus.

L'expansion chimique peut se faire totalement ou en partie au cours et/ou après introduction de l'élément de découplage dans le transducteur d'ultrasons. Par exemple, l'expansion chimique et/ou physique et/ou mécanique peut se faire pendant et/ou après injection d'au moins une matière de base dans l'intervalle entre le noyau de transducteur et le boîtier. En variante ou en plus, on peut introduire un élément de découplage déjà expansé ; par exemple l'expansion et/ou la mise en forme peuvent se faire séparément de sorte que la pièce mise en forme qui est introduite est déjà préformée et pré-expansée. Différents développements sont possibles.

Comme indiqué ci-dessus, une autre possibilité en plus des procédés d'expansion consiste à fabriquer l'élément de découplage en utilisant des corps creux qui donnent la porosité à la matière plastique ou du moins lui donnent une partie de sa porosité. Par exemple pour fabriquer l'élément de découplage, on peut utiliser au moins une matière de base par exemple selon celle décrite ci-dessus. On peut éga-

9 lement utiliser la même matière de base que celle utilisée dans un ou plusieurs des procédés d'expansion ou encore un autre type de matière de base qui forme ensuite la matière plastique poreuse. A cette matière de base, on mélange comme indiqué ci-dessus des corps creux notam- ment des corps creux en matière plastique. A titre d'exemple, on peut utiliser des corps creux souples et notamment des billes en matière plastique. Les corps creux peuvent par exemple avoir un diamètre équivalent moyen de 1 µm jusqu'à 200 µm et de préférence entre 5 µm jus-qu'à 80 µm et en particulier entre 10 µm et 80 %m. De façon générale, ces dimensions sont également préférentielles pour les cavités réalisées d'une autre manière dans l'élément de découplage. Le transducteur d'ultrasons tel que décrit ci-dessus et son procédé de fabrication offrent de multiples avantages par rapport aux transducteurs d'ultrasons connus et leur procédé de fabrication.

En particulier, on réduit considérablement les chemins parasites de transmission des ultrasons dans la matière du transducteur d'ultrasons et/ ou du boîtier, par exemple le boîtier d'un capteur et en particulier le bruit de structure qui parasiterait le signal de mesure. On évite ainsi que la valeur moyenne de la vitesse d'écoulement à mesurer ne dépasse les limites de tolérance requises. En même temps l'invention permet d'assurer une suspension de forme stable du noyau de transducteur. Cela permet également de réaliser une couche d'étanchéité sans contrainte et ainsi étanche de façon permanente vis-à-vis des différents mi-lieux.

Pour la fabrication du transducteur d'ultrasons notamment de l'élément de découplage, on peut envisager un procédé de coulée et/ou d'injection. Malgré la liaison qui, dans ce cas se produit plutôt de manière surfacique et non ponctuelle ou linéaire, sur le noyau du transducteur, on réalise le découplage grâce aux caractéristiques de la matière de l'élément de découplage. Par exemple, par la dispersion au niveau des pores de la matière plastique poreuse, on réalisera un amortissement approprié, par exemple par une mauvaise adaptation d'impédance entre le noyau du transducteur et le boîtier. Une telle mauvaise adaptation peut en outre être accentuée en ce que dans la direction de développement du bruit de structure, on choisit des épais-

10 seurs de couche efficaces pour l'élément de découplage pour que les ré-flexions multiples sur les surfaces limites correspondantes de l'élément de découplage produisent des interférences destructrices. Contraire-ment aux silicones, les matières plastiques thermodurcissables et/ou thermoplastiques, poreuses, ont d'une part un module d'élasticité relativement élevée et d'autre part elles assurent un fort amortissement par la matière. Dans les cavités, on aura par exemple une compression adiabatique qui améliorera l'amortissement. En outre, le découplage par les matières plastiques po- reuses avec des matières thermodurcissables et/ou thermoplastiques élimine l'inconvénient décrit ci-dessus d'un découplage souple. Par exemple, on pourra donner à la surface frontale du transducteur d'ultrasons une forme essentiellement stable même sous l'effet des contraintes thermiques et/ou des compressions. Cette surface frontale comporte le bord du boîtier, par exemple le bord du manchon, et la sur-face frontale de l'élément de découplage ainsi que la surface d'émission du noyau du transducteur. Cette surface frontale est de préférence pratiquement plane comme indiqué ci-dessus. En option, on peut appliquer un élément d'étanchéité sur cette surface frontale, par exemple une couche d'étanchéité et/ou un film d'étanchéité. La couche ou revête-ment d'étanchéité peut être en parylène. Le film d'étanchéité sera notamment un film de matière plastique. On peut utiliser des films de matière plastique d'une épaisseur inférieure à 100 µm, notamment inférieure à 50 µm et d'une manière particulièrement préférentielle de 25 µm ou moins. L'élément d'étanchéité peut être une matière thermoplastique ou une matière thermodurcissable en particulier l'une ou plu-sieurs des matières ci-après : polyimide notamment Kapton®, polymère fluoré notamment polytétrafluoréthylène PTFE, Téflon®, polyvinylfluorure PVF, polyéther-éthercétone PEEK, polyméthyl méthacrylate PMMA, polyamide amide PAI, polymère de cristaux liquides LCP, polyéthersulfone PES, polysulfone PSU, polyéthylène naphtalate PEN, polyphénylsufure PPS, éthylène-propylène fluoré FEP, un revêtement métallique, un revêtement de matière plastique ou de céramique, une couche d'adhésif. On peut également combiner ces matières et/ou utiliser d'autres ma-

11 tières. En variante, on utilise d'autres matières, d'autres épaisseurs de couche et aussi des laminats. La fixation de l'élément d'étanchéité et/ ou l'élément d'étanchéité lui-même sera significativement moins sollicité dans les conditions évoquées ci-dessus grâce à l'utilisation d'un élément de dé-couplage de forme essentiellement stable, par comparaison avec les transducteurs d'ultrasons existants. Dessin Des exemples de réalisation de l'invention seront décrits à l'aide du dessin annexé dans lequel : - la figure montre en vue en coupe partielle un exemple de réalisation d'un transducteur d'ultrasons selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure montre en coupe de côté, un exemple de réalisa- tion, un transducteur d'ultrasons 110 selon l'invention. Le transducteur d'ultrasons 110 présente à titre d'exemple une symétrie de rotation par rapport à l'axe de symétrie 112 mais toute autre forme de réalisation est envisageable. Le transducteur d'ultrasons 110 est utilisé dans un mi-lieu fluide, par exemple de l'air, représenté schématiquement à la figure par la référence 114. La surface frontale 116 du transducteur d'ultrasons 110 est tournée vers le milieu fluide 114. Cette surface frontale peut être par exemple scellée par un film étanche 118. Le transducteur d'ultrasons 110 comporte un boîtier 120 par exemple en forme de manchon. Le boîtier est ouvert en direction du milieu fluide 114 ou de sa face frontale 116 et présente un bord 122 du côté du milieu fluide 114. Le film d'étanchéité 118 peut être relié par exemple au bord 122 par une liaison par la matière et/ou d'une autre façon, par exemple par collage. Le volume intérieur 124 du boîtier 120 loge le noyau 126 du transducteur. Ce noyau 126 comporte au moins un élément transducteur électroacoustique 128. Le noyau 126 comporte également en option de l'exemple de réalisation représenté, un adaptateur 130 pour améliorer le couplage des ondes d'ultrasons de l'élément transducteur électroacoustique 128 dans le milieu fluide et/ou le découplage des ondes d'ultrasons à partir du milieu fluide 114. L'adaptateur 130 est

12 par exemple un organe adaptateur, notamment un organe adaptateur 130 ayant une ou plusieurs couches adaptatrices X/4. En option, le noyau 126 du transducteur peut comporter au moins un élément de compensation 132 pour réduire par exemple les tensions thermomécaniques. Des exemples de tels éléments compensateurs 132 seront décrits ultérieurement. De manière générale, dans la suite et sans limiter d'autres réalisations possibles de l'élément transducteur électroacoustique 128, cet élément sera appelé simple-ment élément piézoélectrique ou céramique piézoélectrique. De manière non limitative, l'adaptateur de cet élément sera appelé ci-après couche adaptatrice et l'élément de compensation 132 est un adaptateur CDT ou une couche de compensation CDT (CDT = coefficient de dilatation thermique). L'élément compensateur 132 peut être réalisé sous la forme d'une simple couche entre l'élément transducteur électroacoustique 128 et l'adaptateur 130 ; en option il peut également avoir une géométrie plus complexe. Le noyau 126 du transducteur comporte une surface d'émission 134 tournée vers le milieu fluide 114. Cette surface d'émission 134 reste de préférence non couverte et peut, comme le montre la figure 1, être revêtue totalement ou partiellement par le film d'étanchéité 118 et/ ou un autre élément d'étanchéité, par exemple un revêtement. La surface d'émission (ou surface de rayonnement) 134 est de préférence située dans le plan du bord 122 du boîtier 120. L'exemple de réalisation comporte un intervalle 136 entre le noyau 126 et le boîtier 120 du transducteur. Cet intervalle 136 a par exemple une forme annulaire. L'intervalle 136 est rempli d'un élément de découplage 138 qui comporte une matière plastique poreuse avec au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique. Des exemples de réalisation seront détaillés ultérieu- rement. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'élément de découplage 138 a de préférence une surface frontale 140 tournée vers le milieu fluide 114 ; cette surface est de préférence plane et se trouve notamment dans le plan du bord 122 et/ou de la surface d'émission 134. En option dans l'exemple de réalisation représenté, comme indiqué ci-

13 dessus, la surface frontale 140, la surface d'émission 134 et le bord 122 peuvent être munis du film d'étanchéité 118. Le transducteur d'ultrasons 110 comporte en option dans l'exemple de réalisation représenté, une matière d'amortissement coulée 142 appliquée par exemple sur le côté arrière ou entre le noyau 126 du transducteur. Cette masse d'amortissement coulée 142 qui peut être appliquée non seulement par simple coulée mais également par d'autres procédés, a pour fonction d'augmenter l'atténuation de l'élément transducteur électroacoustique 128. A titre d'exemple, il peut s'agir d'un silicone, coulé, ou autre type de matière molle, remplissant partiellement ou totalement l'intervalle 136. La figure montre également schématiquement une ligne d'alimentation 144 reliée à l'élément transducteur électroacoustique 128. En général, l'élément transducteur électroacoustique 128 comporte 15 deux ou plusieurs telles lignes électriques 144. Le tracé de la ligne d'alimentation électrique 144 est donné simplement à titre d'exemple ; la ligne traverse l'élément de compensation 132 et l'élément de découplage 138. En variante, le tracé de la ligne d'alimentation électrique 144 peut se faire totalement ou partiellement à travers la masse coulée 142. 20 Différentes réalisations sont envisageables. Dans le transducteur d'ultrasons 110 selon la figure, l'élément transducteur électroacoustique 128 est relié à la couche adaptatrice d'impédance 130 par exemple par l'intermédiaire de l'élément de compensation 132. Dans le cas le plus simple, cette liaison peut être 25 réalisée par une simple couche d'adhésif suffisamment dure et ayant un module d'élasticité (E) suffisamment grand pour réaliser le couplage acoustique nécessaire. On peut notamment envisager des adhésifs de type époxy. Comme les céramiques piézoélectriques sont sensibles à 30 la traction et aux contraintes de cisaillement, générées par exemple par la dilatation thermique de la couche adaptatrice 130, on peut également utiliser en principe des adhésifs époxy souples avec toutefois une caractéristique suffisamment grande, par exemple la température de transition vitreuse (Tg), pour que dans toute la plage des températures 35 envisagées, on dispose d'un couplage acoustique suffisant. Le transduc-

14 teur d'ultrasons 110 peut s'utiliser par exemple dans une plage de températures comprises entre - 40°C et 110°C et même au moins avec une fonctionnalité limitée, jusqu'à 140°C. La matière de l'élément de compensation 132 aura par exemple une température de transition vitreuse Tg supérieure à 150°C. Pour les autres matières, par exemple pour l'élément de découplage 130, on choisira une matière ayant avantageusement une température de transition vitreuse supérieure à 150°C. La matière de la couche adaptatrice 130 peut également être reliée directement à l'élément transducteur électroacoustique 128, par exemple en ce que tout d'abord on met en liaison l'élément piézoélectrique de l'élément transducteur électroacoustique 128 avec la matière non encore durcie de l'adaptateur 130 puis on laisse durcir, par exemple par réticulation. Si en revanche, on utilise une couche d'adhésif distincte pour l'élément compensateur 132, celle-ci pourra être relativement épaisse. Dans ce cas, on pourra par exemple intentionnellement renoncer à la souplesse de la matière et prévoir au lieu de cela un coefficient de dilatation thermique CDT compris entre le coefficient de dilation thermique de l'élément piézoélectrique de l'élément transducteur élec- troacoustique 128 et le coefficient de l'adaptateur 130 ; ou encore de manière idéale, on choisit une valeur aussi proche que possible de celle du coefficient de l'élément piézoélectrique. L'épaisseur de cette couche de compensation du coefficient CDT permet d'atténuer les contraintes. L'élément piézoélectrique, la couche de compensation CDT et la couche d'adaptation 130 peuvent être collés sous la forme d'éléments séparés ou encore avoir une couche de compensation CDT et/ou une couche d'adaptation 130 reliées sans adhésif séparé ou encore être mis en contact avec l'élément piézoélectrique puis durcir. Le film peut s'utiliser comme moule perdu pour la matière de découplage ou l'élément de découplage 138 et en option également rester comme couche d'étanchéité, par rapport au film d'étanchéité 118 dans le transducteur d'ultrasons 110. Les fonctions d'adaptation d'impédance et de compensation du coefficient de dilatation thermique peuvent également se faire à l'intérieur d'un unique composant. C'est ainsi que par exemple

15 l'adaptateur 130 et l'élément de compensation 132 peuvent être réunis totalement ou en partie dans celui-ci ou dans un autre exemple de réalisation. Cela permet par exemple d'utiliser une seule pièce qui sera conçue du point de vue du coefficient de dilation thermique CDT et/ou de la souplesse et/ou de l'impédance acoustique pour que les caractéristiques des matières puissent varier brusquement ou progressivement entre la céramique piézoélectrique et la zone d'émission. Par exemple, dans le cas d'une matière de remplissage à base de résine Epoxy, on pourra mélanger par exemple des billes creuses en verre ou/et des particules en céramique. Les billes creuses en verre peuvent être utilisées dans le sens d'une réduction de densité pour l'adaptation d'impédance et peuvent en tendance, plutôt flotter en direction de la zone d'émission alors que les particules de céramique se déposeront en direction de la céramique piézoélectrique 128 dans le cadre de l'adaptation du coeffi- 15 cient de dilatation thermique CDT. Cela permet d'obtenir les caractéristiques souhaitées des matières. Pour que l'élément transducteur électroacoustique 128 se mette aussi rapidement que possible au repos après une émission, dans l'exemple de réalisation, il est muni d'une matière coulée 20 d'amortissement 142 qui peut être en principe n'importe quelle matière d'amortissement (par exemple du silicone ou du silicone chargé) venant en contact avec l'élément transducteur. Si l'on utilise principalement la résonance planaire de l'élément piézoélectrique, celui-ci sera avantageusement relié partiellement ou totalement à sa périphérie avec la ma- 25 tière utilisée pour la coulée d'amortissement 142, pour découpler le maximum d'énergie sonore pour son amortissement. On aura un amortissement encore meilleur si l'élément de compensation 132 est mis en contact avec la matière coulée d'amortissement 142. En variante, on utilise d'autres procédés pour mettre en 30 place l'élément de découplage 138, par exemple un procédé de coulée et/ou un procédé d'injection. On peut utiliser un poinçon et pour cela on introduit le poinçon dans la cavité 124 du boîtier 120 en partant du côté arrière, par exemple après avoir mis en place le noyau transducteur 126. Ce poinçon peut s'utiliser pour laisser libre l'espace recevant 35 la matière coulée 142 et/ou des parties du noyau 126 du transducteur

16 ou tout le noyau 126 pendant que l'on introduit la matière de l'élément de découplage 138. Comme indiqué ci-dessus, on utilise pour l'élément de découplage 138, une matière plastique poreuse contenant au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique. La matière poreuse est en principe, comme indiqué ci-dessus, n'importe quelle matière ayant des pores ou des cavités. Des exemples de telles matières poreuses sont les matières expansées notamment les matières thermoplastiques ou thermodurcissables expansées.

Pour obtenir de telles matières, par exemple par un pro-cédé de fabrication sur place de l'élément de découplage 138 et/ou comme pièce prémoulée, on dispose de plusieurs procédés possibles. Selon un premier exemple de fabrication de l'élément de découplage 138, on utilise comme composant de base des matières premières déga- geant des bulles de gaz par réaction chimique. Des exemples de telles matières de base sont les systèmes époxy connus sous les références PB 170, PB 250, PB 400 ou PB 600, de la société Composite Solutions AG 3018 Bern, CH. De telles matières sont utilisées usuellement pour les mousses dans la construction navale et/ou la construction aéronau- tique. Par ailleurs, comme domaines caractéristiques principaux d'application dans le présent exemple pour les composants de base, on choisit les rapports de mélange et les profils de température de durcissement pour obtenir un point de transition vitreuse aussi élevé que possible. Les matières thermodurcissables sont également expansées de façon générale de préférence par un procédé d'expansion chimique. Des procédés physiques et/ou mécaniques peuvent être envisagés en va-riante ou en plus. Les matières thermoplastiques sont de préférence ex-pansées par un procédé d'expansion physique mais on peut utiliser d'autres procédés d'expansion comme des procédés d'expansion méca- niques. En option, on peut mélanger des corps creux par exemple des corps creux souples en matière plastique et en particulier des billes creuses en matière plastique. Comme autre exemple de réalisation, une matière plastique expansée, on peut envisager les matières thermoplastiques po- reuses fabriquées selon le procédé MuCell. Pour cela on met un gaz, par

17 exemple un gaz de l'environnement tel que de l'azote ou du dioxyde de carbone dans un état surcritique. Ce gaz à l'état surcritique n'est plus alors à l'état gazeux (il est uniquement à l'état gazeux dans les conditions normales) et peut s'utiliser comme agent d'expansion. Le fluide surcritique peut également se doser de manière aussi précise que les liquides usuels et peut être réparti régulièrement, par exemple dans de la matière plastique fondue. La chute de pression au moment de l'injection dans un outil génère alors de minuscules bulles de gaz qui continuent de se développer au cours de la phase de rinçage et elles compensent ainsi le retrait de la pièce. Cela permet d'obtenir des cellules de mousse extrêmement fines d'un diamètre de préférence compris entre 5 et 50 µm ; le degré de porosité représente de manière caractéristique jusqu'à 30 % et même parfois jusqu'à 40 % et plus. Les matières de découplage ainsi produites sont d'une forme relativement stable et incompressible par rapport aux silicones. Contrairement à l'adaptateur 130, les cavités de l'élément de découplage ne sont pas formées par des billes creuses de verre mais par expansion chimique ou physique. Cela permet de réaliser un amortissement d'ultrasons et une dispersion importants par rapport à l'adaptateur 130 dans lequel cet effet n'est préci- sément pas recherché. On peut également utiliser d'autres procédés, par exemple pour fabriquer une matière plastique expansée, on peut envisager les procédés à la presse et/ou de frittage. En variante à l'expansion et à la prise de la matière de l'élément de découplage 130, directement dans le transducteur d'ultrasons 110 ou dans son boîtier 120 ou dans une étape de réalisation du transducteur d'ultrasons 110, on peut préfabriquer l'élément de découplage 138 comme composant distinct et l'assembler à d'autres pièces ou ensembles du transducteur d'ultrasons 110 par exemple par collage. Lors de mise en pression à partir de l'extérieur et/ou par suite de la dilatation thermique ou de la contraction de l'intérieur du transducteur d'ultrasons 110, par exemple le noyau 126 permet à l'élément de découplage 138 de préférence de forme stable, de trans- mettre un effort avec une mobilité réduite et stabiliser ainsi la position

18 du noyau 126 du transducteur. En même temps cela permet d'appliquer un film d'étanchéité 118 sensible à la dilation ou au cisaillement et/ou un revêtement suivant la surface frontale 116. La matière de l'élément de découplage 138 se comporte de préférence comme un filtre passe-bas qui, grâce à sa stabilité de forme ou relativement lente-ment variable sous une charge statique, permet de transmettre des fréquences basses et bloque les fréquences hautes ce qui découple ou amortit les ultrasons. Le boîtier 120 du transducteur d'ultrasons 110 réalisé par exemple totalement ou en partie sous la forme d'un manchon, constitue dans cet exemple selon la figure, seulement une réalisation possible. Le boîtier 120 peut également être une partie d'un boîtier de capteur plus grand comportant par exemple également d'autres composants tels que ceux d'une électronique de commande et/ou d'une élec- tronique de mesure et/ou une électronique d'exploitation et/ou un second transducteur d'ultrasons 110. Plusieurs transducteurs d'ultrasons 110 peuvent se répartir dans un boîtier commun 120 ou être au moins en partie logés dans ce boîtier commun 120. Le fil d'étanchéité 118 peut être en principe en une ma- tière quelconque. De façon particulièrement préférentielle, on envisage l'utilisation de métaux et/ou de matière plastique. Par exemple on pourra utiliser l'une ou plusieurs des matières suivantes : Polyimid, notamment Kapton®, Polyétheréthercétone (PEEK), Polyvinylfluorure (PVF) notamment Tedlar®, Polytetrafluorethylène (PTFE) notamment Téflon®.

En variante, on peut également utiliser d'autres matières notamment d'autres polymères. L'épaisseur du film d'étanchéité 118 ne doit pas dé-passer de préférence 100 µm pour d'une part assurer un bon couplage d'entrée des ultrasons dans le milieu fluide 14 par exemple de l'air et d'autre part, ne pas trop augmenter la transmission du bruit de struc- ture par l'intermédiaire du film d'étanchéité 118 à la matière de l'élément de découplage 138. De manière particulièrement préférentielle, il y a les épaisseurs de 25 µm ou moins. En variante ou en plus d'un élément d'étanchéité en forme de film d'étanchéité 118, on peut également utiliser d'autres formes d'élément d'étanchéité tel que par exemple un revêtement. Comme exemple d'un tel revêtement, il y a le parylène, le téflon, les résines époxy ou autres matières. De tels revêtements s'appliquent par exemple seulement comme couche cohérente appliquée sur toute la surface frontale 116.5 NOMENCLATURE

110 Transducteur d'ultrasons 112 Axe de symétrie 114 Air 116 Surface frontale 118 Film d'étanchéité 122 Bord 120 Boîtier 124 Volume intérieur 126 Noyau du transducteur 128 Elément transducteur électroacoustique 130 Adaptateur 132 Elément compensateur 134 Surface d'émission 136 Intervalle 138 Elément de découplage 140 Surface frontale 142 Masse coulée d'amortissement 144 Ligne électrique

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Transducteur d'ultrasons (110) applicable à un milieu fluide (114) comprenant : - au moins un noyau transducteur (126) ayant au moins un élément transducteur électroacoustique (128), - le transducteur (110) comportant en outre au moins un élément de découplage (138) pour réduire le couplage du bruit de structure entre le noyau transducteur (126) et un boîtier (120), l'élément de découplage (138) ayant au moins une matière plas- tique poreuse notamment une matière plastique expansée, la matière plastique poreuse contenant au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique. 2°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique est constituée par une ou plusieurs des matières plastiques suivantes : une matière thermoplastique poreuse, une matière thermoplastique expansée, une matière thermodurcissable poreuse, une matière thermodurcissable expansée, une résine époxyde poreuse, une résine époxyde expansée. 3°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique poreuse a un degré de porosité d'au moins 5 % en volume et de préférence d'au moins 10 % en volume. 4°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique poreuse a des cavités de diamètre moyen compris entre 5 et 200 µm.355°) Transducteur d'ultrasons (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un boîtier (120) entourant au moins partiellement le noyau de convertisseur (126) et un intervalle (136) subsiste entre le boîtier (120) et le noyau (126) notamment un intervalle annulaire (136) rempli au moins partiellement par l'élément de découplage (138). 6°) Procédé de fabrication d'un transducteur d'ultrasons (110) applicable à un milieu fluide (114) notamment un transducteur d'ultrasons (110) selon l'une des revendications 1 à 5, procédé selon lequel on utilise au moins un noyau transducteur (126), on entoure le noyau transducteur (126) d'au moins un élément transducteur électroacoustique (128), en outre on utilise au moins un élément de découplage (138) pour réduire le couplage du bruit de structure entre le noyau transducteur (126) et le boîtier (120), et pour réaliser l'élément de découplage (138) on utilise au moins une matière plastique poreuse notamment une matière plastique expansée, et la matière plastique poreuse comporte au moins une matière thermodurcissable et/ou au moins une matière thermoplastique. 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour réaliser l'élément de découplage (138) on utilise au moins une matière de base pour assurer une expansion chimique et/ou physique et/ ou mécanique en dégageant des bulles de gaz. 8°) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on génère les bulles de gaz dans la matière de base à l'aide d'au moins une réaction chimique.359°) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matière de base contient au moins un composant d'expansion, et on expanse le matériau de base par le composant d'expansion dégageant les bulles de gaz. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le composant d'expansion est un gaz à l'état surcritique notamment un ou plusieurs des gaz suivants : air ambiant, azote, dioxyde de carbone, argon. 11 °) Procédé selon l'une des trois revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'on fait l'expansion chimique et/ou l'expansion physique et/ou l'expansion mécanique au moins en partie pendant et/ ou après l'introduction de l'élément de découplage (138) dans le transducteur d'ultrasons (110) notamment pendant et/ou après l'injection d'au moins une matière de base dans l'intervalle (136) entre le noyau transducteur (126) et le boîtier (120). 12°) Procédé selon la revendication 6 selon lequel pour réaliser l'élément de découplage (138) on utilise au moins une matière de base à laquelle on a mélangé des corps creux notamment des corps creux en matière plastique.