WO2018019778A1 - Transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air - Google Patents
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- G01N29/2406—Electrostatic or capacitive probes, e.g. electret or cMUT-probes
Definitions
- Non-destructive ultrasonic testing makes it possible to quickly inspect a structure, for example a composite material or metal, without damaging it and sometimes without dismantling it.
- the ultrasonic waves provide information on the mechanical properties of the structure and reveal the presence of defects, on the surface or in depth.
- ultrasonic waves may indicate the presence of cracks, delaminations and porosity zones in the structure, as these defects alter the amplitude and / or shape of the waves.
- the back plate has eight elements of identical active surface, distributed in a central disc and seven concentric rings.
- This transducer has a wide frequency bandwidth, a high efficiency and allows to focus the ultrasonic wave beam, to adjust the spatial resolution.
- it makes it possible to adjust the focusing distance dynamically, by applying variable delays to the electrical excitation signals sent to the elements ("transmitter” mode) or delivered by the elements ("receiver” mode).
- the capacitive multi-element transducer of the aforementioned document does not simultaneously offer a great flexibility in adjusting the focusing distance, a high pressure level and a satisfactory resolution for the targeted applications.
- the adjustment of the focusing distance of a phased array transducer operating in "transmission” mode can be carried out by applying phase shifts to the excitation signals sent to the various elements, for example by means of multi-channel electronics.
- the adjustment of the focusing distance of a phased array transducer operating in "reception” mode can be carried out by applying phase shifts to the signals delivered by the different elements having detected an acoustic wave, again by means of multi-channel electronics.
- the ultrasonic array transducer 100 is optimized in terms of working frequency and spatial resolution for non-destructive testing of materials.
- the objective of this check may be to detect the presence of defects, such as cracks, voids or porosity, in mechanical parts or structures, to measure the thickness of the materials and / or to analyze their properties.
- the transducer 100 is air-coupled, that is to say that it uses ambient air as a coupling medium for ultrasonic waves. There is therefore no contact between this transducer and the material to be controlled.
- the advantages of this type of transducer are the ease of implementation of the control procedures and the absence of contamination or pollution of the material.
- the transducer 100 comprises a rear plate 1 10 and a membrane 120 arranged facing the rear plate 1 10.
- the back plate 1 10 is rigid and massive compared to the membrane 120, which is (by definition) flexible and thin.
- the thickness of the back plate 11 is between 4 mm and 10 mm, while the thickness of the membrane 120 is between 3 ⁇ m and 8 ⁇ m.
- the backplate 1 and the diaphragm 120 are both disk-shaped. At least one face of the membrane 120 is electrically conductive.
- the membrane 120 of the transducer 100 is permanently prestressed by a DC bias voltage VDC and vibrates at a resonance frequency under the effect of an AC excitation voltage VAC applied to each conductive element 1 1 1 -1 12 of the back plate 1 10.
- This movement of the membrane 120 gives rise to an ultrasonic wave beam 130, corresponding to the superposition of the acoustic beams generated by the different capacitive transducers mono-element.
- the axis of revolution Oz of the central disk 1 1 1 and rings 1 12 coincides with the propagation direction of the ultrasonic wave beam 130. This axis Oz is hereinafter called the "acoustic axis" of the transducer ultrasound 100.
- the sound pressure field of the ultrasonic beam generated by a single-element plane transducer emitting a purely sinusoidal wave conventionally comprises two zones: the near-field zone (or Fresnel zone) where the pressure field is inhomogeneous, and the field zone distant (or Fraunhofer area) where the pressure field diverges.
- Fresnel distance Df is the distance from the near-field zone to the far-field zone. This distance Df is that at which the ultrasonic beam presents the most interesting characteristics: a high sound pressure (when the attenuation in the air is negligible, it is the position of the last pressure maximum) and reduced lateral dimensions ( in other words, a good lateral resolution).
- the distance Df is proportional to the ratio of the active surface S on the emitted wavelength ⁇ , ie in the case of a disk-shaped source of radius r:
Abstract
L'invention concerne un transducteur (100) ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant : - une membrane (120) ayant une face électriquement conductrice; et - une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central (111) et de plusieurs anneaux (112) disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane (120) et lesdites faces des éléments conducteurs étant de même superficie; dans lequel le disque central (111) présente un rayon (R1) compris entre 10 mm et 15 mm et dans lequel le nombre des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18.
Description
TRANSDUCTEUR ULTRASONORE MULTIÉLÉMENTS
CAPACITIF À COUPLAGE AIR
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine du contrôle non destructif par ultrasons. L'invention concerne plus particulièrement un transducteur ultrasonore de type capacitif à couplage air permettant de générer et/ou de détecter les ultrasons.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Le contrôle non destructif par ultrasons permet d'inspecter rapidement une structure, par exemple en matériau composite ou en métal, sans la détériorer et parfois sans la démonter. En se propageant dans le matériau de la structure, les ondes ultrasonores fournissent des renseignements sur les propriétés mécaniques de la structure et révèlent la présence de défauts, en surface ou en profondeur. À titre d'exemple, les ondes ultrasonores peuvent indiquer la présence de fissures, de délaminages et de zones de porosité dans la structure, car ces défauts modifient l'amplitude et/ou la forme des ondes.
Les procédés de contrôle non-destructif par ultrasons utilisent le plus souvent un milieu de couplage liquide, bon conducteur des ondes ultrasonores, comme l'eau ou un gel. Ce milieu de couplage liquide permet de réaliser une adaptation d'impédance acoustique entre les sondes émettrice et réceptrice d'ondes ultrasonores, appelées transducteurs, et la structure à inspecter. La présence du milieu de couplage liquide entre les transducteurs et la structure peut être assurée par immersion partielle ou totale de la structure dans le liquide ou par apport continu du liquide, par exemple sous la forme de jets d'eau. Ces procédés de contrôle non-destructif à couplage liquide sont toutefois lourds à mettre en œuvre, du fait de la nécessité de prévoir une cuve ou un dispositif d'apport du liquide. Ils requièrent aussi le nettoyage et/ou le séchage des pièces, et parfois leur démontage. En outre, ils ne sont pas adaptés au
contrôle de certains types de structures ne tolérant pas le couplage avec un liquide. On peut citer à titre d'exemple les structures dites « sandwich » intégrant une ou plusieurs couches alvéolaires (mousse, nid d'abeille, etc.), largement répandues dans l'industrie aéronautique.
En comparaison, les procédés de contrôle non-destructif par ultrasons sans contact, où l'air ambiant est utilisé comme milieu de couplage, sont plus simples à mettre en œuvre et rendent possible une inspection en continu des structures. Ils requièrent cependant de prévoir des transducteurs à couplage air dont le rendement est élevé, afin de compenser la très forte atténuation des ondes ultrasonores subie à chaque interface entre l'air et les matériaux solides (interface(s) air/transducteur(s) et interface(s) air/structure).
Les transducteurs ultrasonores capacitifs permettent aujourd'hui l'émission d'ondes ultrasonores dans l'air à des niveaux élevés et leur réception avec une sensibilité suffisante pour utiliser l'air comme milieu de couplage. Ces transducteurs possèdent en outre une meilleure bande passante en fréquence que les transducteurs de type piézo-électrique. Ils peuvent être constitués d'un seul élément capacitif ou d'une multitude d'éléments capacitifs, indépendants sur le plan électrique. Par rapport à la technologie mono-élément, la technologie multiéléments permet d'augmenter la résolution spatiale du transducteur. En effet, en pilotant électroniquement chacun des éléments, différents réglages tels que le balayage angulaire et la focalisation peuvent être obtenus. Les transducteurs multiéléments peuvent adopter différentes géométries, notamment linéaire, annulaire, matricielle et circulaire.
Le transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné (ou CMUT, pour « Capacitive Micromachining Ultrasonic Transducer ») est un exemple de transducteur multiéléments. Il est constitué d'un grand nombre de micro-diaphragmes organisés en réseau et actionnés de manière électrostatique. Ce transducteur est particulièrement compact, car il est fabriqué à partir d'un substrat en silicium en utilisant les techniques de micro-usinage de surface. Cependant, en raison de la géométrie du réseau d'éléments, en forme de barrette linéaire ou de matrice, le transducteur CMUT n'est pas le plus adapté pour obtenir une focalisation des ondes
ultrasonores. Une focalisation des ondes ultrasonores est possible, en disposant les éléments sur un substrat courbé dont la courbure fixe la valeur centrale de la focale. La distance de focalisation ne peut alors varier (ou alors très faiblement), à cause du faible nombre d'éléments disposés sur le support. Les éléments du transducteur CMUT sont fabriqués en petit nombre, car les matériaux piézoélectriques qui les composent sont difficiles à usiner à petite échelle. Cette incapacité à modifier la distance de focalisation implique de prévoir autant de transducteurs CMUT qu'il y a d'applications possibles. Le document [« Numerical modelling for the optimization of multi-element, capacitive, ultrasonic, air coupled transducer », D. Zhang et al., Journal of Physics: Conférence Séries, Volume 457, 0120 1 , 2013] décrit un autre exemple de transducteur ultrasonore capacitif multiéléments à couplage air, de configuration annulaire. Ce transducteur capacitif comprend une membrane, dont une face est métallisée, et une plaque arrière métallique sur laquelle la membrane est fixée. La plaque arrière comporte huit éléments de surface active identique, répartis en un disque central et sept anneaux concentriques. Ce transducteur présente une large bande passante fréquentielle, un rendement élevé et permet de focaliser le faisceau d'ondes ultrasonores, afin d'ajuster la résolution spatiale. En outre, il permet d'ajuster la distance de focalisation de manière dynamique, en appliquant des retards variables aux signaux électriques d'excitation envoyés aux éléments (mode « émetteur ») ou délivrés par les éléments (mode « récepteur »). Le transducteur capacitif multiéléments du document susmentionné n'offre toutefois pas simultanément une grande souplesse de réglage de la distance de focalisation, un niveau de pression élevé et une résolution satisfaisante pour les applications ciblées. RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Il existe donc un besoin de prévoir un transducteur ultrasonore capacitif multiéléments à couplage air doté d'une grande souplesse dans le réglage de la
distance de focalisation, tout en ayant une résolution spatiale et un niveau de pression optimaux, afin d'élargir le champ d'application de ce type de transducteur.
Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant :
- une membrane ayant une face électriquement conductrice ; et
- une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central et de plusieurs anneaux disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane et lesdites faces des éléments étant de même superficie ;
dans lequel le disque central présente un rayon compris entre 10 mm et 15 mm et dans lequel le nombre des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18. Avec une telle surface active (le rayon sélectionné fixe la surface active du disque central et par conséquent celle de tous les éléments conducteurs) et un tel nombre d'éléments conducteurs, le transducteur capacitif selon l'invention bénéficie d'une plage de focalisation plus étendue. En outre, grâce au nombre d'éléments sélectionné, le transducteur selon l'invention présente un rendement en pression et une résolution spatiale meilleurs que ceux du transducteur de l'art antérieur. Un tel nombre d'éléments offre enfin la possibilité de régler plus finement la distance de focalisation, c'est-à-dire avec un pas plus petit.
Les possibilités de réglage de la fréquence et de la distance de focalisation sont par conséquent augmentées, ce qui permet de satisfaire un plus grand nombre d'applications. Par exemple, dans le cas du contrôle non-destructif de structures, le transducteur selon l'invention permet de détecter des défauts plus fins et situés à une profondeur plus importante dans les structures. Sans déplacer le transducteur, juste en modifiant la distance de focalisation, il est possible de s'adapter à des structures dont la géométrie de surface serait variable, par exemple une plaque composite avec une marche ou une variation d'épaisseur. Le transducteur peut aussi permettre d'ajuster les caractéristiques de focalisation, notamment la taille de la tâche focale, de manière à détecter des défauts dont les dimensions sont au-delà
d'une certaine taille critique, sans être sensible à des inhomogénéités de matériau de tailles inférieures et ne devant pas être considérées comme des défauts. Le transducteur selon l'invention s'adapte ainsi à une plus grande variété de structures et de besoins, au regard de leur forme ou de leur composition.
Le réglage de la distance de focalisation d'un transducteur multiéléments fonctionnant en mode « émission » peut être effectué en appliquant des déphasages aux signaux d'excitation envoyés aux différents éléments, par exemple au moyen d'une électronique multivoie. Le réglage de la distance de focalisation d'un transducteur multiéléments fonctionnant en mode « réception » peut être effectué en appliquant des déphasages aux signaux délivrés par les différents éléments ayant détecté une onde acoustique, toujours au moyen d'une électronique multivoie.
Les éléments conducteurs sont avantageusement séparés d'une distance comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm.
Selon un exemple de réalisation du transducteur selon l'invention, les éléments conducteurs sont au nombre de 16, le disque central présente un rayon égal à 10 mm et les éléments conducteurs sont espacés d'une distance égale à 1 ,4 mm.
L'invention concerne également un procédé permettant de fabriquer simplement et à moindre coût un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air doté de bonnes performances. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
- former une plaque arrière comprenant une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, dont un disque central et plusieurs anneaux disposés de façon concentrique avec le disque central, la plaque arrière présentant une face arrière et une face avant, dite face active, opposée à la face arrière ; et
- disposer sur la face active de la plaque arrière une membrane ayant une face électriquement conductrice ;
la formation de la plaque arrière comprenant les opérations suivantes :
• usiner dans une plaque métallique une pluralité de gorges annulaires concentriques ;
• remplir les gorges d'une colle électriquement isolante ; et
• retirer une portion de la plaque métallique de façon à rendre traversantes les gorges remplies de colle.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une étape de micro-sablage de la face active de la plaque arrière, de façon à former des microcavités ;
- une étape consistant à appliquer une tension de polarisation, de préférence comprise entre 30 V et 100 V, entre la face électriquement conductrice de la membrane et les éléments conducteurs de la plaque arrière ;
- une étape de fixation de la plaque arrière à l'intérieur d'un support au moyen de la colle électriquement isolante, une portion du support étant avantageusement retirée en même temps que la portion de la plaque métallique de façon à former une surface plane, la membrane étant disposée sur cette surface plane ;
- les gorges annulaires présentent une même largeur ; et
- la colle électriquement isolante est une résine époxy.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente de manière schématique un transducteur ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ;
- la figure 2 représente en vue de dessus une plaque arrière du transducteur ultrasonore de la figure 1 ;
- la figure 3 représente la pression acoustique maximale à la distance de Fresnel rayonnée par le transducteur selon l'invention, en fonction du nombre d'éléments de la plaque arrière ;
- la figure 4 représente la résolution latérale pour une distance de focalisation égale à la distance de Fresnel du transducteur de la figure 1 , en fonction du nombre d'éléments de la plaque arrière ;
- la figure 5 représente les variations de l'amplitude du champ de pression axial rayonné par le transducteur selon l'invention et par le transducteur de l'art antérieur, à la distance de focalisation égale à la distance de Fresnel de chacun des transducteurs ;
- la figure 6 représente les variations de l'amplitude du champ de pression transversal à la distance de Fresnel rayonnée par le transducteur selon l'invention et par le transducteur de l'art antérieur ;
- les figures 7A à 7E représentent des étapes d'un procédé de fabrication de la plaque arrière selon la figure 2 et de son support en matériau isolant ; et
- la figure 8 représente une façon particulière d'assembler le transducteur multiéléments capacitif à couplage air selon l'invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. Par ailleurs, sur les figures 3, 5 et 6, la pression acoustique est exprimée en unité arbitraire (« a.u. », pour « arbitrary unit » en anglais).
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION
La figure 1 représente un mode de réalisation préférentiel d'un transducteur ultrasonore multiéléments 100 de type capacitif.
Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 est optimisé, en termes de fréquence de travail et de résolution spatiale, pour le contrôle non destructif de matériaux. L'objectif de ce contrôle peut être de déceler la présence de défauts, tels que des fissures, des vides ou de la porosité, dans des pièces mécaniques ou des structures, de mesurer l'épaisseur des matériaux et/ou d'analyser leurs propriétés.
Le transducteur 100 est à couplage air, c'est-à-dire qu'il utilise l'air ambiant comme milieu de couplage des ondes ultrasonores. Il n'y a donc aucun contact entre ce transducteur et le matériau à contrôler. Les avantages de ce type de transducteur sont la facilité de mise en œuvre des procédures de contrôle et l'absence de contamination ou de pollution du matériau.
Le transducteur 100 comprend une plaque arrière 1 10 et une membrane 120 disposée en regard de la plaque arrière 1 10. La plaque arrière 1 10 est rigide et massive comparée à la membrane 120, qui est (par définition) souple et fine. De préférence, l'épaisseur de la plaque arrière 1 10 est comprise entre 4 mm et 10 mm, tandis que l'épaisseur de la membrane 120 se situe entre 3 pm et 8 pm. La plaque arrière 1 10 et la membrane 120 ont toutes les deux la forme d'un disque. Au moins une face de la membrane 120 est électriquement conductrice.
Dans le mode de réalisation préférentiel de la figure 1 , la membrane 120 est formée d'une couche en matériau polymère 121 , tel que le polyéthylène téréphtalate (PET), recouverte d'une fine couche de métal 122, par exemple en aluminium. La couche de métal 122 recouvre avantageusement la face avant de la couche de polymère 121 , c'est-à-dire la face tournée vers le matériau à contrôler (la face arrière de la couche de polymère 121 étant dirigée vers la plaque arrière 1 10). La membrane 120 peut ainsi être disposée en contact avec la plaque arrière 1 10 et fixée aux bords de celle- ci, sans créer de court-circuit entre la couche de métal 122 et la plaque arrière 1 10. La plaque arrière 1 10, représentée en vue de dessus sur la figure 2, comporte plusieurs éléments conducteurs espacés les uns des autres, et plus particulièrement un disque central 1 1 1 et des anneaux 1 12. Les anneaux 1 12 sont disposés de manière concentrique avec le disque central 1 1 1 . Ces éléments (disque et anneaux) sont de préférence en métal, par exemple en aluminium. Le disque 1 1 1 et les anneaux 1 12 sont avantageusement de même épaisseur et imbriqués les uns dans les autres, de sorte que la plaque arrière 1 10 ait des faces principales (i.e. avant et arrière) planes et parallèles (cf. Fig .1 ). Les éléments 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10 sont séparés par un matériau diélectrique 1 13, de préférence une résine
époxy. Sur la figure 2, « x » désigne la position radiale des anneaux 1 12 par rapport au centre « O » du disque central 1 1 1 .
Chaque élément 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10 interagit avec la membrane 120 à la manière d'un condensateur, pour convertir une onde ultrasonore en un signal électrique (à la manière d'un microphone), et inversement (à la manière d'un haut- parleur). La membrane 120 constitue la première armature (ou électrode), mobile, du condensateur, tandis que l'élément concerné de la plaque arrière 1 10 constitue la deuxième armature du condensateur, qui est au contraire fixe. Autrement dit, chacun des éléments, le disque 1 1 1 et les anneaux 1 12, constitue avec une portion de la membrane 120 un élément actif de type capacitif. Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 peut donc être vu comme une multitude de transducteurs capacitifs mono-élément, intégrés dans un même boîtier et partageant la même membrane.
Pour générer des ultrasons, la membrane 120 du transducteur 100 est précontrainte de manière permanente par une tension continue de polarisation VDC et vibre à une fréquence de résonance sous l'effet d'une tension d'excitation alternative VAC appliquée à chaque élément conducteur 1 1 1 -1 12 de la plaque arrière 1 10. Ce mouvement de la membrane 120 donne naissance à un faisceau d'ondes ultrasonores 130, correspondant à la superposition des faisceaux acoustiques générés par les différents transducteurs capacitifs mono-élément. Sur la figure 1 , l'axe de révolution Oz du disque central 1 1 1 et des anneaux 1 12 coïncide avec la direction de propagation du faisceau d'ondes ultrasonores 130. Cet axe Oz est appelé ci-après « axe acoustique » du transducteur ultrasonore 100.
Le transducteur ultrasonore multiéléments 100 présente, intrinsèquement, une large bande passante en fréquence grâce au fait qu'il est de type capacitif. Cette large bande passante rend le transducteur 100 compatible avec de nombreux matériaux, car la fréquence du signal d'excitation alternatif VAC, dite fréquence de travail, est choisie en fonction du matériau à contrôler.
La surface active S des éléments 1 1 1 -1 12, c'est-à-dire la surface orientée vers la
membrane 120, comporte avantageusement des microcavités dimensionnées pour augmenter la bande passante et le rendement du transducteur. Cette rugosité de surface est par exemple obtenue par un micro-sablage de la face avant des éléments.
Le champ de pression acoustique du faisceau ultrasonore généré par un transducteur plan mono-élément émettant une onde purement sinusoïdale comporte classiquement deux zones : la zone de champ proche (ou zone de Fresnel) où le champ de pression est inhomogène, et la zone de champ lointain (ou zone de Fraunhofer) où le champ de pression diverge. La distance de Fresnel Df est la distance à laquelle on passe de la zone de champ proche à la zone de champ lointain. Cette distance Df est celle à laquelle le faisceau ultrasonore présente les caractéristiques les plus intéressantes : une pression acoustique élevée (lorsque l'atténuation dans l'air est négligeable, c'est la position du dernier maximum de pression) et des dimensions latérales réduites (autrement dit une bonne résolution latérale). La distance Df est proportionnelle au rapport de la surface active S sur la longueur d'onde émise λ, soit dans le cas d'une source en forme de disque de rayon r :
Pour une source annulaire, le ray n de la surface active S à prendre en compte est :
avec rext et nnt respectivement les rayons externe et interne de l'anneau.
Le disque central 1 1 1 et les anneaux concentriques 1 12 de la plaque arrière 1 10 sont ici dimensionnés de sorte qu'ils aient la même surface active S. En d'autres termes, les faces avant du disque centrai 1 1 1 et des anneaux 1 12 sont de même superficie. Ainsi, si chacun de ces éléments 1 1 1 -1 12 est excité par le même signal purement sinusoïdal, le champ rayonné par chacun des éléments présentera la même distance de Fresnel Df. En conséquence, l'amplitude de la pression à cette distance Df sera égale à la somme des champs rayonnés par les différents éléments.
Pour avoir une surface active identique, le disque central 1 1 1 et les anneaux
concentriques 1 12 présentent nécessairement des largeurs différentes. Cette configuration présente l'avantage de minimiser l'amplitude des lobes secondaires du champ de pression acoustique. Ces lobes secondaires représentent une partie de l'énergie acoustique qui est rayonnée dans des directions différentes de l'axe acoustique Oz du transducteur 100 (i.e. l'axe du disque 1 1 1 et des anneaux 1 12 ; cf. Fig.1 ). Ils peuvent induire des artefacts sur les images des matériaux inspectés et conduire à la détection de « faux défauts ». L'irrégularité dans la largeur des éléments du transducteur est donc un atout pour l'obtention d'un faisceau avec peu de lobes secondaires, voire sans lobes secondaires.
En pratique, les éléments du transducteur ne sont pas excités par des signaux purement sinusoïdaux, mais par des trains d'ondes. En conséquence, lorsque les signaux d'excitation sont tous en phase, la focalisation du transducteur à la distance de Fresnel (commune à l'ensemble des anneaux) n'a pas lieu naturellement. Le faisceau ultrasonore possède certes une certaine directivité, mais elle est comparable à celle d'un transducteur mono-élément formé d'un disque unique de rayon égal au rayon externe de l'élément périphérique. La résolution latérale d'un tel système n'est pas suffisante. Afin de pouvoir effectivement améliorer la résolution latérale et augmenter l'amplitude du maximum de pression à la distance de Fresnel, des décalages de phases sont introduits entre les signaux d'excitation du disque 1 1 1 et des anneaux 1 12. Cela a pour effet de concentrer, ou focaliser, le faisceau d'ondes ultrasonores 130 émis par le transducteur 100 autour d'un point situé sur l'axe acoustique Oz du transducteur 100. Le faisceau ultrasonore 130 converge alors vers une zone focale où il devient localement plan. À plus grande distance, le faisceau diverge. La distance de focalisation, notée ci-après Zf, est mesurée depuis la source (i.e. la membrane 120) le long de l'axe Oz et peut être égale à la distance de Fresnel Df.
Cette focalisation permet de détecter des défauts plus fins, avec un meilleur rapport signal sur bruit. L'autre intérêt du transducteur multiéléments selon l'invention est qu'on peut alors facilement modifier la distance de focalisation Zf et donc la
profondeur de détection. La distance de focalisation Zf est ajustée en modifiant les déphasages relatifs entre les signaux d'excitation, par exemple à l'aide d'une électronique multivoie. L'amplitude de la pression et les dimensions latérales du faisceau ultrasonore au niveau de la zone de focalisation dépendent de la distance de focalisation Zf et de la longueur d'onde λ.
Les performances du transducteur capacitif multiéléments 00, en termes de résolution spatiale et de rendement notamment, dépendent également de sa géométrie. Des simulations numériques ont permis d'identifier les caractéristiques géométriques du transducteur 100, tels que le nombre N d'éléments (disque central et anneaux concentriques) de la plaque arrière 1 10 et la surface active S de ces éléments, qui ont un impact fort sur les performances du transducteur. Les résultats de ces simulations numériques (à une fréquence de 300 kHz) sont donnés ci- dessous en relation avec les figures 3 et 4.
Par définition, le rendement d'un transducteur est défini comme le rapport entre la puissance acoustique délivrée et la puissance électrique consommée. La puissance acoustique est sensiblement proportionnelle au carré de la pression acoustique générée par le faisceau d'ondes ultrasonores. Par conséquent, plus la pression acoustique du faisceau est importante, plus le rendement du transducteur est élevé.
La figure 3 représente l'amplitude p(z=Df) du maximum de pression situé à la distance de Fresnel Df lorsque cette distance est choisie comme distance de focalisation Zf sur l'axe Oz (soit dans le plan de la figure 2, à x=0), en fonction du nombre N d'éléments du transducteur 100 et pour des valeurs du rayon R1 de l'élément central 1 1 1 comprises entre 5 mm et 12 mm. Pour mémoire, le rayon R1 fixe la surface active S de tous les éléments 1 1 1 -1 12 (S = π. RI2). La distance d entre deux éléments 1 1 1 -1 12 consécutifs est constante et fixée ici à 1 mm. Cette figure montre que l'amplitude p(z=Df) du maximum de pression augmente avec le nombre N d'éléments de la plaque arrière 1 10, pour une surface S fixée (i.e. un rayon R1 fixé). Elle montre également que la pression maximale p(z=Df) (atteinte à la distance de Fresnel Df) n'augmente pas nécessairement avec la surface active S des
éléments. Par exemple, pour un nombre N d'éléments égal à 8, la pression maximale développée par des éléments de surface S = π. 122 mm2 est inférieure (presque de moitié) à la pression maximale obtenue avec des éléments de surface S =
7Γ. 52 mm2.
La figure 4 représente la résolution latérale R(z=Dt) (i.e. la dimension du faisceau selon l'axe Ox) à la distance de Fresnel Df, en fonction du nombre N d'éléments et pour des valeurs de rayon R1 comprises entre 5 mm et 12 mm. Plus la valeur indiquée en ordonnées est faible, meilleure est la résolution latérale.
On constate grâce à cette figure que la résolution latérale s'améliore en augmentant le nombre N d'éléments (à surface S fixée) et en diminuant la surface active S des éléments (pour un nombre N d'éléments fixé). Les dimensions de la tâche focale sont proportionnelles à la distance de focalisation et inversement proportionnelles au rayon total du transducteur multiéléments (et donc au nombre d'éléments). Néanmoins, comme la distance de Fresnel est proportionnelle à la surface active, (carré du rayon de l'élément central), une augmentation de la surface active S des éléments détériore la résolution spatiale. Ainsi, pour obtenir les meilleures performances en termes de rendement (Fig.3) et de résolution spatiale (Fig.4), le transducteur 100 devrait posséder un nombre élevé d'éléments de petite surface S. Le rendement et la résolution spatiale ne sont cependant pas les seuls critères à prendre en considération pour le dimensionnement du transducteur 100.
Les inventeurs ont constaté, de manière surprenante, qu'en choisissant un nombre N d'éléments compris entre 12 et 18 et un rayon R1 du disque central 1 1 1 compris entre 10 mm et 15 mm, la plage de focalisation du transducteur multiéléments 100 est étendue de façon significative. En outre, son rendement est proche du niveau maximal, sa résolution spatiale est très bonne et les dimensions et espacements de ses divers éléments rendent sa réalisation possible avec des moyens d'usinage et d'assemblage courants. De plus, la technologie basée sur l'effet « capacitif » du transducteur lui procure une large bande passante, qui s'étend de 100 kHz
à 500 kHz à -20 dB. Cette large bande passante permet de choisir la fréquence de fonctionnement de manière à l'accorder sur l'une des fréquences de résonance de la structure à contrôler. Comme les caractéristiques de la tâche focale (amplitude de la pression et dimensions) dépendent de la fréquence, la distance de focalisation peut être ajustée de manière à optimiser le faisceau à émettre.
Une fois la fréquence de contrôle choisie, cette distance de focalisation Zf peut être ajustée de Zf-min = 40 mm jusqu'à une distance Zt-max égale à environ deux fois la distance de Fresnel (jusqu'à 350 mm à 300 kHz pour 16 éléments et R1 = 15 mm). À titre de comparaison, la bande passante du transducteur multiéléments de l'art antérieur (8 éléments de surface S = π. 7,872 mm2) vaut 100kHz - 500kHz et sa plage de focalisation est d'environ 30 mm à 1 10 mm.
Par ailleurs, avec un nombre N d'éléments compris entre 12 et 18, le transducteur 100 permet de régler plus finement la distance de focalisation, comparativement au transducteur de l'art antérieur équipé de seulement 8 éléments. En effet, plus ce nombre N est élevé, plus la loi de retards appliquée aux signaux d'excitation peut être définie précisément. Enfin, les caractéristiques géométriques du transducteur 100 offrent de bons compromis entre performances et difficultés de fabrication de la plaque arrière. En effet, une plaque arrière avec un nombre très élevé d'anneaux (> 20) de petite surface (R1 < 10 mm) peut être particulièrement difficile à usiner, notamment si elle est constituée d'un métal comme l'aluminium.
La distance d entre deux éléments 1 1 1 -1 12 consécutifs est avantageusement comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence comprise entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm. Grâce à ce faible espacement entre les éléments 1 1 1 -1 12, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 reste compact et peut donc être utilisé plus facilement.
Selon un exemple particulier de réalisation, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 comporte un disque central de rayon R1 égal à 10 mm et 15
anneaux concentriques de même surface active, soit au total 16 éléments conducteurs. La distance entre deux éléments consécutifs est constante et égale à 1 ,4 mm. La figure 5 représente un calcul de l'amplitude de la pression acoustique axiale p(z) (i.e. le long de l'axe Oz) rayonnée par cet exemple du transducteur selon l'invention (courbe en trait plein) et, à titre de comparaison, celle développée par le transducteur de l'art antérieur (courbe en traits pointillés). Sur cette figure, chacun des transducteurs focalise à sa propre distance de Fresnel. De la même façon, la figure 6 représente la pression acoustique transversale p(x) à la distance de focalisation (i.e. Zt = Df) pour ces deux transducteurs. La fréquence est la même dans les deux cas (300 kHz).
La figure 5 montre que la résolution axiale (dans la direction de l'axe acoustique Oz) est également améliorée, puisque le lobe principal de la pression acoustique axiale p(z) est plus étroit pour le transducteur à 16 éléments que pour le transducteur à 8 éléments. L'amélioration est ici d'environ 25 % (9 mm au lieu de 12 mm).
La figure 6 montre que la résolution latérale du faisceau ultrasonore calculé pour le transducteur à 16 éléments est plus fine d'environ 12 % que celle du transducteur à 8 éléments (1 ,4 mm contre 1 ,6 mm). Cette résolution latérale est mesurée, pour chaque courbe, en relevant la largeur à mi-hauteur (Pmax/2) du lobe principal de la pression acoustique transversale p(x). On constate en outre sur ces figures que l'amplitude Pmax du maximum de pression acoustique (à la distance de Fresnel Df) du transducteur à 16 éléments est près de deux fois supérieure à celle du transducteur à 8 éléments (945 contre 492 en unités arbitraires). Le rendement du transducteur à 16 éléments est par conséquent nettement plus élevé (d'un facteur 4) que celui du transducteur à 8 éléments.
Suite à des calculs numériques réalisés pour différentes distances de focalisation (toujours à une fréquence de 300 kHz), le tableau ci-dessous donne les ordres de grandeurs des performances pour le transducteur de l'art antérieur et deux exemples
du transducteur selon l'invention.
Les valeurs données en italique pour le transducteur de l'art antérieur à une distance de focalisation de 180 mm, hors de la plage de focalisation annoncée, sont données uniquement à titre comparatif (la pression y est bien plus faible par rapport au transducteur à 16 éléments).
Le transducteur ultrasonore multiéléments selon l'invention présente donc des performances plus élevées en termes de résolution spatiale et de rendement par rapport au traducteur multiéléments capacitif de l'art antérieur. Le rendement et la résolution élevés favorisent la détection et la localisation de défauts de petite taille (de l'ordre du millimètre), tandis que la large bande passante en fréquence permet un grand nombre d'applications. Plus particulièrement, le transducteur 100 permet de contrôler des pièces ou structures de forme complexe, constitués de matériaux très divers (métaux, matériaux polymères ou composites, bois, céramiques...). Enfin, contrairement à d'autres transducteurs de type capacitif, le transducteur 100 possède la faculté de pouvoir modifier dynamiquement la distance de focalisation. En effet, il est possible de créer une tâche focale avec une amplitude supérieure à la moitié de l'amplitude maximale sur des distances comprises entre 40 mm et environ deux fois la distance de Fresnel du transducteur. Il peut donc se substituer à une
pluralité de transducteurs ayant chacun une distance de focalisation fixe.
Outre le contrôle non-destructif, qui concerne principalement les applications industrielles (spatial, aéronautique, génie civil...), le transducteur ultrasonore multiéléments selon l'invention peut convenir à des applications dans le domaine de la télémétrie.
Une façon de fabriquer et d'assembler les composants du transducteur ultrasonore multiéléments 100 va maintenant être décrite en relation avec les figures 7A-7E et 8.
Les figures 7A à 7E représentent des étapes S1 à S5 d'un procédé de fabrication de la plaque arrière 1 10 comprenant le disque central et les anneaux concentriques. Ce procédé permet de fabriquer simplement et à moindre coût une plaque arrière munie d'un disque central et d'au moins un anneau concentrique. Il est applicable quel que soit le nombre N d'éléments, le rayon R1 du disque central et l'espacement d entre les éléments (dans les limites de la fabrication par usinage). Il s'avère particulièrement bénéfique pour un nombre élevé d'anneaux (N>10), comme dans le cas du transducteur selon l'invention. À l'étape S1 de la figure 7A, des gorges annulaires 800 sont usinées dans un disque métallique 801 , de préférence en aluminium. Les gorges 800 sont concentriques et destinées à délimiter les éléments de la plaque arrière. Dans l'exemple représenté, l'épaisseur du disque métallique 801 est de 10 mm, tandis que les gorges 800 ont une profondeur d'environ 7 mm. Par conséquent, les gorges 800 ne s'entendent pas sur toute l'épaisseur du disque métallique 801 . Les gorges ont de préférence la même largeur, par exemple 1 ,4 mm, afin que les éléments de la plaque arrière soient régulièrement espacés.
À l'étape S2 (Fig.7B), un matériau diélectrique est déposé dans les gorges 800 jusqu'à former une couche 802 de matériau diélectrique en surplus sur la face supérieure du disque métallique 801 . Le matériau diélectrique est une colle, de préférence une résine époxy bi-composants.
Puis, en S3 (Fig.7C), le disque métallique 801 recouvert de la couche de résine 802 est inséré dans un support de plaque-arrière 803 en matériau isolant électriquement, par exemple en polychlorure de vinyle (PVC). Le support 803 comprend un logement 804 aménagé pour recevoir le disque métallique 801 . Le disque métallique 801 est poussé dans le logement 804 jusqu'à ce que la couche de résine 802 entre en contact avec le fond du logement 804. La résine remplit plusieurs fonctions, dont celle de coller le disque métallique 801 dans le support 803. De préférence, le logement 804 présente une hauteur égale à l'épaisseur du disque métallique 801 (10 mm) et l'épaisseur totale du support 803 est par exemple de 15 mm. Le logement 804 présente un diamètre légèrement supérieur à celui du disque 801 , afin que la résine déborde à la périphérie du disque, dans l'espace situé entre le disque métallique 801 et la paroi latérale du support 803.
Une rainure 806 est avantageusement aménagée à travers le fond du logement 804, jusqu'à la face supérieure du support 803. Lorsque le disque métallique 801 est pressé contre le fond du logement 804, l'excédent de résine flue et s'évacue par cet orifice. Un trou de perçage (non représenté sur la figure 7C) peut aussi être aménagé dans la paroi latérale du support 803, en substitution ou en complément de la rainure 806, afin d'évacuer l'excédent de résine.
L'étape S4 de la figure 7D consiste à usiner, de préférence à l'aide d'un tour, les portions inférieures du disque métallique 801 et du support 803 jusqu'à atteindre la résine située dans les gorges 800, par exemple sur une épaisseur d'environ 4 mm. Les gorges 800 remplies de colle deviennent ainsi traversantes, c'est-à-dire qu'elles s'étendent d'une face à l'autre de la plaque métallique. On sépare ainsi les différentes portions du disque métallique 801 destinées à former les éléments conducteurs de la plaque arrière du transducteur. La résine disposée entre les éléments conducteurs assure leur maintien en un seul bloc et les isole électriquement les uns des autres.
L'usinage de l'étape S4 est avantageusement effectué de façon à ce que la plaque arrière 1 10 et le support 803 présentent une surface « rectifiée » plane. Ainsi, on réduit le risque de détériorer (par cisaillement) la membrane 120 disposée
ultérieurement sur cette surface.
Lors de l'étape S4, la rainure 806 peut être également agrandie par fraisage, afin d'offrir un accès, en face arrière 1 10a de la plaque arrière, à tous les éléments conducteurs de la plaque arrière. Cet accès est destiné aux connecteurs électriques de la plaque arrière.
De préférence, le procédé de fabrication comprend en outre une étape de préparation S5 de la surface active de la plaque arrière 1 10 (collée dans le support 803), afin de créer des microcavités (de l'ordre du pm). Cette étape S5 est illustrée par la figure 7E et comprend au moins une opération de micro-sablage. Les microcavités sont formées en face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10 par la projection de grains durs dont le diamètre est déterminant pour conférer une large bande passante en fréquence et un rendement optimal au transducteur ultrasonore multiéléments.
L'étape de préparation S5 de la face avant 1 10b est préférentiellement composée de plusieurs sous-étapes : au moins une opération de polissage, une opération de micro-sablage et une opération de nettoyage. En effet, l'outil à dresser utilisé lors de l'usinage de la plaque arrière 1 10 (à l'étape S4) laisse un état de surface grossier. En particulier, la face (active) avant 1 10b de la de plaque arrière 1 10 présente des aspérités de dimensions bien plus importantes que les microcavités recherchées. Il est donc nécessaire de supprimer ces irrégularités avant de créer les microcavités par sablage.
Tout d'abord, une surface dite de référence de type miroir est réalisée par polissage, par exemple en passant successivement des papiers verre de granulométrie croissante (180, 400, 800 puis 1200 grains/cm2) puis en utilisant successivement des pâtes diamantées de 3 pm, 1 pm et ¼ pm en rugosité. Le sablage est ensuite effectué en projetant sur la face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10 une poudre abrasive (par exemple du Corindon blanc F400 de granulométrie moyenne égale à 17 pm), de préférence sous une pression de 5 bars avec une buse de 1 ,8 mm de diamètre. L'ensemble constitué par la plaque arrière 1 10 et le support 803 est de
préférence tenu à une dizaine de centimètres de la buse. Le sablage est effectué jusqu'à l'obtention d'une surface uniforme (à l'œil nu) en face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10. Enfin, l'ensemble plaque arrière-support est nettoyé pour éliminer les particules générées par les opérations de polissage et de sablage, puis séché. Le nettoyage est par exemple effectué dans un bain à ultrasons.
La figure 8 représente un mode de mise en œuvre préférentiel de l'étape d'assemblage de plaque arrière 1 10 avec la membrane 120 et d'autres composants du transducteur ultrasonore multiéléments 100.
La membrane 120 est déposée sur la face avant 1 10b de la plaque arrière 1 10, en orientant sa face conductrice métallisée (en aluminium) vers l'extérieur. La membrane 120 a été précédemment découpée autour d'un gabarit cylindrique de diamètre supérieur au diamètre de la plaque arrière 1 10, afin que le bord périphérique de la membrane 120 repose sur le support isolant 803. Ainsi, la membrane 120 couvre toute la surface active de la plaque arrière 1 10 et, par exemple, la moitié de la largeur du support isolant 803.
Une bague de maintien 900 (par exemple en aluminium), de diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre de la plaque arrière 1 10, est déposée sur la face avant de la membrane 120, à l'aplomb du support 803 situé de l'autre côté de la membrane, c'est-à-dire en face arrière. La bague de maintien 900 présente avantageusement un chanfrein sur son diamètre intérieur et un état de surface rectifié miroir afin de ne pas endommager ultérieurement la membrane lors du montage ou du fonctionnement du transducteur 100.
Par ailleurs, un connecteur électrique 901 est disposé dans la rainure 806 du support 803, en contact avec la face arrière des différents éléments conducteurs. Le connecteur électrique 901 est relié par un ensemble de fils électriques 902 à une électronique de commande (non représentée sur la figure 8) comprenant une source d'alimentation et/ou un circuit de traitement. Le connecteur 901 servira, ultérieurement, à acheminer des signaux d'excitation alternatifs aux éléments conducteurs (lorsque le transducteur est en mode émetteur) ou à récupérer des
signaux de mesure (lorsque le transducteur est configuré en mode récepteur).
Le connecteur électrique 901 permet également d'appliquer une tension de polarisation continue (de préférence entre 30 V et 100 V) aux éléments conducteurs de la plaque arrière 1 10, tandis que la bague de maintien 900, électriquement conductrice, assure la mise à la masse de la membrane 120 (cf. également Fig .1 ). Sous l'effet de cette tension de polarisation, la membrane 120 se tend. La tension de polarisation continue est maintenue pendant le montage du transducteur, puis lors de son fonctionnement. Une membrane parfaitement tendue, sans aucune bulle d'air emprisonnée entre la membrane et la plaque arrière 1 10, garantit un rendement final optimal.
Puis, l'assemblage de ces différents composants (plaque arrière dans son support, membrane et bague de maintien) est effectué à l'intérieur d'un boîtier cylindrique 903 (en matériau conducteur, par exemple en aluminium) jusqu'à ce que la bague de maintien 900 vienne en butée contre le fond du boîtier 903. Le fond du boîtier 903 possède une ouverture 904 circulaire, de diamètre égal au diamètre intérieur de la bague de maintien 900, qui laisse entrevoir la membrane 120. Enfin, un capot arrière 905 (en matériau électriquement conducteur, par exemple en aluminium) est fixé au boîtier cylindrique 903, en regard de la plaque arrière 1 10, par exemple au moyen de plusieurs vis. Le capot arrière 905 est muni d'une portion en saillie 906, qui vient en butée contre le support 803 de la plaque arrière 1 10. Lorsque le capot 905 est vissé sur le boîtier cylindrique 903, cette portion en saillie 906 appuie sur le support 803, de manière à amener la membrane 120 en butée contre la bague de maintien 900 (qui est blottie au fond du boîtier 903).
À l'issue de cet assemblage, le transducteur ultrasonore multiéléments 100 est opérationnel.
De nombreuses variantes et modifications du procédé de fabrication selon l'invention apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, ce procédé n'est pas limité à l'ordre des étapes d'assemblage qui vient d'être décrit en référence à la figure 8. Il est
notamment possible d'introduire successivement la bague de maintien 900, la membrane 20 et la plaque arrière 1 10 dans le boîtier cylindrique 903, plutôt que d'introduire l'ensemble de ces éléments simultanément. Par ailleurs, d'autres façons de relier les éléments conducteurs de la plaque arrière à l'électronique de commande peuvent être envisagées.
Claims
1 . Transducteur (100) ultrasonore multiéléments capacitif à couplage air comprenant :
- une membrane (120) ayant une face électriquement conductrice ; et
- une pluralité d'éléments conducteurs indépendants électriquement, composée d'un disque central (1 1 1 ) et de plusieurs anneaux (1 12) disposés de façon concentrique avec le disque central, les éléments conducteurs ayant chacun une face disposée en regard de la membrane (120) et lesdites faces des éléments conducteurs étant de même superficie (S) ;
caractérisé en ce que le disque central (1 1 1 ) présente un rayon (R1 ) compris entre 10 mm et 15 mm et en ce que le nombre (N) des éléments conducteurs est compris entre 12 et 18.
2. Transducteur (100) selon la revendication 1 , dans lequel les éléments conducteurs sont séparés d'une distance (d) comprise entre 1 mm et 1 ,8 mm, et de préférence entre 1 ,4 mm et 1 ,6 mm.
3. Transducteur (100) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les éléments conducteurs sont au nombre (N) de 16 et dans lequel le disque central
(1 1 1 ) présente un rayon (R1 ) égal à 10 mm.
4. Transducteur (100) selon la revendication 3, dans lequel les éléments conducteurs sont espacés d'une distance (d) égale à 1 ,4 mm.
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