WO2023247639A1 - Transducteur ultrasonique pour application à haute température - Google Patents

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WO2023247639A1
WO2023247639A1 PCT/EP2023/066838 EP2023066838W WO2023247639A1 WO 2023247639 A1 WO2023247639 A1 WO 2023247639A1 EP 2023066838 W EP2023066838 W EP 2023066838W WO 2023247639 A1 WO2023247639 A1 WO 2023247639A1
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WO
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electrode
piezoelectric
acoustic wave
metallic material
acoustic
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/066838
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English (en)
Inventor
Frédéric NAVACCHIA
Dang Chi NGUYEN
Guy FEUILLARD
Louis Pascal TRAN HUU HUE
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Institut National Des Sciences Appliquees Centre Val De Loire
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0677—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a high impedance backing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0681—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a damping structure
    • B06B1/0685—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a damping structure on the back only of piezoelectric elements

Definitions

  • the invention relates to an acoustic transducer intended for non-destructive testing, obstacle detection, telemetry, etc. operations. in environments that can be placed at high temperature, under high pressure, for example in a nuclear installation.
  • Non-destructive testing by ultrasound is well suited to monitoring structures, in order to monitor resistance to aging and the appearance of possible defects, or for telemetry or obstacle detection operations.
  • Some applications are performed in high temperature and/or high pressure environments. This is for example the case in the field of aircraft engines, or the oil industry, or in nuclear reactors.
  • FIG. IA schematically shows an IAA ultrasonic transducer of the prior art, intended to be used in a high temperature environment.
  • high temperature we generally mean a temperature above 200°C, or above 600°C.
  • the active elements of the transducer are arranged in a housing 2.
  • the active elements include a piezoelectric converter 10, formed of a piezoelectric material, interposed between a front electrode 11 and a rear electrode 12. Each electrode is connected to an electrical circuit 20 The front electrode is placed facing an inlet opening 15 provided in the housing 2.
  • a piezoelectric converter 10 formed of a piezoelectric material
  • the piezoelectric converter Under the effect of the application of an alternating voltage between the electrodes, the piezoelectric converter generates an acoustic wave EW.
  • the emitted acoustic wave EW propagates towards a medium 3 external to the enclosure 2, through the opening 15.
  • the transducer may include a blade 14 allowing an adaptation of acoustic impedance between the transducer and the external medium 3. The transducer thus operates in a transmission mode.
  • the transducer can also operate in a reception mode, during which an acoustic wave RW propagates from the external environment 3 towards the transducer.
  • the received acoustic wave RW causes vibration of the piezoelectric converter. This results in a appearance of an alternating voltage across the electrodes 11 and 12.
  • the transducer thus operates in a reception mode.
  • the piezoelectric material can be lithium niobate, as described in patent US9425384.
  • Figure IB represents a timing diagram of the vibration amplitude of an electrical transducer of the prior art, following reception of an acoustic wave.
  • the y-axis corresponds to the amplitude of the vibration wave of the piezoelectric converter, as measured by the electrical circuit, while the x-axis corresponds to time.
  • the emission is triggered by an application of an alternating voltage for a few microseconds to a few tens of microseconds.
  • the vibration of the piezoelectric converter extends over a much longer duration, of the order of a few hundred ps (microseconds). This results in a degradation of transducer performance.
  • the damping back of a transducer can be formed of a polymer doped with particles of high density, for example particles of tungsten or lead.
  • particles of high density for example particles of tungsten or lead.
  • such a composition is not suitable for high temperature application.
  • the inventors have developed an ultrasonic transducer, intended to be used under strong irradiation, and under high temperature, or exposed to strong temperature gradients, and this for a significant operating time, greater than a few years, or even a few tens of years. 'years.
  • a first object of the invention is an acoustic transduction device, comprising
  • a piezoelectric converter formed of a piezoelectric material, interposed between a front electrode and a rear electrode;
  • - a housing, containing the piezoelectric converter, the front electrode and the rear electrode;
  • the device being configured to emit an acoustic wave towards the front opening or to detect an acoustic wave propagating from the front opening; the device comprising a rear component, applied against the rear electrode or forming the rear electrode, the rear component forming a shock-absorbing back of the device, the device being characterized in that the rear component is a porous metallic material whose melting temperature is greater than 200°C.
  • the device may include one of the following characteristics, taken individually or in technically feasible combinations.
  • the rear component forms the rear electrode.
  • the melting temperature of the metallic material is greater than 600 °C.
  • the piezoelectric material has a Curie temperature and the melting temperature of the metallic material is greater than the Curie temperature of the piezoelectric material;
  • the Curie temperature of the piezoelectric material is greater than 1000°C.
  • the volume fraction of the pores of the porous metallic material is between 20% and 60% or between 25% and 50% or between 25% and 40%.
  • the average size of the pores is less than 100 ⁇ m, the average size corresponding to an average diameter of each pore.
  • the piezoelectric material is chosen from lithium niobate or barium titanate.
  • the metallic material comprises at least one element chosen from: Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al.
  • the metal material is a stainless steel type alloy.
  • Another object of the invention is a use of a device according to the first object of the invention for emitting or receiving an acoustic wave, the emitted or received acoustic wave propagating through the opening, the device being arranged in an environment whose temperature is greater than 200°C.
  • Figure IA schematizes a transducer according to the prior art.
  • Figure IB a vibration of a transducer.
  • Figure 2A represents a first embodiment of a transducer according to the invention.
  • Figure 2B represents a second embodiment of a transducer according to the invention.
  • Figure 3A schematically shows a poor impedance matching between a piezoelectric converter and a component forming a shock absorber back, assembled to the converter.
  • Figure 3B shows a good impedance matching between a piezoelectric converter and a component forming a damping back, assembled to the converter.
  • Figure 4 schematically shows a test bench, aimed at determining the propagation speed of an acoustic wave through different materials.
  • Figures 5A and 5B show detection echograms obtained with the test bench shown schematically in Figure 4, respectively in the presence and in the absence of the sample studied.
  • Figure 6A represents the propagation speed (or celerity) of an acoustic wave (y axis - unit ms 1 ) as a function of the volume fraction of the pores (x axis - %).
  • Figure 6B represents the acoustic impedance of a porous stainless steel material (y-axis - Rayls unit x 10 7 ) as a function of the volume fraction of the pores (x-axis - %).
  • Figure 6C represents a linear attenuation coefficient (y-axis - unit dB/mm) as a function of the pore volume fraction (x-axis - %).
  • FIG. 2A illustrates a first embodiment of a transducer 1 according to the invention.
  • the transducer comprises a converter 10 formed by a piezoelectric material, interposed between a front electrode 11 and a rear electrode 12.
  • the assembly, formed by the piezoelectric converter 10, the front electrode and the rear electrode, a housing 2 is arranged comprising an opening 15.
  • the front electrode 11 extends between the opening 15 and the piezoelectric converter 10.
  • the device preferably comprises an acoustic impedance matching blade 14, interposed between the front electrode 11 and the opening 15.
  • the impedance matching blade is for example made of aluminum.
  • the transducer is connected to an electrical circuit 20, making it possible to apply or measure an alternating voltage between the front electrode and the rear electrode.
  • an acoustic wave EW is emitted through the opening 15, and propagates through an ambient medium 3.
  • the medium ambient can in particular be liquid or solid. It can be water, a liquid material or a solid material.
  • an alternating electrical signal is detected by the electrical circuit 20, the amplitude of which corresponds to the amplitude of vibration of the piezoelectric converter under the effect of reception of the acoustic wave RW.
  • the piezoelectric converter 10 can take the form of a disk with a thickness of 1 mm and a diameter of between 5 mm and 50 mm.
  • the material used is compatible with use at high temperatures, for example between 200°C and 700°C, or even more, for example above 1000°C.
  • the piezoelectric material can be Lithium Niobate (LiNbOs).
  • the resonant frequency of the piezoelectric converter can be from a few hundred kHz up to several MHz, for example 4 MHz or 5 MHz.
  • the thickness of each electrode can be of the order of 1 mm.
  • Each electrode can take the shape of a disk, the diameter of which corresponds to that of the piezoelectric converter 10.
  • the electrical circuit 20 is connected to a central unit 30, configured to control the electrical circuit when the transducer operates in transmission mode and/or analyze the voltage measured between the electrodes when the transducer operates in reception mode.
  • the transducer 1 comprises a rear component 13, applied against the rear electrode 12.
  • the rear component is intended to form a “damping back” with respect to the piezoelectric converter 10. As mentioned in the prior art, it is acts to attenuate the echoes of the acoustic wave transmitted towards the rear of the piezoelectric converter.
  • Back thickness shock absorber is preferably greater than 5 mm, or even 10 mm. It can be between 10 mm and 100 mm, for example 40 mm.
  • the shock-absorbing back 13 is formed by a porous metallic material (pure metal or metal alloy), the melting temperature of which is greater than 200°C, and preferably greater than 600°C or 700 °C, and preferably at 1000 °C. It may for example be a steel, for example stainless steel, or aluminum, or a metal chosen from: Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al. may be a metal alloy such as bronze or brass.
  • the shock absorber back can be formed from the same material as the rear electrode, making their assembly easier.
  • An advantage of the metallic material, in particular stainless steel, is the good resistance to corrosion and ionizing radiation, in particular neutrons or gamma, which makes it compatible with use in a nuclear installation.
  • the shock absorber back is formed of the same material as the rear electrode, in this case a conductive metal, a phase of assembling the back on the electrode is avoided.
  • the shock absorber back is made of ceramic, the assembly involves the use of glue or brazing.
  • glue or brazing Such an assembly may not be resistant over time, particularly when the transducer is subjected to strong thermal gradients.
  • the respective thermal expansion coefficients of a ceramic and a metal electrode are generally different from each other. This can lead to degradation of the assembly over time, particularly during repeated exposure to strong thermal gradients.
  • the material forming the piezoelectric converter 10 has a Curie temperature, beyond which it is considered that the piezoelectric behavior disappears. It is preferable that the melting temperature of the metallic material forming the shock-absorbing back is greater than the Curie temperature of the piezoelectric converter. Lithium niobate has a Curie temperature above 1100°C.
  • FIG 2B schematically shows an embodiment in which the shock absorber back and the rear electrode form the same part.
  • the rear electrode is formed from the porous, electrically conductive metallic material.
  • the damping back 13 is configured to maximize transmission of a vibration wave produced by the piezoelectric transducer, and minimize reflection of said wave.
  • FIGs 3A and 3B there is shown a configuration as shown in Figure 2B, in which the piezoelectric converter 10 is directly arranged in contact with the shock-absorbing back 13, the latter acting as a rear electrode.
  • the transmission coefficient T corresponds to a ratio between the amplitude of a wave, called incident wave, propagating from the piezoelectric converter 10 and incident on the damping back 13, this amplitude being denoted Ai in Figures 3A and 3B; the amplitude of a transmitted wave A t , which corresponds to the part of the incident wave propagating through the damping back.
  • the reflection coefficient R corresponds to a ratio between: the amplitude of the incident wave Ai; the amplitude of a reflected wave A r , which corresponds to the part of the incident wave reflected by the damping back 13 and propagating towards the piezoelectric converter 10.
  • Figure 3A schematizes a configuration according to which the reflection coefficient is, in absolute value, high and the transmission coefficient is low.
  • a degradation of the spatial resolution of the measurement results.
  • Figure 3B schematizes a configuration according to which the reflection coefficient is close to 0, and the transmission coefficient is close to 1, which corresponds to an ideal case.
  • the formation of echoes at the interface between the piezoelectric converter 10 and the damping back 13 is low. This results in a shorter emitted (or detected) acoustic wave, which favors the temporal resolution of the measurement.
  • the invention aims to get closer to this configuration.
  • Expression (3) shows that such a configuration is obtained if the acoustic impedances of the two contiguous media are close to each other, in other words Z x ⁇ Z 2 .
  • the acoustic impedance of the piezoelectric converter 10 is generally a few tens of MRayls, typically between 25 and 40 MRayls (Mega Rayls), to be compared with the acoustic impedance of air, which is 430 Rayls or that of the water, which is 1.5 MRayls.
  • the configuration shown in Figure 3A corresponds to a piezoelectric/air converter interface.
  • the configuration shown in Figure 3B corresponds to a piezoelectric converter/porous metal shock absorber interface that we wish to obtain.
  • the impedance and acoustic attenuation of the damping back 13 are controlled by the size and volume fraction of the air-filled pores.
  • Various experimental tests were carried out, in order to define ranges of pore sizes and volume fractions making it possible to obtain a transmission coefficient close to 1 and sufficient attenuation. It should be noted that the effect, on the impedance, of the size of the pores, and their volume fraction, depends on the material used. The values obtained on one material cannot be transposed to another material.
  • a key parameter is the acoustic propagation speed c, from which the acoustic impedance Z can be calculated according to the expression:
  • Figure 4 schematically shows an echometry test bench 100.
  • Metal samples 103 of different porosities are placed between an acoustic transmitter 101 and an acoustic receiver 102.
  • the assembly is immersed in water 104.
  • Figure 5A represents a pulse received by the acoustic receiver 102 in the absence of a sample interposed between the transmitter and the receiver, t corresponds to an instant of detection of the acoustic wave.
  • the y-axis corresponds to amplitude and the x-axis corresponds to time.
  • the propagation of the acoustic wave through the water 104 is shown by a dotted arrow.
  • Figure 5B shows the pulses received by the acoustic receiver 102 after a sample 103, of thickness e, has been interposed between the transmitter and the receiver.
  • the y-axis corresponds to amplitude and the x-axis corresponds to time.
  • the propagation of the acoustic wave through the water 104 is shown by a solid line arrow.
  • two pulses are detected: a first pulse, at time t 1 ( corresponds to the wave having propagated through the sample, without reflection.
  • the instant t x is before the instant t, due to the speed of propagation of the acoustic wave being greater in the sample 103 than in the water 104.
  • c w denotes the speed of acoustic propagation in water.
  • Samples of type 316L stainless steel of varying thicknesses (5 mm or 10 mm), presenting different porosity volume fractions (between 25% and 53%) and different average pore sizes (average diameter between 2 p.m. and 60 p.m.).
  • the table below presents the characteristics of the samples tested.
  • Each sample 103 was in the form of a plate measuring 50 mm by 50 mm.
  • the porosity volume fraction of each sample was determined by measuring the density.
  • the average pore sizes were determined by optical microscopy. Table 1 shows the main characteristics of the tested samples.
  • Figure 6A shows the propagation speeds of the acoustic wave determined from expression (6), as a function of the porosity volume fraction.
  • the ordinate axis corresponds to the speed (unit ms -1 ) and the abscissa axis corresponds to the porosity (%).
  • Figure 6B shows the acoustic impedance, calculated according to (4), from the knowledge of the density p of the materials tested and the celerities obtained by implementing expression (6).
  • the ordinate axis corresponds to the speed (unit m/s) and the abscissa axis corresponds to the volume fraction of the pores (%).
  • a linear attenuation coefficient was determined, per millimeter, denoted a, taking into account: the thickness of the sample e when considering Att a ; twice the thickness e of the sample when we consider Att b .
  • Figure 6C represents the attenuation coefficients a obtained from expression (7).
  • the y-axis corresponds to the attenuation (unit dB/mm) and the x-axis corresponds to the pore volume fraction (%).
  • each point corresponds to a measured value.
  • the interpolation is linear.
  • the function resulting from the interpolation is polynomial.
  • Figure 6B makes it possible to define a range of porosity volume fraction, expressed in%, for which the impedance is sufficiently close to the impedance of the piezoelectric material, that is to say in the range 10 - 40 MRayls. According to Figure 6B, this corresponds to a volume fraction of porosity less than 50%.
  • Figure 6C makes it possible to define a range of porosity volume fraction, expressed in%, for which the attenuation is sufficient.
  • sufficient attenuation we mean an attenuation coefficient a greater than or equal to 1 dB/mm. According to Figure 6C, this corresponds to a porosity volume fraction greater than 25%.
  • the optimal porosity range is that for which: the impedance of the porous metallic material forming the damping back is sufficiently high (close to the impedance of the piezoelectric material), knowing that the impedance decreases with the volume fraction of porosity: cf. Figure 6B; the attenuation is sufficiently high, knowing that the linear attenuation coefficient a increases with the volume fraction of porosity: cf. Figure 6C.
  • the optimal range of porosity volume fraction is between 25% and 50%.
  • the optimal porosity volume fraction range may be different for another material.
  • the characteristics of the porous metallic material forming the damping back 13 of the transducer are: an average pore diameter of less than 500 pm, and less than 200 pm or 100 pm; and/or a porosity volume fraction of between 20% and 60%, and preferably between 25% and 50%, and even more preferably between 25% and 40%.
  • the piezoelectric material forming the converter is made of lithium niobate.
  • Other piezoelectric materials suitable for high temperature environments can be used, for example barium titanate
  • BaTiO 3 bismuth titanate
  • AIN aluminum nitride
  • langatates lanthanum oxide, gallium and tantalum
  • the transducer according to the invention can be used in any application under high temperature, for non-destructive testing or diagnostic or telemetry or obstacle detection or flow measurement purposes.

Abstract

Dispositif de transduction acoustique, comportant - un convertisseur piézoélectrique (10), interposé entre une électrode avant (11) et une électrode arrière (12), formé d'un matériau piézoélectrique; - une ouverture avant (15), disposée de telle sorte que l'électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l'ouverture avant (15); - le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique (EW) vers l'ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique (RW) se propageant depuis l'ouverture avant; - le dispositif comportant un composant arrière (13), appliqué contre l'électrode arrière ou formant l'électrode arrière, le composant arrière formant un dos amortisseur acoustique du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière comporte un métal poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C.

Description

Description
Titre :Transducteur ultrasonique pour application à haute température
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un transducteur acoustique destiné à des opérations de contrôle non destructif, de détection d'obstacles, de télémétrie etc. dans des environnements pouvant être placés sous haute température, sous haute pression par exemple dans une installation nucléaire.
ART ANTERIEUR
Le contrôle non destructif par ultrasons est bien adapté à la surveillance de structures, de façon à suivre la résistance au vieillissement et l'apparition d'éventuels défauts, ou pour des opérations de télémétrie ou de détection d'obstacles. Certaines applications sont effectuées dans des environnements à haute température et ou haute pression. C'est par exemple le cas dans le domaine des moteurs d'avion, ou de l'industrie pétrolière, ou dans des réacteurs nucléaires.
La figure IA schématise un transducteur ultrasonore IAA de l'art antérieur, destiné à être utilisé dans un environnement à haute température. Par haute température, on entend généralement une température supérieure à 200°C, ou supérieure à 600 °C. Les éléments actifs du transducteur sont disposés dans un boîtier 2. Les éléments actifs comprennent, un convertisseur piézoélectrique 10, formé d'un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant 11 et une électrode arrière 12. Chaque électrode est reliée à un circuit électrique 20. L'électrode avant est disposée face à une ouverture d'entrée 15 ménagée dans le boîtier 2. Une telle architecture est décrite dans le US2014215784.
Sous l'effet de l'application d'une tension alternative entre les électrodes, le convertisseur piézoélectrique génère une onde acoustique EW. L'onde acoustique émise EW se propage vers un milieu 3 extérieur à l'enceinte 2, à travers l'ouverture 15. Le transducteur peut comporter une lame 14 permettant une adaptation d'impédance acoustique entre le transducteur et le milieu extérieur 3. Le transducteur fonctionne ainsi selon un mode d'émission.
Le transducteur peut également fonctionner selon un mode de réception, au cours duquel une onde acoustique RW se propage depuis le milieu extérieur 3 vers le transducteur. L'onde acoustique reçue RW entraîne une vibration du convertisseur piézoélectrique. Il en résulte une apparition d'une tension alternative aux bornes des électrodes 11 et 12. Le transducteur fonctionne ainsi selon un mode de réception.
Pour des applications en haute température, le matériau piézoélectrique peut être le niobate de lithium, comme décrit dans le brevet US9425384.
La figure IB représente un chronogramme de l'amplitude de vibration d'un transducteur électrique de l'art antérieur, suite à une réception d'une onde acoustique. L'axe des ordonnées correspond à l'amplitude de l'onde de vibration du convertisseur piézoélectrique, telle que mesurée par le circuit électrique, tandis que l'axe des abscisses correspond au temps. L'émission est déclenchée par une application d'une tension alternative pendant quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. Cependant la vibration du convertisseur piézoélectrique s'étend selon une durée bien plus longue, de l'ordre de quelques centaines de ps (microsecondes). Il en résulte une dégradation des performances du transducteur.
Afin d'adresser ce problème, il est connu de relier l'électrode arrière avec un élément, formant un « dos amortisseur », usuellement désigné par le terme « backing element ». La fonction principale du dos amortisseur est d'atténuer, au niveau de l'électrode arrière, la vibration de l'assemblage formé par le convertisseur piézoélectrique et les électrodes. Dans l'art antérieur, le dos amortisseur d'un transducteur peut être formé d'un polymère dopé avec des particules de masse volumique élevée, par exemple des particules de tungstène ou de plomb. On parle également de composite particulaire. La répartition aléatoire des particules induit des réflexions multiples et l'onde acoustique s'atténue par interférences destructives. Cela permet de réduire la durée de l'impulsion acoustique du transducteur. Cependant, une telle composition n'est pas adaptée à une application à haute température.
La publication "Porous ceramics as backing element for high temperature transducers", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 62, n°12, pp 360-372, 2015, décrit un transducteur, destiné à une utilisation sous haute température. Le transducteur comporte un dos amortisseur, relié à une électrode, constitué d'une céramique poreuse. Le recours à une céramique permet d'être compatible avec une mise en œuvre à une température élevée. Cependant, la fabrication d'un tel transducteur nécessite un assemblage de la céramique, formant le dos amortisseur, sur l'électrode. Une incertitude subsiste quant à la tenue, dans le temps, d'un tel assemblage. La résistance de céramiques poreuses à une exposition à des fortes irradiations est également incertaine. WO2016/124941 décrit un dispositif d'émission d'une onde acoustique comportant un dos amortisseur formé d'une mousse métallique.
Les inventeurs ont développé un transducteur à ultrasons, destiné à être utilisé sous forte irradiation, et sous haute température, ou exposé à de forts gradients de température, et cela pendant une durée de fonctionnement importante, supérieure à quelques années, voire à quelques dizaines d'années.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un premier objet de l'invention est un dispositif de transduction acoustique, comportant
- un convertisseur piézoélectrique, formé d'un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant et une électrode arrière;
- un boîtier, contenant le convertisseur piézoélectrique, l'électrode avant et l'électrode arrière ;
- une ouverture avant, ménagée dans le boîtier, disposée de telle sorte que l'électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l'ouverture avant; le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique vers l'ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique se propageant depuis l'ouverture avant ; le dispositif comportant un composant arrière, appliqué contre l'électrode arrière ou formant l'électrode arrière, le composant arrière formant un dos amortisseur du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière est un matériau métallique poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C.
Le dispositif peut comporter l'une des caractéristiques suivantes, prise isolément ou selon les combinaisons techniquement réalisables.
- le composant arrière forme l'électrode arrière.
- la température de fusion du matériau métallique est supérieure à 600 °C.
- le matériau piézoélectrique présente une température de Curie et la température de fusion du matériau métallique est supérieure à la température de Curie du matériau piézoélectrique ;
- la température de Curie du matériau piézoélectrique est supérieure à 1000°C.
- la fraction volumique des pores du matériau métallique poreux est comprise entre 20% et 60% ou entre 25% et 50 % ou entre 25% et 40%.
- les pores sont remplis d'air.
- la taille moyenne des pores est inférieure à 100 pm, la taille moyenne correspondant à un diamètre moyen de chaque pore. - le matériau piézoélectrique est choisi parmi le niobate de lithium ou le titanate de baryum.
- le matériau métallique comporte au moins un élément choisi parmi : Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al.
- le matériau métallique est un alliage de type acier inoxydable.
Un autre objet de l'invention est une utilisation d'un dispositif selon le premier objet de l'invention pour émettre ou recevoir une onde acoustique, l'onde acoustique émise ou reçue se propageant à travers l'ouverture, le dispositif étant disposé dans un milieu dont la température est supérieure à 200°C.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.
FIGURES
La figure IA schématise un transducteur selon l'art antérieur.
La figure IB une vibration d'un transducteur.
La figure 2A représente un premier mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention.
La figure 2B représente un deuxième mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention.
La figure 3A schématise une mauvaise adaptation d'impédance entre un convertisseur piézoélectrique et un composant formant un dos amortisseur, assemblé au convertisseur.
La figure 3B schématise une bonne adaptation d'impédance entre un convertisseur piézoélectrique et un composant formant un dos amortisseur, assemblé au convertisseur.
La figure 4 schématise un banc d'essais, visant à déterminer une vitesse de propagation d'une onde acoustique à travers différents matériaux.
Les figures 5A et 5B montrent des échogrammes de détection obtenus avec le banc d'essai schématisé sur la figure 4, respectivement en présence et en l'absence d'échantillon étudié.
La figure 6A représente la vitesse de propagation (ou célérité) d'une onde acoustique (axe des ordonnées - unité m.s 1) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %). La figure 6B représente l'impédance acoustique d'un matériau en acier inoxydable poreux (axe des ordonnées - unité Rayls x 107) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %).
La figure 6C représente un coefficient d'atténuation linéaire (axe des ordonnées - unité dB/mm) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %).
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La figure 2A illustre un premier mode de réalisation d'un transducteur 1 selon l'invention. Comme décrit en lien avec l'art antérieur, le transducteur comporte un convertisseur 10 formé par un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant 11 et une électrode arrière 12. L'assemblage, formé par le convertisseur piézoélectrique 10, l'électrode avant et l'électrode arrière, est disposé un boîtier 2 comportant une ouverture 15. L'électrode avant 11 s'étend entre l'ouverture 15 et le convertisseur piézoélectrique 10. Le dispositif comporte de préférence une lame d'adaptation d'impédance acoustique 14, interposée entre l'électrode avant 11 et l'ouverture 15. La lame d'adaptation d'impédance est par exemple formée d'aluminium.
Le transducteur est relié à un circuit électrique 20, permettant d'appliquer ou de mesurer une tension alternative entre l'électrode avant et l'électrode arrière. Comme décrit en lien avec l'art antérieur, sous l'effet d'une application d'une brève tension alternative, une onde acoustique EW est émise à travers l'ouverture 15, et se propage à travers un milieu ambiant 3. Le milieu ambiant peut notamment être liquide ou solide. Il peut s'agir d'eau, d'un matériau liquide ou d'un matériau solide. Sous l'effet d'une réception d'une onde acoustique RW, un signal électrique alternatif est détecté par le circuit électrique 20, dont l'amplitude correspond à l'amplitude de vibration du convertisseur piézoélectrique sous l'effet de la réception de l'onde acoustique RW.
Le convertisseur piézoélectrique 10 peut prendre la forme d'un disque d'épaisseur de 1 mm, et de diamètre compris entre 5 mm et 50 mmm. Le matériau utilisé est compatible à une utilisation à haute température, par exemple entre 200°C et 700°C, voire davantage, par exemple au-delà de 1000 °C. Le matériau piézoélectrique peut être du Niobate de Lithium (LiNbOs). La fréquence de résonance du convertisseur piézoélectrique peut être de quelques centaines de kHz jusqu'à plusieurs MHz, par exemple 4 MHz ou 5 MHz. L'épaisseur de chaque électrode peut être de l'ordre de 1 mm. Chaque électrode peut prendre la forme d'un disque, dont le diamètre correspond à celui du convertisseur piézoélectrique 10.
Le circuit électrique 20 est relié à une unité centrale 30, configurée pour commander le circuit électrique lorsque le transducteur fonctionne en mode d'émission et/ou analyser la tension mesurée entre les électrodes lorsque le transducteur fonctionne en mode de réception.
Le transducteur 1 comporte un composant arrière 13, appliqué contre l'électrode arrière 12. Le composant arrière est destiné à former un « dos amortisseur » vis-à-vis du convertisseur piézoélectrique 10. Comme évoqué dans l'art antérieur, il s'agit d'atténuer les échos de l'onde acoustique transmise vers l'arrière du convertisseur piézoélectrique. L'épaisseur du dos amortisseur est de préférence supérieure à 5 mm, voire 10 mm. Elle peut être comprise entre 10 mm et 100 mm, par exemple 40 mm.
Un aspect important de l'invention est que le dos amortisseur 13 est formé par un matériau métallique (métal pur ou alliage métallique) poreux, dont la température de fusion est supérieure à 200°C, et de préférence supérieure à 600 °C ou à 700 °C, et de préférence à 1000 °C. Il peut par exemple s'agir d'un acier, par exemple de l'acier inoxydable, ou d'aluminium, ou d'un métal choisi parmi : Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al. Il peut s'agir d'un alliage métallique tel que le bronze ou le laiton. Le dos amortisseur peut être formé du même matériau que l'électrode arrière, ce qui facilite leur assemblage.
Un avantage du matériau métallique, notamment l'acier inoxydable, est la bonne tenue à la corrosion, aux rayonnements ionisants, en particulier neutrons ou gamma, ce qui le rend compatible avec une utilisation dans une installation nucléaire.
Lorsque le dos amortisseur est formé du même matériau que l'électrode arrière, en l'occurrence un métal conducteur, on évite une phase d'assemblage du dos sur l'électrode. Inversement, lorsque le dos amortisseur est réalisé en une céramique, l'assemblage implique le recours à une colle ou à un brasage. Un tel assemblage peut ne pas être résistant, dans le temps, notamment lorsque le transducteur est soumis à de forts gradients thermiques. En effet, les coefficients de dilatation thermiques respectifs d'une céramique et d'une électrode métallique sont généralement différents l'un de l'autre. Cela peut entraîner une dégradation de l'assemblage dans le temps, notamment lors d'une exposition répétée à de forts gradients thermiques.
Le matériau formant le convertisseur piézoélectrique 10 présente une température de Curie, au-delà de laquelle on considère que le comportement piézoélectrique disparaît. Il est préférable que la température de fusion du matériau métallique formant le dos amortisseur soit supérieure à la température de Curie du convertisseur piézoélectrique. Le niobate de lithium présente une température de Curie supérieure à 1100 °C.
Le recours à un matériau métallique électriquement conducteur est avantageux. La figure 2B schématise un mode de réalisation dans lequel le dos amortisseur et l'électrode arrière forment une même pièce. Ainsi, l'électrode arrière est formée du matériau métallique poreux, électriquement conducteur. Un tel mode de réalisation est particulièrement avantageux car il minimise le nombre de pièces formant le transducteur, et simplifie la fabrication, en évitant notamment l'assemblage du dos amortisseur sur l'électrode. Le dos amortisseur 13 est configuré pour maximiser une transmission d'une onde de vibration produite par le transducteur piézoélectrique, et minimiser une réflexion de ladite onde. Sur les figures 3A et 3B, on a représenté une configuration telle que représentée sur la figure 2B, dans laquelle le convertisseur piézoélectrique 10 est directement disposé au contact du dos amortisseur 13, ce dernier faisant office d'électrode arrière. Au niveau de l'interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13, on peut définir un coefficient de transmission T et un coefficient de réflexion R. Le coefficient de transmission T correspond à un ratio entre l'amplitude d'une onde, dite onde incidente, se propageant à partir du convertisseur piézoélectrique 10 et incidente au dos amortisseur 13, cette amplitude étant notée Ai sur les figures 3A et 3B ; l'amplitude d'une onde transmise At, qui correspond à la part de l'onde incidente se propageant à travers le dos amortisseur.
Le coefficient de réflexion R correspond à un ratio entre : l'amplitude de l'onde incidente Ai ; l'amplitude d'une onde réfléchie Ar, qui correspond à la part de l'onde incidente réfléchie par le dos amortisseur 13 et se propageant vers le convertisseur piézoélectrique 10.
Si Zi et Z2 désignent respectivement les impédances acoustiques du convertisseur piézoélectrique 10 et du dos amortisseur 13, les coefficients R et T sont tels que :
R + T = 1 (1)
Figure imgf000009_0001
La figure 3A schématise une configuration selon laquelle le coefficient de réflexion est, en valeur absolue, élevé et le coefficient de transmission est faible. Il s'agit d'une configuration non adaptée : la réflexion de l'onde incidente à l'interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13 engendre la formation d'échos augmentant la durée de l'onde acoustique émise ou reçue par le transducteur. Il en résulte une dégradation temporelle de la mesure, au sens où les instants d'émission ou de réception de l'onde sont déterminés avec une précision dégradée. Lorsque le transducteur est utilisé à des fins de télémétrie, il en résulte une dégradation de la résolution spatiale de la mesure.
La figure 3B schématise une configuration selon laquelle le coefficient de réflexion est proche de 0, et le coefficient de transmission est proche de 1, ce qui correspond à un cas idéal. La formation d'échos à l'interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13 est faible. Il en résulte une onde acoustique émise (ou détectée) plus courte, ce qui favorise la résolution temporelle de la mesure. L'invention vise à se rapprocher de cette configuration. L'expression (3) montre qu'une telle configuration est obtenue si les impédances acoustiques des deux milieux contigus sont proches l'une de l'autre, autrement dit Zx ~ Z2.
L'impédance acoustique du convertisseur piézoélectrique 10 est généralement de quelques dizaines de MRayls, typiquement entre 25 et 40 MRayls (Méga Rayls), à comparer avec l'impédance acoustique de l'air , qui est de 430 Rayls ou de celle de l'eau, qui est de 1.5 MRayls. La configuration représentée sur la figure 3A correspond à une interface convertisseur piézoélectrique/air. La configuration représentée sur la figure 3B correspond à une interface convertisseur piézoélectrique/dos amortisseur métallique poreux que l'on souhaite obtenir.
Outre un coefficient de transmission proche de 1, le dos amortisseur métallique poreux doit atténuer l'onde acoustique transmise.
L'impédance et l'atténuation acoustique du dos amortisseur 13 sont contrôlées par la taille et la fraction volumique des pores remplis d'air. Différents essais expérimentaux ont été effectués, de façon à définir des plages de tailles et de fractions volumiques de pores permettant d'obtenir un coefficient de transmission proche de 1 et une atténuation suffisante. Il est à noter que l'effet, sur l'impédance, de la taille des pores, et de leur fraction volumique, dépend du matériau utilisé. Les valeurs obtenues sur un matériau ne sont pas transposables à un autre matériau.
Un paramètre clef est la vitesse c de propagation acoustique, à partir de laquelle l'impédance acoustique Z peut être calculée selon l'expression :
Z = pc (4) où p est la densité du matériau métallique, exprimée en kg.rrr3 et c est exprimée en m.s 1
La figure 4 schématise un banc d'essai d'échométrie 100. On a disposé des échantillons métalliques 103 de différentes porosités entre un émetteur acoustique 101 et un récepteur acoustique 102. L'ensemble est immergé dans de l'eau 104. La figure 5A représente une impulsion reçue par le récepteur acoustique 102 en l'absence d'échantillon interposé entre l'émetteur et le récepteur, t correspond à un instant de détection de l'onde acoustique. L'axe des ordonnées correspond à l'amplitude et l'axe des abscisses correspond au temps. La propagation de l'onde acoustique à travers l'eau 104 est matérialisée par une flèche en pointillés.
La figure 5B montre les impulsions reçues par le récepteur acoustique 102 après qu'un échantillon 103, d'épaisseur e, a été interposé entre l'émetteur et le récepteur. L'axe des ordonnées correspond à l'amplitude et l'axe des abscisses correspond au temps. La propagation de l'onde acoustique à travers l'eau 104 est matérialisée par une flèche en trait plein. Compte tenu des interfaces formées par l'échantillon 103, deux impulsions sont détectées : une première impulsion, à l'instant t1( correspond à l'onde s'étant propagée à travers l'échantillon, sans réflexion. Par rapport à l'instant d'émission de l'onde acoustique par l'émetteur 101, l'instant tx est antérieur à l'instant t, du fait de la vitesse de propagation de l'onde acoustique est supérieure dans l'échantillon 103 que dans l'eau 104.
A partir de ces mesures, la vitesse de propagation acoustique (ou célérité) c peut être définie : sur la base de At = t± — t, en utilisant l'expression :
Figure imgf000011_0001
2e sur la base de At12 = t2 — t1( en utilisant l'expression : At12 = — (6)
Dans (5), cw désigne la vitesse de propagation acoustique dans l'eau.
On a testé des échantillons d'acier inoxydable de type 316L d'épaisseurs e variables (5 mm ou 10 mm), présentant différentes fractions volumiques de porosité (entre 25 % et 53 %) et différentes tailles moyennes de pores (diamètre moyen compris entre 2 pm et 60 pm). Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques des échantillons testés. Chaque échantillon 103 se présentait sous la forme d'une plaque de dimension 50 mm par 50 mm.
La fraction volumique de porosité de chaque échantillon a été déterminée en mesurant la masse volumique. Les tailles moyennes des pores ont été déterminées par microscopie optique. Le tableau 1 montre les principales caractéristiques des échantillons testés.
Figure imgf000012_0001
Tableau 1.
La figure 6A montre les vitesses de propagation de l'onde acoustique déterminées à partir de l'expression (6), en fonction de la fraction volumique de porosité. Sur la figure 6A, l'axe des ordonnées correspond à la célérité (unité m.s -1) et l'axe des abscisses correspond à la porosité (%).
La figure 6B montre l'impédance acoustique, calculée selon (4), à partir de la connaissance de la densité p des matériaux testés et des célérités obtenues en mettant en œuvre l'expression (6). L'axe des ordonnées correspond à la célérité (unité m/s) et l'axe des abscisses correspond à la fraction volumique des pores (%).
On a également déterminé un coefficient linéaire d'atténuation a, (en dB/mm) à partir des amplitudes maximales des ondes détectées par le récepteur 102. L'atténuation a été mesurée en comparant les amplitudes des impulsions respectivement détectées aux instants tx et t2 définis en lien avec la figure 6B. Attb = lO log -i (7)
A partir des atténuations Attaet Attb calculées pour chaque échantillon, on a déterminé un coefficient linéaire d'atténuation, par millimètre, noté a, en prenant en compte : l'épaisseur de l'échantillon e lorsqu'on considère Atta ; deux fois l'épaisseur e de l'échantillon lorsqu'on considère Attb. La figure 6C représente les coefficients d'atténuation a obtenus à partir de l'expression (7). L'axe des ordonnées correspond à l'atténuation (unité dB/mm) et l'axe des abscisses correspond à la fraction volumique des pores (%).
Sur les figures 6A et 6C, chaque point correspond à une valeur mesurée. On a également tracé, en pointillés, une fonction résultant de l'interpolation de chaque point de mesure. Sur les figures 6A et 6B, l'interpolation est linéaire. Sur la figure 6C, la fonction résultant de l'interpolation est polynomiale.
La figure 6B permet de définir une plage de fraction volumique de porosité, exprimée en %, pour laquelle l'impédance est suffisamment proche de l'impédance du matériau piézoélectrique, c'est-à-dire dans la plage 10 - 40 MRayls. D'après la figure 6B, cela correspond à une fraction volumique de porosité inférieure à 50%.
La figure 6C permet de définir une plage de fraction volumique de porosité, exprimée en %, pour laquelle l'atténuation est suffisante. Par atténuation suffisante, on entend un coefficient d'atténuation a supérieur ou égal à 1 dB/mm. D'après la figure 6C, cela correspond à une fraction volumique de porosité supérieure à 25%.
La plage de porosité optimale est celle pour laquelle : l'impédance du matériau métallique poreux formant le dos amortisseur est suffisamment élevée (proche de l'impédance du matériau piézoélectrique), sachant que l'impédance décroît avec la fraction volumique de porosité : cf. figure 6B ; l'atténuation est suffisamment élevée, sachant que le coefficient linéaire d'atténuation a croît avec la fraction volumique de porosité : cf. figure 6C.
On comprend de ce qui précède que l'effet d'atténuation est dû à la présence des pores, tandis que l'effet d'adaptation d'impédance est dû au métal. Les caractéristiques de porosité du métal résultent donc d'un compromis sur la fraction volumique des pores.
En ce qui concerne l'acier inoxydable de type 316L, en prenant en compte une taille (i-e diamètre moyen) de pores comprise entre 2pm et 60 pm, la plage optimale de fraction volumique de porosité est comprise entre 25% et 50%.
La plage optimale de fraction volumique de porosité peut être différente pour un autre matériau. D'une façon générale, les caractéristiques du matériau métallique poreux formant le dos amortisseur 13 du transducteur sont : un diamètre moyen de pores inférieur à 500 pm, et inférieur à 200 pm ou à 100 pm ; et/ou une fraction volumique de porosité comprise entre 20% et 60 %, et de préférence entre 25% et 50%, et encore de préférence entre 25% et 40 %.
Dans l'exemple de réalisation précédemment décrit, le matériau piézoélectrique formant le convertisseur est en niobate de lithium. D'autres matériaux piézoélectriques adaptés à des environnements sous haute température sont utilisables, par exemple le titanate de baryum
(BaTiO3), le titanate de bismuth(BiTiO3) et ses dérivés (ajout de sodium par exemple), le nitrure d'aluminium (AIN), les langatates (oxyde de lanthane, gallium et tantale).
Le transducteur selon l'invention pourra être utilisé dans toute application sous haute température, à des fins de contrôle non destructif ou de diagnostic ou de télémétrie ou de détection d'obstacle ou de débitmétrie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de transduction acoustique, comportant
- un convertisseur piézoélectrique (10), formé d'un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant (11) et une électrode arrière (12);
- un boîtier (2), contenant le convertisseur piézoélectrique, l'électrode avant et l'électrode arrière ;
- une ouverture avant (15), ménagée dans le boîtier, disposée de telle sorte que l'électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l'ouverture avant (15) ; le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique (EW) vers l'ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique (RW) se propageant depuis l'ouverture avant ; le dispositif comportant un composant arrière (13), le composant arrière formant un dos amortisseur du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière est un matériau métallique poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C, le dispositif étant tel que : le composant arrière forme l'électrode arrière ; l'épaisseur du composant arrière est supérieure à 5 mm.
2. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur du composant arrière est supérieure à 10 mm.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la température de fusion du matériau métallique est supérieure à 600 °C.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- le matériau piézoélectrique présente une température de Curie ;
- la température de fusion du matériau métallique est supérieure à la température de Curie du matériau piézoélectrique.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la température de Curie du matériau piézoélectrique est supérieure à 1000°C.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction volumique des pores du matériau métallique poreux est comprise entre 20% et 60% ou entre 25% et 50 % ou entre 25% et 40%.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la taille moyenne des pores est inférieure à 100 pm, la taille moyenne correspondant à un diamètre moyen de chaque pore.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau piézoélectrique est choisi parmi le niobate de lithium ou le titanate de baryum.
9. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel matériau métallique comporte au moins un élément choisi parmi Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau métallique est un alliage de type acier inoxydable.
11. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour émettre ou recevoir une onde acoustique (EW, RW), l'onde acoustique émise ou reçue se propageant à travers l'ouverture (15), le dispositif étant disposé dans un milieu (3) dont la température est supérieure à 200°C.
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