FR2730375A1 - Transducteur ultrasonore - Google Patents
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Abstract
Ce transducteur ultrasonore comprenant un élément (12) en forme de plaque dont chacune des grandes faces est recouverte au moins partiellement par au une électrode (14), et étant susceptible d'engendrer des ondes acoustiques sous l'effet d'une tension appliquée auxdites électrodes (14) par une source d'excitation (26) et d'engendrer une tension entre lesdites électrodes (14) sous l'effet d'une excitation provoquée par une onde acoustique sur l'élément piézoélectrique (12) est caractérisé en ce qu'il comporte une électrode (14) disposée sur au une des grandes faces de l'élément piézoélectrique (12) et munie d'un évidement central (16) définissant dans l'électrode (14) des branches radiales (20) de sections progressivement croissantes en direction de sa périphérie.
Description
La présente invention concerne un transducteur ultrasonore à profil vibratoire non uniforme, et en particulier un transducteur adapté pour émettre différents types d'ondes acoustiques.
Un transducteur ultrasonore comporte généralement un élément de matériau piézoélectrique susceptible d'engendrer des ondes acoustiques sous l'effet d'un champ électrique et muni sur chacune de ses faces d'une ou plusieurs électrodes d'excitation.
Les électrodes d'excitation sont généralement reliées à une source de tension engendrant une différence de potentiel entre les électrodes et ainsi un champ électrique dans le matériau piézoélectrique qui émet alors une onde acoustique.
L'onde ainsi générée peut par exemple être utilisée comme onde incidente en échographie pour le contrôle non destructif de matériaux.
On connaît différents types de transducteurs ultrasonores.
On connaît par exemple un transducteur appelé transducteur plan, constitué par une pastille piézoélectrique dont chaque face est recouverte en totalité d'un matériau électriquement conducteur formant électrode. Les ondes produites par une telle pastille piézoélectrique sont constituées par la superposition d'une portion d'ondes planes issues de la surface de la pastille et d'ondes de bord engendrées à la périphérie de la pastille.
Un transducteur de ce type engendre des ondes de bonne qualité pour les champs lointains, ces ondes se comportant pour de tels champs comme ondes sphériques.
En ce qui concerne les champs proches, les ondes planes présentent une bonne résolution axiale et les ondes de bord présentent, quant à elles, une bonne résolution transversale.
Cependant, les ondes planes et ondes de bord, émises simultanément, présentent des différences de marche importantes à faible distance du transducteur.
Ainsi, pour des champs très proches, les ondes engendrées, observées sur l'axe du transducteur, se présentent sous la forme de deux signaux temporellement décalés correspondant respectivement aux ondes planes et aux ondes de bord.
En outre, un tel transducteur émet en régime permanent des ondes qui présentent pour les champs proches de grandes fluctuations.
La résolution d'un tel transducteur est par conséquent médiocre à faible distance.
I1 est donc souhaitable de disposer d'un transducteur ultrasonore permettant de privilégier soit les ondes planes, ce qui permet d'éliminer les hétérogénéités des ondes émises pour les champs proches, soit les ondes de bord, ce qui produit une focalisation très efficace sur une très grande profondeur de champ.
Différentes techniques ont été utilisées à ce jour à cet effet.
On connaît par exemple des transducteurs à ondes planes obtenues par réalisation d'une électrode en forme d'étoile de manière à n'engendrer que la composante d'ondes planes, la forme d'étoile permettant d'obtenir une distribution sensiblement gaussienne de l'excitation de la pastille.
Ce type de transducteur présente l'avantage d'émettre des ondes dépourvues de fluctuations pour les champs proches.
Une autre technique connue utilisée pour pallier les inconvénients cités consiste à modifier le profil de l'émission d'un transducteur en modifiant localement le pouvoir de conversion électrique/mécanique du matériau piézoélectrique de manière à obtenir un gradient de polarisation croissant du centre du transducteur vers sa périphérie pour engendrer une onde dont les propriétés correspondent à celles d'une onde de bord. Un tel transducteur présente une bonne résolution transverse mais sa fabrication est relativement délicate et complexe.
Ces techniques connues obligent à choisir un type de transducteur selon l'une des résolutions préférées, axiale ou transversale, tout en se privant des qualités dans le champ lointain du transducteur plan émettant simultanément des ondes planes et des ondes de bord.
Un premier but de l'invention est de proposer un transducteur ultrasonore susceptible d'émettre des ondes de bord et qui soit d'une réalisation aisée.
Un autre de but de l'invention est de proposer un transducteur ultrasonore pouvant émettre soit des ondes planes, soit des ondes de bord, soit des ondes planes et des ondes de bord simultanément.
Elle a donc pour objet un transducteur ultrasonore comprenant un élément piézoélectrique en forme de plaque dont chacune des grandes faces est recouverte au moins partiellement par au moins une électrode, ledit transducteur étant susceptible d'engendrer des ondes acoustiques sous l'effet d'une tension électrique appliquée auxdites électrodes par une source d'excitation et d'engendrer une tension électrique entre lesdites électrodes sous l'effet d'une excitation provoquée par une onde acoustique incidente sur l'élément piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode disposée sur au moins une des grandes faces de l'élément piézoélectrique et munie d'un évidement central définissant dans l'électrode des branches radiales de sections progressivement croissantes en direction de sa périphérie.
Avantageusement, l'évidement de l'électrode a une forme d'étoile à douze branches, dont les branches défi nissent dans celle-ci douze branches radiales de forme complémentaire.
L'invention a également pour objet un transducteur tel que défini précédemment caractérisé en ce qu'il comporte en outre une électrode centrale d'excitation située dans l'évidement central de l'électrode périphérique d'excitation et isolée de celle-ci, lesdites électrodes périphérique et centrale étant destinées à être commandées sélectivement par un dispositif de pilotage de telle sorte que le transducteur engendre sous l'effet d'une tension électrique appliquée par lesdites électrodes d'excitation, soit des ondes planes, soit des ondes de bord, soit des ondes planes et des ondes de bord simultanément.
Avantageusement, l'électrode centrale d'excitation comporte des branches radiales de sections progressivement décroissantes du centre du disque vers sa périphérie de telle sorte que le disque engendre sous l'effet du champ électrique appliqué par ladite électrode centrale une onde plane d'amplitude progressivement décroissante du centre du disque vers sa périphérie.
Dans ce dernier cas, l'électrode centrale d'excitation a une forme d'étoile de douze branches.
Selon un mode de réalisation préféré, lesdites électrodes centrale et périphérique ont des formes complémentaires et sont radialement espacées d'un intervalle d'une valeur telle que les ondes engendrées par le disque piézoélectrique lorsque les électrodes centrale et périphérique sont alimentées simultanément soient sensiblement identiques à celles engendrées par un élément piézoélectrique en forme de plaque sous l'effet d'une tension électrique appliquée à des électrodes recouvrant en totalité ses grandes faces.
L'invention a également pour objet un générateur d'ondes acoustiques caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur tel que défini ci-dessus relié à une source d'excitation et commandé sélectivement par un dispositif de pilotage de telle sorte que l'élément piézoélectrique du transducteur engendre sous l'effet d'une tension électrique appliquée aux électrodes d'excitation soit des ondes planes, soit des ondes de bord, soit des ondes planes et des ondes de bord simultanément.
Un autre objet de l'invention est un récepteur d'ondes acoustiques caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur tel que défini ci-dessus relié à un organe de commutation des tensions électriques engendrées sous l'effet d'ondes acoustiques incidentes sur le transducteur et présents au niveau de l'électrode centrale et au niveau de l'électrode périphérique en vue d'obtenir des signaux correspondant respectivement soit à une composante d'ondes planes, soit à une composante d'ondes de bord, soit simultanément à une composante d'ondes planes et d'ondes de bord de l'onde incidente.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un transducteur ultrasonore selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un transducteur selon un second mode de réalisation
- la figure 3 est une vue de dessus du transducteur de la figure 2 associé à un dispositif de pilotage;;
- la figure 4 est une courbe illustrant le profil d'amplitude de l'onde émise par le transducteur de la figure 2 excité par son électrode centrale
- la figure 5 est une courbe illustrant le profil d'amplitude de l'onde émise par le transducteur de la figure 1 ou par le transducteur de la figure 2 excité par son électrode périphérique ; et
- la figure 6 est une courbe illustrant le profil d'amplitude de l'onde émise par le transducteur de la figure 2 excité simultanément par ses électrodes centrale et périphérique.
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un transducteur ultrasonore selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un transducteur selon un second mode de réalisation
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- la figure 6 est une courbe illustrant le profil d'amplitude de l'onde émise par le transducteur de la figure 2 excité simultanément par ses électrodes centrale et périphérique.
Sur la figure 1 on a représenté une vue en perspective d'un transducteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, portant la référence numérique 10, susceptible d'émettre des ondes de bord.
Ce transducteur 10 comporte un élément piézoélectrique 12 en forme de plaque sensiblement plane. Avantageusement, cet élément a une forme de disque.
Chaque grande face du disque 12 de matériau piézoélectrique est recouverte d'une électrode d'excitation obtenue par un dépôt d'un matériau électriquement conducteur sur une grande face correspondante du disque 12.
Sur cette figure seule l'électrode supérieure 14 est représentée.
Chaque électrode est destinée à être reliée à une source d'excitation commandée par un dispositif de pilotage, tous deux de type connu et non représentés.
En fonctionnement, une des électrodes est portée à un potentiel de référence, tandis que l'électrode opposée est reliée à la masse. La tension électrique présente entre les deux électrodes opposées engendre un champ électrique dans le matériau piézoélectrique constitutif du disque 12 qui émet, sous l'effet de ce champ électrique, une onde acoustique.
La description qui va suivre des électrodes d'excitation va être faite en regard d'électrode supérieure 14 mais peut également s'appliquer à l'électrode opposée.
Selon l'invention, l'électrode 14 comporte un évidement central 16 muni de branches radiales, telles que 18, de sections progressivement décroissantes du centre du disque 12 vers sa périphérie.
L'évidement 16 définit dans l'électrode 14 des branches radiales, telles que 20, de sections progressivement croissantes en direction de sa zone périphérique, au niveau de laquelle les branches 20 se rejoignent.
Lorsque cette électrode 14 est alimentée en tension, la surface du disque 12 soumise au champ électrique croît ainsi progressivement vers sa périphérie.
Chaque branche radiale 20 excite une zone correspondante du disque 12 qui émet une onde acoustique élémentaire. Ces ondes élémentaires s'additionnent pour former les ondes de bord émises dont les caractéristiques seront mentionnées en détail en référence à la figure 5.
Bien entendu, plus le nombre de branches radiales 20 est important, plus la superposition des ondes élémentaires se fait de façon aisée. Cependant, une structure avec un nombre élevé de branches 20 est relativement difficile à réaliser.
Un bon compromis consiste à réaliser l'évidement 16 en forme d'étoile à douze branches, mais bien entendu un nombre différent de branches peut être envisagé.
Selon un autre mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, une électrode centrale d'excitation 22 est disposée sur un élément piézoélectrique d'un transducteur identique à celui de la figure 1. Elle est placée dans l'évidement 16 ménagé dans l'électrode périphérique 14 et est isolé de celle-ci. Chaque électrode centrale telle que l'électrode 22 est également obtenue par métallisation de la zone correspondante d'une ou des deux grandes faces du disque piézoélectrique 12.
L'électrode centrale 22 a également de préférence une forme d'étoile à douze branches radiales, telles que 24, de sections progressivement décroissantes du centre du disque 12 vers sa périphérie.
Ainsi, selon un mode de fonctionnement analogue à celui du disque de la figure 1, la surface efficace engendrant l'onde est décroissante du centre du disque vers sa périphérie.
Les électrodes d'excitation centrale 22 et périphérique 14 ont des formes complémentaires et sont séparées l'une de l'autre d'une distance pouvant varier, selon différents modes de réalisation, entre 0,1 et 0,5 mm. De préférence cette distance de séparation est de 0,2 mm de telle sorte que les ondes engendrées lorsque ces deux électrodes sont excitées simultanément soient identiques à celles d'un disque classique dont les faces opposées sont recouvertes en totalité par des électrodes en forme de disque.
Le disque 12 est de préférence un disque comportant une structure composite de type connu constituée par l'assemblage d'un ensemble de barreaux de matériau piézoélectrique, par exemple du PZT (titanate zicornate de plomb) noyés dans une résine inerte de polymère.
Ce mode de réalisation présente l'avantage de rendre le disque 12 souple pour lui donner le cas échéant différentes formes. En outre, la résine de polymère présente l'avantage de rendre indépendantes mécaniquement les zones du disque 12 placées respectivement en regard d'une électrode d'excitation correspondante 14 et 22.
Comme mentionné précédemment, les électrodes centrale 22 et périphérique 14 sont destinées à être reliées à une source d'excitation. Elles sont en outre destinées à être commandées par un dispositif de pilotage.
Sur la figure 2, la source d'excitation 26, par exemple une source de tension, et le dispositif de pilotage 28 ont été schématiquement représentés.
Le dispositif de pilotage 28 est par exemple constitué par un commutateur manuel adapté pour relier sélectivement chacune des électrodes 14 et 22 à la source 26 de manière à porter sélectivement chacune des électrodes à un potentiel de référence de manière à exciter de façon sélective la zone concernée du disque piézoélectrique 12.
Par exemple, et comme représenté sur la figure 4, lorsque l'organe de commande du dispositif de pilotage est positionné de telle sorte que seule l'électrode centrale 22 soit alimentée, la zone centrale du disque piézoélectrique 12 est soumise à un champ électrique.
Dès lors, ce disque 12 émet des ondes dont les propriétés correspondent à celles des ondes planes et dont le profil rl en fonction de la distance rr par rapport au centre du disque 22 est donné par les relations suivantes: r1(rR)=l, pour rR < a0 (1) #1(rR)={cos [#(rR-a0)/(a-a0)]+1}/2, pour a0#rR#a (2) dans lesquelles :
a0 désigne le rayon le plus faible de l'électrode centrale 22, sensiblement égal au rayon du disque 12 ; et
a désigne le rayon le plus grand de l'électrode centrale 22, sensiblement égal à la distance la plus grande entre le bord interne de l'électrode périphérique 14 et le centre du disque 12.
a0 désigne le rayon le plus faible de l'électrode centrale 22, sensiblement égal au rayon du disque 12 ; et
a désigne le rayon le plus grand de l'électrode centrale 22, sensiblement égal à la distance la plus grande entre le bord interne de l'électrode périphérique 14 et le centre du disque 12.
On obtient ainsi des ondes ayant un profil vibratoire renon uniforme permettant d'augmenter considérablement la résolution axiale du transducteur et dépourvues de fluctuations spatiales rapides dans les champs proches.
Lorsque seule l'électrode périphérique 14 est alimentée, la zone périphérique du disque 12 est polari sée. Ce disque 12 émet alors des ondes dont les propriétés correspondent à celles des ondes de bord et dont le profil r2 en fonction de la distance r1 par rapport au centre du disque 22 est donné par les relations suivantes: r2(rR)=0, pour rR < aO, (3) F2(r1)=(1-cos(n(r1-a0)/(a-a0i/2, pour a0sréa (4)
La forme particulière de l'électrode périphérique 14 permet donc de supprimer les lobes secondaires qui rendent les transducteurs annulaires peu intéressants, tout en présentant une très bonne résolution transversale.
La forme particulière de l'électrode périphérique 14 permet donc de supprimer les lobes secondaires qui rendent les transducteurs annulaires peu intéressants, tout en présentant une très bonne résolution transversale.
Lorsque les deux électrodes centrale 22 et périphérique 14 sont alimentées simultanément, la totalité du disque 12 est polarisée et émet ainsi des ondes qui correspondant à la superposition des ondes de profil respectivement r1 et r2, et dont le profil r3 en fonction de r1 est donné par l'équation suivante
r3(rR)=l pour r1 < a. (5)
Selon ce mode de fonctionnement, le disque piézoélectrique 12 émet des ondes dont les propriétés correspondent à celles des ondes engendrées par un transducteur, plan uniforme classique en forme de disque.
r3(rR)=l pour r1 < a. (5)
Selon ce mode de fonctionnement, le disque piézoélectrique 12 émet des ondes dont les propriétés correspondent à celles des ondes engendrées par un transducteur, plan uniforme classique en forme de disque.
Il est à noter que les relations (1), (2), (3), (4) et (5) concernent spécifiquement des ondes émises par un élément piézoélectrique en forme de disque.
Il est également à noter que le transducteur qui vient d'être décrit et dont le mode de fonctionnement envisagé correspond à une émission d'ondes acoustiques peut également fonctionner en récepteur d'ondes acoustiques. La pression de l'onde acoustique frappant le transducteur est alors convertie par le transducteur en un signal électrique.
Dans ce cas, le transducteur est relié à un organe de commutation, de type connu, adapté pour récupérer la tension électrique soit au niveau de l'électrode centrale, soit au niveau de l'électrode périphérique, soit au niveau de l'électrode centrale et de l'électrode périphérique simultanément qui correspond respectivement à une composante d'ondes planes, à une composante d'ondes de bord et à une composante d'ondes planes et d'ondes de bord de l'onde incidente.
L'invention n'est pas limite aux modes de réalisation décrits.
C'est ainsi que les formes en étoile de l'évidement de l'électrode périphérique et de l'électrode centrale peuvent varier. En particulier, le nombre des branches radiales de chaque étoile peut être augmenté pour améliorer, pour les champs proches, la superposition des ondes élémentaires engendrées par les zones des disques correspondants.
Claims (10)
1. Transducteur ultrasonore comprenant un élément piézoélectrique (12) en forme de plaque dont chacune des grandes faces est recouverte au moins partiellement par au moins une électrode (14), ledit transducteur étant susceptible d'engendrer des ondes acoustiques sous l'effet d'une tension électrique appliquée auxdites électrodes (14) par une source d'excitation (26) et d'engendrer une tension électrique entre lesdites électrodes (14) sous l'effet d'une excitation provoquée par une onde acoustique incidente sur l'élément piézoélectrique (12), caractérisé en ce qu'il comporte une électrode (14) disposée sur au moins une des grandes faces de l'élément piézoélectrique (12) et munie d'un évidement central (16) définissant dans l'électrode (14) des branches radiales (20) de sections progressivement croissantes en direction de sa périphérie.
2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement (16) de l'électrode a une forme d'étoile dont les branches définissent dans celleci des branches radiales de forme complémentaire.
3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étoile formée par l'évidement étant une étoile à douze branches définit dans l'électrode douze branches radiales complémentaires.
4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une électrode centrale (22) située dans l'évidement central (16) de l'électrode périphérique (14) et isolée de celle-ci, lesdites électrodes périphérique (14) et centrale (22) étant destinées à être commandées sélectivement par un dispositif de pilotage (28) de telle sorte que le transducteur engendre sous l'effet d'un champ électrique appliqué par lesdites électrodes (14,22) d'excitation, soit des ondes planes, soit des ondes de bord, soit des ondes planes et des ondes de bord simultanément.
5. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode centrale (22) comporte des branches radiales (24) de sections progressivement décroissantes du centre de l'élément piézoélectrique vers sa périphérie de telle sorte que l'élément piézoélectrique (12) engendre sous l'effet du champ électrique appliquée par ladite électrode centrale (22) une onde plane d'amplitude progressivement décroissante du centre de l'élément piézoélectrique (12) vers sa périphérie.
6. Transducteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'électrode centrale (22) a une forme d'étoile.
7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étoile formée par l'électrode (22) centrale est une étoile à douze branches.
8. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que lesdites électrodes centrale (22) et périphérique (14) ont des formes complémentaires et sont radialement espacées d'un intervalle d'une valeur telle que les ondes engendrées par l'élément piézoélectrique (12) lorsque les électrodes centrale (22) et périphérique (14) sont alimentées simultanément soient sensiblement identiques à celles engendrées par un élément piézoélectrique en forme de plaque sous l'effet d'une tension électrique appliquée à des électrodes recouvrant en totalité ses grandes faces.
9. Générateur d'ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 relié à une source d'excitation (26) et commandé sélectivement par un dispositif de pilotage (28) de telle sorte que l'élément piézoélectrique (12) du transducteur engendre sous l'effet de la tension électrique appliquée aux électrodes (14,22) soit des ondes planes, soit des ondes de bord, soit des ondes planes et des ondes de bord simultanément.
10. Récepteur d'ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, relié à un organe de commutation des tensions électriques engendrées sous l'effet d'ondes acoustiques incidentes sur le transducteur et présents au niveau de l'électrode centrale (22) et au niveau de l'électrode périphérique (14) en vue d'obtenir des signaux correspondant respectivement soit à une composante d'ondes planes, soit à une composante d'ondes de bord, soit simultanément à une composante d'ondes planes et d'ondes de bord de l'onde incidente.
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| FR (1) | FR2730375B1 (fr) |
Cited By (3)
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Also Published As
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|---|---|
| FR2730375B1 (fr) | 1997-04-25 |
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