Brevet FR2005837A1 — publié le 19691219

1054G 1 2005337 La présente invention se rapporte à une ligne de retard ultrasonique employant du verre comme milieu de retard. Dans une ligne de retard compacte ultrasonique, le signal électrique (oscillation de potentiel électrique) à retarder 5 est transformé en une onde acoustique correspondante et lancé dans un milieu solide convenable. La vitesse des ondes acoustiques dans la ligne de retard compacte se trouve dans la gamme de 1 à 6 kilomètres par seconde, ce qui est inférieur à un C facteur d'approximativement 10 à celle d'un signal électrique 10 dans un câble» Ainsi, un long retard peut être obtenu en utilisant un chemin de longueur comparativement courte dans le milieu de retard compact. Après que l'onde acoustique se soit déplacée sur une distance pour que la vibration ait subi le retard exigé, elle est transformée à nouveau en un signal élec-15 trique. Pour réaliser cette action,"une ligne de retard ultrasonique doit se composer fondamentalement de trois composants. Le premier est un transducteur qui transforme le signal électrique en une onde acoustique. Le second est le milieu de retard à 20 travers lequel l'onde acoustique se déplace et subit le retard exigé. Le troisième est un second transducteur qui transforme l'onde acoustique à nouveau en signal exigé. Dans une ligne de retard compacte ultrasonique, les transducteurs sont des transducteurs piézoélectriques. Une matière piézoélectrique subit 25 une tension mécanique réversible par application d'un champ électrique et donne lieu à un champ électrique lorsqu'elle est soumise à une tension mécanique. Le quartz cristallin a cette propriété et des céramiques ferroélectriques polarisées, telles que le titanate de baryum, le titanate-zirconate de plomb et 30 le niobate de sodium-potassium, se comportent d'une manière très semblable. En général, un milieu de retard exige un facteur mécanique Q élevé et un faible coefficient de temps de retard en fonction de la température. Le quartz fondu ayant un facteur Q mécanique 35 d'approximativement 10^, dans une gamme de fréquence du mégahertz, a été très utilisé comme milieu de retard. Cependant, ce quartz fondu est caractérisé par un coefficient négatif de retard de temps en fonction de la température pour des ondes de cisaillement, qui est de l'ordre de 80 parties par million par degré 40 centigrade. En général, pour s'opposer aux effets de variations 69 10540 2 2005837 importantes de température, il était nécessaire d'empaqueter les lignes de retard dans des "boîtiers à température contrôlée, contenant d'ordinaire un élément de chauffage„ Les dépenses et l'inconvénient de cet équipement auxiliaire de chauffage et 5 d'empaquetage sont peu souhaitables dans n'importe quelle application, en particulier dans un équipement mobile ou compact tel que dans un système de radar ou dans un système de télévision en couleur. Comme milieu de retard ayant approximativement un coeffi-10 cient nul de temps de retard en fonction de la température, on a décrit dans le brevet américain No. 3o154.425 un verre au silicate de plomb-métaux alcalins. C'est un objet principal de la présente invention de prévoir une ligne de retard ultrasonique compacte améliorée employant 15 du verre comme milieu de retard. Selon des caractéristiques de la présente invention, une ligne de retard ultrasonique compacte comprend un milieu de retard formé de verre au fluoroxyde de picmfc-métaux alcalins, dont la composition comprend essentiellement 68,0-77,0# en mole de Si02, 20 15,0-23,0 $ en mole de PbO, 0,5-7,0 # en mole de Pblg, 0,5-3»0 $ en mole de AlgO^, 0,1-2,0 # en mole de ASgO^, 6,5-7,0 # en mole de K20. Une gamme intermédiaire préférée de la composition de verre au fluoroxyde de plomb-métaux alcalins a une composition comprenant essentiellement 70,9-72,9 i> en mole de SiOg, 16-18 i> 25 en mole de PbO, 2,0-4,0 $ en mole de PbPg» 1 -2 i» en mole de AlgQj, 0,6-1,4 $> en mole de As20^ et 6,5-7,5 $> en mole de KgO. On a trouvé que les compositions contenant des ions fluor au lieu d'ions oxygène avaient des températures de traitement inférieures,de plus faibles coefficients de temps de retard en 30 fonction de la température, une plus faible vitesse de propagation de l'onde de cisaillement dans la gamme du mégahertz et un facteur Q supérieur, qui est la valeur inverse de tg 69 10540 3 2005837 tière de départ pour donner KgO dans le Terre, par suite de la diminution de l'ionisation des ions plomb dans le verre contenant des ions fluor. Une propriété importante du verre, qui est utilisé comme 5 milieu de retard, est une caractéristique de vieillissement qui est une variation du temps de retard durant l'utilisation réelle. De manière idéale, la variation du temps de retard durant l'utilisation en tant que ligne de retard doit être approximativement nulle. On a également trouvé qu'une composition du verre conte-10 nant des ions fluor au lieu d'ions oxygène avait une bonne stabilité vis-à-vis du vieillissement à 85°C pendant 1000 heure». Une ligne de retard selon des caractéristiques de la présente invention apparaîtra bien aux personnes expérimentées dans la technique d'après la description détaillée suivante et les 15 dessins ci-joints, dans lesquels on illustre des exemples de réalisation préférés de la présente invention et dans lesquels î La figure 1 est une illustration graphique de la variation de la vitesse de propagation de l'onde de cisaillement, du.coefficient de temps de retard en fonction de la température et du 20 facteur Q mécanique pour une substitution de PbFg à. PbO; la vitesse Y en m/sec et le coefficient de temps de retard CT en ppm/*C sont portés en ordonnées, les quantités de PbO et de PbPg étant indiquées en abscisses, et La figure 2 est une illustration graphique des caraetéris-25 tiques de retard de la ligne de retard selon des caractéristique* de la présente invention. On a porté en abscisses le temps de vieillissement en heure et en ordonnées le changement de temps de retard en ppm. On a fabriqué un certain nombre de lignes de retard dans 30 lesquelles le milieu de retard utilisé était formé de tiges de verre qui avaient les compositions définies ci-dessus; les tiges de verre utilisées ont été recuites en les maintenant pendant approximativement 30 minutes à la température de recuit, et puis en refroidissant les tiges à un taux d'approximativement 25*0 35 par minute. Du quartz a été lié sur chaque face d'extrémité de la tige avec du benzoate de phényle. Le tableau suivant présente, à titre d'illustration plus spécifique de la présente invention, la composition de certains verres, en pourcentage en mole tel que calculé à partir de la com-40 position par fournée, avec des propriétés acoustiques mesurées 69 10540 4 2005837 pour ces verres, La caractéristique la plus importante de la présente invention réside dans les effets de substitution des ions fluor aux ions oxygène dans le verre, La figure 1 présente la variation de la vitesse de propa-5 gation de l'onde de cisaillement, du coefficient de temps de retard en fonction de la température et du facteur mécanique Q pour une substitution de PbFg à PbO dans le système de verre comprenant 1,5 i> en mole de AlgO^, 1,0 # en mole de As20j, (20-x) # en mole de PbO, x i» en mole de PbF2 7,5 i» en mole de 1Q KgO et 70,0 $ en mole de Si02. Le facteur mécanique Q augmente lorsque la quantité de PbPg augmente dans le verre; il présente une valeur maxima de 4300 pour 3 # en mole de PbFg et puis commence à diminuer. La vitesse de propagation de l'onde de cisaillement dimi-15 nue lorsque la quantité de PbP2 augmente. Le coefficient de temps de retard en fonction de la température diminue lorsque la quantité de Pbï2 augmente et atteint la valeur minima pour environ 3 i> en mole de PbFg et puis augmente. Les coefficients de temps de retard en fonction de la 20 température des verres utilisés étaient inférieurs à ^ 10 ppm/#C. En outre, la substitution de PbP2 à PbO dans le verre a entraîné l'abaissement de la température de fusion et la facilité du moulage du verre. Les coefficients de temps de retard en fonction de la température dans les verres contenant Si02 en quan-25 tité supérieure à 77 en mole, PbO en quantité supérieure à 23 1* en mole, KgO en quantité supérieure à 9,0 # en mole étaient inférieurs à - 10 ppm/#C, et ceux des verres contenant SiOg en quantité inférieure à 68 # en «oie, PbO en quantité inférieure à 15 en mole et KgO en quantité inférieure à 6,5 i» en mole 30 étaient supérieurs à + 10 ppm/®0. Pour assurer que le coefficient de temps de retard en fonction de la température est inférieur à - 10 ppm/*C, que le facteur Q mécanique est supérieur à 3000 et que la température de traitement est relativement inférieure à environ 1300°C, et pour plus de facilité de moulage sous la 35 forme du milieu de retard en verre, la quantité de Pb?2 dans le verre doit être limitée dans la gamme de 0,5 # en mole & 7,0 * en mole. L'addition de 0,5 1» en mole à 3,0 # en soie de AlgO^ stabilise les propriétés acoustiques du verre contenant du fluor; spécialement, elle amène le verre à diminuer l'atténuation de 40 l'onde de cisaillement et aussi à minimiser le changement de 69 10540 5 2005837 temps de retard durant le vieillissement. Le verre contenant Pb?2 utilisé comme milieu de retard doit être additionné d'une quantité de 0,1# en mole à 2,0 # en mole de As^^ afin de stabiliser les propriétés acoustiques du verre, alors que K20 dans 5 le verre doit être introduit sous forme de KNO^ en tant que matière de départ, La figure 2 présente les caractéristiques de vieillissement des verres présentés dans le tableau. TABLEAU 10 15 20 25 Composition (# en mole) 1 2 3 Si02 69,0 72,0 71,9 PbO 17,5 15,5 16,0 PbP2 4,0 3,2 3,0 k2o 8,0 7,0 6,6 AI2O3 1,0 1,5 1,5 As20j 0,5 -0,8 1,0 Coefficient de temps de retard en fonction de la température(10~6/°C) 1,3 1,2 0,8 Facteur de qualité mécanique Q 3900 4300 4700 Les variations de temps de retard du milieu de retard en 30 verre selon des caractéristiques de la présente invention durant le test de vieillissement à 85°C pendant 1000 heures étaient inférieures à 10 parties par million. Le présente invention est décrite sur la base suivant laquelle de meilleures propriétés acoustiques du verre sont dis-35 ponibles par substitution partielle d'ions fluor aux ions oxygène dans le verre. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à 40. l'homme de l'art. * 69 10540 6 2005837 REVENDICATIONS 1 - Ligne de retard acoustique, caractérisée en ce qu'elle comprend un. milieu de retard qui est un verre ayant la composition suivante', exprimée en # en mole : 68,0 à 77,0 de Si02, 5 15,0 à 23,0 de PbO, 0,5 à 7,0 de Pbï^, 0,5 à 3,0 de A1203, 0,1 à 2,0 de As20^ et 6,5 à 9,0 de K20. 2 - Ligne de retard acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le verre a la composition suivante exprimée en # en mole s 70,9 à 72,9 de Si02, 16,0 à 18,0 de PbO, 2,0 à 10 4,0 de PbF2, 1,0 à 2,0 de Al^, 0,6 à 1,4 de ASgOj et 6,5 à 7,5 de K20.