Brevet FR2091932A1 — publié le 19710121

Les faisceaux de transducteurs acoustiques s'étalent normalement suivant un angle considérable et sont dissipés dans une large zone des qu'ils atteignent une distance appréciable en partant du transducteur0 On connait déjà, d'après la technique antérieure, des procédés permettant d'exercer un certain contrEle sur la forme du faisceau acoustique pour ajuster son angle de divergence et, entre certaines limites, pour le focaliser à une distance déterminée de la face du transducteur mais, jusqu'à présent, il a été impossible de maintenir une bonne focalisation sur une longue distance, Dans un faisceau normalement étalé, on trouve un peu plus d'énergie sonore au milieu du faisceau que près de sa périphérie et l'on a mis au point, dans la technique antérieure, des procédés permettant d'explorer de petites cibles en détectant les réflexions d'énergie de crête, Toutefois, étant donné qu'une fraction minuscule de l'énergie sonore totale d'un faisceau sonore largement étalé, de grandes quantités d'énergie acoustique doivent être rayonnées pour assurer l'obtention d'un signal réfléchi utilisable0 Il existe de nombreuses applications des transducteurs ultra-sonores, dans lesquelles il est important de rechercher une petite zone à des distances variables des transducteurs, et dans lesquelles il est nécessaire que 12 énergie acoustique totale rayonnée soit faible0 Par exemple, dans les applications à l'éta- blissement des diagnostics médicaux, l'énergie acoustique totale rayonnée dans le corps du patient doit être limitée à un ordre de grandeur relativement petit de manière à ne pas risquer de léser les tissus irradiés. De même, dans tout dispositif alimenté par des batteries et, en particulier, dans un dispositif de ce genre destiné à entre porté par un plongeur nageant sous l'eau, il est important que l'énergie acoustique rayonnée soit faible pour économiser énergie des batteries et prolonger leur durée d'utilisation, afin qu'elles ne risquent pas de tomber en pannee L'invention a pour objet principal de créer un transducteur ultra-sonore permettant d'obtenir des réflexions acoustiques utilisables à partir d'un parcours étroit dans une large gamme de distances en utilisant une petite quantité d'énergie sonore, En d'autres termes, l'objet principal de l'invention est d'utiliser une petite quantité d'énergie pour obtenir des signaux de réflexion acoustique de bonne qualité à partir d'une petite ono à des distances variables au moyen d1wt nouveau type de transducteurs. La petite zone de recherche est obtenue par une répar- tition gecmétrique convenable des éléments vibrants du transducteur0 La faible consommation d'énergie dépend de l'utilisaton des nouveaux dispositifs vibrants couplés qui seront décrits plus loin en détails. La petite zone de recherche collimatée est produite par un élément de cristal vibrant dont la section droite est dans une relation appropriée avec la longueur d'onde du faisceau rayonné de façon que celui-ci ne s'étale pas dans une mesure excessive mais ne soit pas non plus focalisé d'une manière trop précise en un point quelconque de l'espace. L'élément (ou les éléments) de cristal récepteurs entourent périphériquement le cristal émetteur.La structure cristalline réceptrice peut être constituée par une multiplicité de cristaux récepteurs mais, de préférence, on utilise un unique cristal récepteur annulaire. Le côté arrière des cristaux d'émission et de réception est tourné vers une colonne d'air accordée qui vibre en résonance avec le cristal émetteur. La face du cristal émetteur est revêtue dtune couche d'adaptation d'impédance. Plus précisément, l'invention prévoit un transducteur ultra-sonore qui comprend un élément de cristal émetteur central d'une section droite de 20 à 30 longueurs d'onde entouré par une série d'éléments de cristal récepteurs ou, et de préférence, par un unique élément de cristal récepteur annulaire continu d'un diamètre (ou dune largeur) compris entre au moins 10 et au plus 30 longueurs d'onde en tous ses points. Chacun des éléments émetteur et recepteur en cristal fait partie d'un ensemble ou dispositif vibrant couplé qui comprend, en plus de la plaquette de cristal piézo-électrique, une colonne d'air résonnante du côté arrière de nette plaquette et une couche d'adaptation d'impédance résonnante en polymère organique du coté avant, l'ensemble vibrant comme un tout.Cet ensemble produit un diagramme de recherche d'une superficie réduite et oui reste constante sur une longue distance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation. Sur ce dessin - la figure 1 est une vue en plan schématique représentant la disposition géométrique d'éléments de cristal émetteur et récepteurs dans une première forme de transducteur ; - la figure 2 est un schéma indiquant les parcours des signaux d'énergie acoustique émis et reçus à destination et en provenance ae cibles alignées et désalignées; - la figure 3 est une vue en plan schématique d'une forme préférée de transducteur - la figure 4 est une vue en élévation latérale à plus grande échelle du transducteur, suivant ia ligne 4-4 de la fig03; et - la figure 5 est une vue à grande échelle de la partie de la figure 4 identifiée par le cercle 5. - la fig. 1 représente un élément émetteur 10 entouré par huit éléments récepteurs 21-28. - La fig.3 représente un élément émetteur 10 entouré par un unique élément récepteur annulaire 30. La Demanderesse a trouvé aue, lorsqu'on désire produire une petite zone de recherche collimatée, le diamètre de l'élément émetteur est un facteur important et déterminant0 Un élément vibrant d'une section droite très petite devant la longueur d'onde rayonne un faisceau très large, Par contre, un élément vibrant d'une section droite plusieurs fois multiple de la longueur d'onde rayonne un faisceau qui est focalisé en un certain point devant le transducteur et qui s'étale au-delà de ce point en formant ce qu'on peut appeler le champ lointain. Ce qui est nécessaire, c'est un élément émetteur compris entre ces deux extrêmes de façon que le faisceau rayonné ne subisse, ni un étalement excessif, ni une focalisation trop algue en un point singulier quelconque de l'es- pacte, On va considérer maintenant l'exemple de la longueur d'onde du son dans une solution saline type à une fréquence de 5 IEk, longueur d'onde qui est de 0,3 mm.Pour déterminer la section droite optimale du cristal émetteur, il est nécessaire de tenir compte du fait qu'une petite zone située à la périphérie de l'é- lément en forme de disque circulaire n'apporte pas de contribution au diagramme vibratoire cohérent, en raison de son interaction inévitable avec des vibrations marginales et également en raison du fait que le périmètre est fortement serré par les points de colle qui fixent l'élément piézo-électrique à son support. La Demanderesse a trouvé que, pour produire un faisceau d'émission de dimension angulaire relativement faible et faible ment focalisé, le cristal émetteur doit présenter une largeur ou un diamètre de section droite compris entre 20 et 30 longueurs d'onde. Pour une fréquence de 5 MHz, ceci correspondrait à un diamètre de 7 à 10 mm en tenant compte d'un effet marginal d'1 mm environ. A des fréquences de fonctionnement inférieures à 5 MHz, la largeur ou le diamètre de section droite de l'élément émetteur vibrant seraient plus grands dans une mesure correspondant à ltaccroissement des longueurs d'ondea. En ce qui concerne les éléments récepteurs, il est à noter que la largeur ou dimension de section droite du cristal récepteur est moins critique et l'on choisit les dimensions en se basant sur le fait qu'entre les limites pratiques de la dimension totale du transducteur, une zone de réception plus étendue recueille une plus grande fraction totale du signal acoustique réfléchi. Toutefois, si l'élément récepteur devient tres grand par rapport à la dimension de la cible ou du faisceau sonore, le signal réfléchi arrive à des instants différents dans les parties marginales intérieure et extérieure de ltélément récepteur et l'effet obtenu diffère de la simple vibration désirable pour un élément récepteur distinct.La Demanderesse a trouvé que, dans un transducteur à 5 MHz, des éléments récepteurs 21 à 28 d'un diamètre de 4 à 10 mm, ce qui correspond à 10 à 30 longueurs d'onde, sont satisfaisants0 la faculté du transducteur de chercher une petite zone sur une distance variable est basée sur la répartition d'une multiplicité d'éléments récepteurs périphériquement autour du cristal émetteur de façon que les réflexions par une cible arrivant sur les divers éléments récepteurs à des instants différents0 Cette condition est représentée sur la fig.2.Si une petite cible se trouve juste devant 'télc-ment émetteur 10, comme c'est le cas par exemple pour la cible 1 sur la fige2, le corne d'énergie acoustique réfléchie arrive à tous les récepteurs 21 à 28 de la fig.1 (qui sont tous montés en série) rigoureusement au même instant, et les signaux engendrés par ces divers récepteurs sont additifs.Si, par contre, la cible est placée sous un certain angle par rapport à l'axe du faisceau émis, comme indiqué pour la cible T2 sur la fig.2, le signal réfléchi arrive à chacun des éléments récepteurs 21 à 28 à des instants différents, d'où il résulte que certains d'eux sont déphasés par rapport aux autres et la somme intégrée des divers récepteurs 21 à 28 est en conséquence fortement réduite. l'utilisation cpmbinée d'un faisceau d'émission étroit et médiocrement focalisé, et de récepteurs espacés périphériquement qui reçoivent des signaux de cibles décentrées à des instants différents, se traduit par l'obtention d'un dispositif qui a pour caractéristiques dtevtre fortement collimaté, et de ne produire des signaux intenses qu'à partir de petites cibles se trouvant directement devant lui et ceci dans une large gamme de distances. On a démontré que les éléments récepteurs multiples 21 à 28 représentés sur la figol peuvent être remplacés par un unique élément récepteur annulaire 30 tel que représenté sur la fig.3, à condition que ce dernier soit un élément vibrant à facteur Q élevé, tel que le quartz, de façon que les vibrations engendrées en un point quelconque soient transmises avec peu de pertes dans toute la masse de l'ensemble de l'élément0 On a montré ci-dessus comment on peut déterminer le diamètre convenable d'un élément récepteur distinct parmi les éléments 21 à 28 ayant la configuration représentée sur la fig.1. Si l'on utilise un unique élément récepteur annulaire 30 conjointement avec un faisceau d'émission convenable, des signaux réfléchis par des cibles désalignées par rapport à l'axe arrivent en certains points de l'élément récepteur 30 déphasés par rapport à des signaux arrivant en d'autres points, et les vibrations déphasées complexes résultantes qui se produisent dans l'unique élément récepteur annulaire 30 réduisent le signal généré par rapport à l'énergie réfléchie par des cibles rigoureusement alignées, énergie qui arrive en tous les points de l'élément récepteur annulaire 70 simultanément et génère par conséquent en signal cohérent intense* La Demanderesse a trouvé qu'en utilisant un transducteur ayant les dimensions décrites, la section droite effective de la cible a un diamètre de 10 mm environ seulement dans une garme de distances continue de 6,35 mm à 90 cm environ devant le transducteur, ce diamètre ntaugmentant que jusqu'à concurrence d'environ 20 z m8me à une distance de 6 m du transducteur. On va maintenant examiner la fig.4 qui est une vue en coupe -verticale du transducteur de la fig.3, prise suivant la ligne 4-4 de celle-ci. Une vue en coupe verticale de la fig. 1 serait également analogue à la fig.4. La fig.4 représente les organes comprenant l'ensemble ou dispositif transducteur vibrant, qui est conçu et mis au point en vue d'économiser lténergie et d'obtenir des signaux utilisables à partir de la petite quantité d'énergie acoustique réfléchie interceptée par le récepteur0 Dans le dispositif transducteur de la fig.4* chacune des sections vibrante s du dispositif, que ce soit la section émettrice ou un groupe de sections réceptrices distinctes, ou encore une unique section réceptrice annulaire, comprend trois parties. La première partie de chaque section vibrante, qui est le coeur du dispositif vibrant couplé de la fig.4, est l'élément en cristal piézo-électrique 10, ou 21-28, ou 30. Pour les fréquences de la gamme du mégahertz, l'élément piézo-électrique 10, ou 21-28, ou 30, est de préférence du quartz taillé en X en raison de son mode de vibration longitudinal simple et net, normalement à l'axe de la plaquette de cristal. Aux fréquences de l'ordre du kilohertz, il deviendrait préférable d'utiliser, comme éléments piézo-électriques, des cristaux de phosphate d'ammonium0 les diverses matières céramiques piézo-électriques telles que les titanates et les zirconates fonctionnent, dans n'importe quelle gamme de fréquence, avec une certaine détérioration de certaines caractéristiques, et dans le mode de vibration simple et net, comportant relativement peu de vibrations à couplage mutuel, qu'on obtient avec des monocristaux. Comme représenté sur la fig.4, la seconde partie de chaque section vibrante est une colonne d'air accordée 70 ou 71 qui vibre en résonance avec le cristal. Pour les transducteurs destinés à fonctionner dans l'eau, les vibrations indésirables provenant du côté arrière des cristaux étaient généralement, dans la technique antérieure, amorties d'une certaine manière pour em- pêcher des réflexions provenant de l'arrière dRinterférer avec les vibrations désirées dans l'eaux Un mode courant d'amortissement consiste à monter les cristaux sur un matériau absorbant l'énergie acoustique tel que du liège mais, étant donné que des matériaux tels que le liège ne sont jamais, ni parfaitement élastiques, ni parfaitement insonorisants, la vibration libre désirée est quelque peu réduite. Une autre procédure qui a été utilisée dans la technique antérieure consiste à prévoir une cavité remplie d'air derrière le cristal et à se servir de la désadaptation d'impédance entre les vibrations acoustiques dans l'air et dans les cristaux pour réduire l'énergie réfléchie vers l'arrière effective Bien que ce procédé rende de grands services, il subsiste encore une petite quantité d'énergie réfléchie qui interfère avec la vibration nette désirée orientée vers l'avant. Dans le dispositif suivant l'invention, comme représenté sur la fig.4, chacune des cavités remplies d'air 70 et 71 est conçue de telle façon que la petite quantité d'énergie réfléchie soit en résonance avec le cristal 10, ou 21-28, ou 30, et renforce la vibration vers l'avant désirée0 Chacune des cavités 70 et 71 est en conséquence relativement longue pour réduire les réflexions dues aux parois latérales et peut, dans certains cas, entre revêtue d'un matériau isolant 72 ou 73 pour réduire encore les réflexions totales, mais une caractéristique importante réside en ce que les cavités 70, 71 ont des dimensions telles que l'énergie réfléchie soit en phase avec le cristal vibrant 10, ou 21-28, ou 30o La longueur de la cavité est donc un multiple de la longueur d'onde de la fréquence particulière dans l'airs Pour 5 ES, la longueur d'onde est de 0,066 mm dans l'air sec et la longueur préférée de la cavité est de 5,28 mm, soit 80 fois la longueur d'onde. Sur la fig0 4, la troisième partie du dispositif vibrant couplé (qui résonne comme un tout) est une couche didaptation d'impédance 80 entre les éléments vibrants en cristal 10 et 30 et l'eau, ou autre milieu dans lequel le transducteur fonctionne. La fonction de la couche d'adaptation d'rmpédance 80 peut titre comparée à l'utilisation d'un revêtement non réflecteur sur du verre, ou à l'utilisation de plusieurs compositions de verre dans la fabrication d'une lentille pour éviter les réflexions qui se produisent aux variations brusques de l'indice de réfraction pour la transmission le la lumière. D'une manière analogue* dans la transmission acoustique, il se produit des pertes par réflexions appréciables aux interfaces entre des impédances acoustiques fortement différentes. La frontière entre les cristaux 10 et 30 et l'eau est un exemple d'une telle interface entre des impédances acoustiques fortement différentes.L'impédance acoustique est le produit de la densité par a vitesse du son, soit pour le quartz 14,4 g/cm2sec (10-5) et pour une solution saline, 1,5 g/cm2sec (10-5) Un certain nombre de hauts polymères organiques ont des impédances acoustiques intermédiaires entre celles du quartz et de l'eau et, par conséquent, ces polymères peuvent remplir la fonction d'un élément d'adaptation dtimpédance dans le dispositif vibrant couplé suivant l'invention représenté sur la fig.4.Dans la Lucite et dans le Nylon (noms commerciaux), par exemple, une section d'une épaisseur de deux longueurs d'ondes à 5 MEz correspond à 0,98 mm, ce qui convient pour le but visée D'autres polymères tels que des composés à base de silicones et le polypropylène peuvent également être utilisés avec de légers ajustements d'épaisseur. L'utilisation des dispositifs couplés représentés sur la fig.4 et décrits ci-dessus comme éléments vibrants, avec la configuration géométrique représentée sur les fig. 1 et 3, permet de réaliser un transducteur comportant la zone d'exploration fortement focalisée désirable dans une large gamme de distance avec des signaux-échos de bonne qualité à partir d'une quantité réduite d'énergie électrique et acoustique, ces signaux pouvant être utilisés scit sur un mode pulsatoire, soit sur un mode de fonctionnement continu.Dans le mode émetteur pulsé, pour une gamme d'échos simples destines à la mesure de distance de petites cibles, il est p@rticulièrement avantageux d'identifier la dimension des objets car le faisceau recherche la meme zone quelle que soit la distance, D'une manière analogue, lorsque le transducteur est utilisé suivant un mode d'émission continue pour lss dispositifs ultra-sonores à modulation d'amplitude et à décalage de fréquence, la vitesse de déplacement et la dimension sont mesurées d'une façon plus précise à une distance quelconque du fait que la zone de cible explorée est petite et de dimension constante, auelle que soit la distance0 Ces caractéristiques sont particulièrement importantes dans les applications aux diagnostics biologiques, telles que la détermination de l'importance d'élargissements des parois cardiaques. Le reste de l'ensemble ou dispositif transducteur représenté sur la fig.4 ne sera décrit que brièvement0 La fig. 5 est une vue à plus grande échelle de la partie de la fig.4 représentée dans le cercle 5. le boîtier 40, qui peut etre en laiton, présente dans sa base de petits orifices 41 et 42 à travers lesquels passent des fils isolés 43 et 44 menant respectivement au centre du côté inférieur du cristal émetteur 10, et au cristal récepteur annulaire 30. La face inférieure ou arrière de chacun des cristaux 10 et 30 est revêtue d'un matériau conducteur tel qu'une feuille d'or (ou. un dépôt d'or) identifiée par 11 et 31 respectivement, qui s'arrête à faible distance des bords des cristaux pour éviter tout contact avec le boîtier en laiton 40. l'isolement 32 est prévu, comme on le voit clairement sur la fig.5, pour éviter tout contact entre la feuille d'or 11 ou 31 et le boiter 40. les cristaux 10 et 30 ne sont fixés au bottier 40 que sur leurs bords, par exemple par de petits points de colle ou d'adhésif 33, comme représenté sur la fig.5. De préférence, ces points de colle 33 peuvent etre espacés de 900 de façon que chacun des bords de chacun des cristaux 10 et 30 soit maintenu en place par quatre points de colle, ce qui laisse aux cristaux une liberté maximale de vibration. Pour éviter de surcharge le dessin, les points de colle ne sont pas représentés sur la fig. 4. Pour éviter ou réduire les effets marginaux, chacun des bords de chacun des cristaux 10 et 30 est arrondi, comme on le voit clairement sur la fig.5, en un bord de forme hyperbolique. La face supérieure ou avant des cristaux 10 et 30 est revêtue d'un matériau conducteur tel qu'une feuille d'or (ou un dépit d'or) 34 qui s'étend jusqu'au bottier en laiton 40 et établit un bon contact avec eelui-ciO Un fil commun 45 est connecté au boîtier 40o les fils aboutissant à la face inférieure des cris-taux 10 et 30 sont légers et sont fixés aux cristaux par de petits points de soudure. On prévoit des fils d'une longueur suffisante pour laisser aux cristaux toute liberté de vibration en réponse l'énergie qui leur est appliquée. RrvENDICATIONS 1 Transducteur ultra-sonore, caractérisé en ce qu'il comprend en élément émetteur central ayant une dimension de section droite comprise entre 15 et 35 longueurs d'onde à la fré- quence de fonctionnement, un dispositif recepteur à un ou plusieurs éléments entourant l'élément émetteur central, ce dispositif récepteur ayant, en tous ses points, une largeur comprise entre 10 et 35 longueurs d'ondes à la fréquence de fonctionnementS l'élément émetteur et le ou les éléments récepteurs comprenant un matériau piézo-électrique, des moyens formant une colonne d'air du c8té arrière de ce matériau, une couche de polymère organique d'adaptation d'impédance du côté avant du matériau piezo-électrique, ce matériau, la colonne d'air et la couche d'adaptation d'im- pédance formant un système vibrant couple qui vibre comme un uni- que ensemble résonnant à la fréquence de fonctionnement. 2o Transducteur ultra-sonore suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément émetteur central est un disque circulaire et en ce que le dispositif récepteur entourant l'élé- ment émetteur central comprend un unique élément récepteur annu- laire continuO 3. Transducteur ultra-sonore, suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens prévus pour former une colonne d'air résonnante comprennent un boîtier présentant,du côté arrière du matériau piézo-électrique, une cavité dont la longueur est d'un ordre de grandeur compris entre 50 et 100 fois la longueur d'onde dans l'air sec, 4. Transducteur ultra-sonore suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments d'émission et de réception sont en cristal de quartz taillé en X. So Transducteur ultra-sonore suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément émetteur central est un disque circulaire et en ce que le dispositif récepteur comprend une série d'éléments récepteurs encerclant l'élément émetteur. b. Transducteur ultra-sonore suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens prévus pour former une colonne d'air résonnante comprerinent un boîtier présentant, du cCté arrière du matériau piézo-électrique, une cavité dont la longueur est d'un ordre de grandeur compris entre 50 et 100 fois la longueur d'onde dans l'air sec. 7. Transducteur ultra-sonore suivant l'une des revendications 5 et b, caractérisé en ce que les éléments d'émission et de réception sont en oristal de quartz taillé en @. 8. Transducteur ultra-son@@e suivant la revendication caractérisé en ce que l'élément émetteur a une dimension de section droit comprise entre 20 et 35 longueurs d'ondes à la fré- quence de fonctionnement, et en ce que le dispositif récepteur à un ou plusieurs éléments a, en tous ses points, une largeur égale à 10 longueurs d'ondes au moins et 30 longueurs d'ondes au plus.