Brevet FR2242826A1 — publié le 19750328

L'invention se rapporte à un dispositif pour émission et la réception d'ultrasons, avec au moins un convertisseur d'ultrasons piézo-électrique, dont la surface est palpée par un rayon et dont le dessin de répartition de charge correspondant est capté par des électrodes d'oscillateurs et représenté, par exemple, sous forme d'image. Un vieux problème de la technique est celui de palper un champ ultrasonore ou une image ultrasonore, ou de les rendre visibles de manière optique. Le domaine d'application dans le contrôle des matériaux en est la détection de discontinuités, ainsi que la représentation d'organes internes dans le diagnostic ultrasonore en médecine et en médecine vétérinaire. On connaît déjà des procédés, par lesquels un champ ultrasonore peut être rendu visible par l'action thermique ou par l'accélération de réactions chimiques, par exemple sur du papier préparé chimiquement. Pohlmann, ensuite, a trouvé une cellule active de conversion d'images, qui fait orienter- des paillettes d'aluminium dans le champ sonore. Ces deux procédés sont pourtant défavorables dans la mesure où une grande intensité sonore est nécessaire pour le fonctionnement des convertisseurs d'images. Ceci peut cependant régulièrement être inadmissible, en particulier dans des applications médicales, où un rayonnement ultrasonore intensif peut détériorer le tissu. Il- apparait ensuite, d'après Sokolow, que l'image des charges engendrée sur un cristal piézo-électrique par l'action sonore peut autre palpée avec un rayon d'électrons. Cette image peut être rendue visible de la même manière qu'une image de télévision. Cependant, comme le cristal piézo-électrique doit être palpé dans le vide, la fabrication de tels convertisseurs d'images pose des problèmes techniques considérables, surtout si la surface de l'image doit être supérieure à quelques cm2. Ces convertisseurs d'images sont en outre très coûteux à fabriquer. I1 fait aussi partie de 11 état de la technique d'appliquer ce qu'on appelle l'image B ou C dans le controle des matériaux par ultrasons, en faisant appel à la technique par immersion. Ces procédés de palpage connus travaillent cependant trop lentement et un contrôle nécessite en outre un temps d'installation considérable, y compris la nécessité de placer la pièce en examen dans un réservoir, d'ajuster le mécanisme de palpage sur la pièce, etc. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients énumérés ci-dessus et d'Indiquer un dispositif et un procédé qui, avec une construction et un foncfiionnement simplifiés, influencent ou changent librement t sans retardement, dont plus facilement et plus vite, la surface d'oscillateur excitée et sensible, et qui agrandit en outre le domaine d'application. L'invention concerne à cet effet un dispositif du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'une des électrodes de l'oscillateur laisse passer au moins partiellement la lumière, qu'entre cette électrode et la surface de l'oscillateur il y a une couche conductrice photo-électrique et que cette électrode est éclairée par au moins un rayon d'une source de lumière. Selon une forme de réalisation plus développée de l'invention, le domaine d'application du dispositif peut être élargi, ou bien une zone déterainée-lle l'éprouvette peut être examinée ou mieux examinée, en réalisant l'instal- lation d'éclairage de telle manière qu'on puisse former au choix une tache de lumière ou semblable qui soit ou bien ponctuelle ou de surface déterminée, ou de préférence circulaire, ou encore en forme d'une lentille à échelons de rresnel. Une forme efficace d'exécution de l'invention est caractérisée en ce que l'électrode est constituée par au moins une couche métallique suffisamment mince, appliquée par évaporation sur l'oscillateur. Quoique des couches métalliques appliquées par évaporation 5oentsuffisamment connues en physique, c'est l'instruction qui est importante dans ce contexte pour indiquer facilement une couche transparente adaptée. L'invention s'étend à un procédé pour le fonctionnement du dispositif ci-dessus. Une forme d'exécution particulièrement efficace avec un grand rendement de l'invention est obtenue, selon une forme plus développée'de l'invent on, ;-n ce qu'on déplace le faisceau lumineux ou son point lumineux - comme il fait partie de ltétat de la technique en soi dans un co > ,texte différent - sur au moins une partie de tette électrode, en particulier suivant un quadrillage ou en lignes successives. Si les signaux, en particuliér ceux qui sont obtenus par le palpage optique, sont- transmis à la partie vidéo ou similaire d'un appareil de télévision fonctionnant en synchronisme, la représentation par image du champ ultrasonore est rendue optimale. D'autres développements de l'invention prévoient l'utilisation d'un matériau d'oscillateur piézoélectrique possédant une haute constante diélectrique, par exemple du titanate de baryum ou du zirconate de plomb. De cette manière, on supprime suffisamment un court-circuit capacitif par l'oscillateur. Pour que la détérioration de la résolution de l'image due à la contraction transversale de la plaquette d'oscillateur soit maintenue suffisamment faible, l'épaisseur de la plaquette est choisie de préférence égale ou inférieure à la moitié de la longueur d'onde sonore. I1 est ensuite utile que les cristaux de la plaquette d'oscillateur soient disposés en mosaïque et qu'ils ne possèdent donc pas une structure de cristal à direction unilatérale, pour diminuer davantage les oscillations transversales de la plaquette d'oscillateur. Une autre forme de l'invention, avec formation d'hologrammes, prévoit qu'une partie de la tension de sortie de l'émetteur soit déviée et superposée à la tension de réception, ce qui permet d'éviter ce qu'on appelle le rayon de préférence. Au cas où il ne faut pas seulement représenter limage du champ sonore ou similaire, il est possible, suivant une forme plus développée, de joindre un ordinateur ou similaire au dispositif convertisseur. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - La figure 1 est une vue partiellement en perspective d'un dispositif de mesure avec le dispositif convertisseur, un émetteur ultrasonore à côté du palpeur et le parcours schématisé des rayons sonores venant d'un défaut dans la pièce vers le dispositif convertisseur; - La figure 2 montre un dispositif de mesure, dont le dispositif convertisseur est apposé directement sur ltéprouvette; - La figure 3 montre un dispositif semblable à celui de la figure 2 pour le fonctionnement en émission. Le dispositif convertisseur 13 se - compose selon l'invention essentiellement de la plaquette piézoélectrique, ou de l'oscillateur 1, sur-laquelle-ou lequel la couche 2 photo-électrique ou sensible à la lumière, par exemple en arséniure de gallium ou similaire est app quée, tandis que sur cette couche 2 une des électrodes 3 est appliquée sous forme de couche, par exemple par évaporation, l'électrode conductrice d'électricité 3 laissant au noins partelIement passer la lumière. Lors de l'utilisation d'une couche métallique appliquée par évaporation, elle doit être suffisamment mince.Un dispositif d'éclairage, pollvant se composer C'une lampe 7 ou similaire, envoie par l'intermédiaire d'une lentille 6 ou similaire un rayon lumineux en forme de tache ou de point lumineux 5 sur la surface extérieure de cette électrode 3. L'autre électrode 4 du dispositif cc-nvertisseur se trouvt- à l'arrière de la plaquette piézo-électrique 1. Les électrodes sont raccordées à un amplificateur 12 de manière connue en soi. Comme la couche photo-électrique 2 n'est pas conductrice à l'état non illuminé, elle ne donne dans cet état aucun signal électrique à l'amplificateur 12. Par contre, si 't?;fl enclenche la lampe 7, un rayon lumineux est envoyé.par ^'intermédiaire de la lentille 6 et de la couche d'élecivode trnsparentr 3 sur cette couche photoélectrique 2 qui devient conductrice à cet endroit. Comme une tension est appliquée aux électroded 3 et 4, l'amplificateur 12 reçoit un signal q;i es proportionnel à l'amplitude sonore sur le cristal et seulement à celle de l'endroit éclairé 5. L'image sonore sur l'ensemble de la surface de la plaquette de cristal 1 peut alors être représentée en déplaçant le point lumineux 5, par exemple comme par un balayage de télévisions sur la surface d'électrode @, c'est-à- dire sur la couche photoélectrique conductrice ur la surface du cristal, et en transmettant ensuive le signal de sortie de l'amplificateur 12 à la partie vidéo d'un pose de télévision synchronisé.Pour le balayage optique, on peut u=iliuer les procédés connus de la télévis.on, comme par exemple un réflccteur polygonal rotatif, un disque de Nipkow, u de préférence à l'état actuel de la technique, par projection du point umineux d'un tube de palpage par balayage, comme il est d'usage lors de la reproduction de films à la télévision. Sur la figure 1, on peut voir aussi la manière usuelle, connue en soi, de la production de l'image sonore. Un émetteur électrique à haute fréquence il de l'appareil à ultrasons engendre des ondes ultrasonores par l'intermédiaire de l'émetteur sonore, par exemple une plaquette piézo-électrique émettrice 10, et il "illumine" acoustiquement une éprouvette 9. L'image de réflexion, par exemple d'un défaut 9a, est projetée par une lentille ultrasonore 8 sur ltoscillateur 1.Selon le cas, on crée dlune manière équivalente une 1,image- par transparence", au cas où il faut travailler en transparence, en disposant alors les éléments i1 et 10 de la source untrasonore derrière lléprouvette, c'esta'-dire du cet opposé de la plaquette 1, comme l'émetteur HF lia et l'émetteur sonore IOa dans la figure 1. Pour éviter un court-circuit capacitif non souhaité des endroits non éclairés de la couche photoélectrique 2 vers ltertdroit conducteur 5, on choisit comme matière de la plaquette 1 un matériau à haute constante diélectrique comme du titanate de baryum ou du zirconate de plomb. Pour que la détérioration de la résolution de l'image due a' la contraction transversale mécanique de la plaquette d'oscillateur soit maintenue suffisamment faible, ltépaisseur de la plaquette est choisie de préférence égale ou inférieure å la moitié de la longueur d'onde sonore. Les oscillations transversales peuvent ensuite être réduites en construisant la plaquette 1 au point de vue structure comme une mosaïque cristalline très fine. Un autre avantage du convertisseur d'images 13 consiste aussi en ce qu'il peut etre utilisé non seulement pour la reproduction images ultrasonores produites de la manière classique, mais aussi,en forme inchangée, pour l'enre- gistrement d'hologrammes ultra-sonores, puisque le champ sonore est palpé en fréquence et en phase par le convertisseur. Un exemple d'un dispositif pour réaliser un hologramme de rayonnement est montré par la figure 2. L'entièreté du convertisseur ultrasonore, correspondant aux éléments 1 å 7 de la figure 1, auquel l'amplificateur 12 est raccordé, est utilisée dans ce but. Ici, le convertisseur 13 est placé directement sur l'objet ou la pièce à contrôler 15. Un émetteur sonore 16 et 17 est disposé vis-a-vis du convertisseur 13. Ainsi, le convertisseur 13 recoit la répartition du son sur la surface de l'objet 15. Pour obtenir un hologramme on pourrait, en analogie avec l'holographie optique, superposer sur ce champ sonore un rayon de référence non perturbé par l'objet et obtenir ainsi l'image d'indifférence entre les deux réparti.ions du son; l'hologramme. Selon l'invention, on peut cependant, comme indiqué précédemment, éviter avantageusement ce "rayon de référence" en déviant une partie de la tension de sortie de l'émetteur et en la superposant à la tension de réception. Ainsi, on obtient le même effet qu'avec un rayon acoustique de référence, mais sous forme d'une solution simpliié. )'une manière analogue, on peut facilement recevoir les nombreux autres procédés holographiques 5, comme les .lolo{raismes par réflexion. Les hologrammes ainsi obtenus donnent une information 3 dimensionnelle sur l'objet et se laissent retransformer de nouveau en une image 3 dimensionnelle visible au moyen de méthodes optiques connues ou de calculatrices 7. Avec l'unité de conversion selon l'invention, il est possible de résoudre encore un autre problème. Souvent, on demande comme résultat de l'examen non pas une image tridimensionnelle, mais une image de coupe transversale à une profondeur donnée de la pièce 15. Selon l'invention, ce problème est résolu en réalisant la source lumineuse 7 (figure 1), non pas en forme ponctuelle, mais comme un disque circulaire de diamètre réglable, par exemple comme tme lampe mate avec un diaphragme. La tache lumineuse sur la couche photoélectri;ue 2 prend alors la forme d'un disque éclairé avec un diamètre prédéterminé d. Alors le convertisseur sonore travaille à chaque instant comme un récepteur en forme de disque. Celui-ci a comme caractéristique de travailler comme un récepteur sonore focalisé. Le "foyer naturel du champ proche" de ltoscillateur circulaIre se trouve a' une profondeur 5 T # d 4# ( étant la longueur d'onde du matériau contigu). Un convertisseur ;'images ainsi utilisé fournit limage de coupe nette voulue à la profondeur T, et les zones devant et derrière cette profondeur sont floues, de manière à donner simplement un 'voile gris" à structure floue comme apport à l'image. Dans cette structure, l'image de coupe peut facilement être reconnue. La focalisation et ainsi donc la résolution de l'image se laissent aussi améliorer, si au lieu d'un disque on projette sur le cristal une forme correspondant à une lentille à échelons de Fresnel 6. De cette manière, on réalise des images de coupe sonores avec une résolution de l'ordre de la longueur de tonde sonore.Un avantage particulier consiste ici en ce que le dispositif convertisseur même ne change pas, lorsqu'on veut commuter de l'hologramme sur l'image de coupe, et qu'il suffit d'échanger un masque optique devant la lampe 7. Le dispositif convertisseur selon l'in- invention a été décrit ci-dessus comme récepteur sonore. Le cristal piézo-électrique 1 peut cependant travailler de la même manière comme émetteur sonore, aussi longtemps que la tension de blocage de la couche photoélectrique 2 est supérieure à la tension d'émission. Cette manière de fonctionner a une importance pratique particulière lors de l'utilisation de la technique à impulsions-échos connue pour le contrôle des matériaux. Lorsqu'on relie, voir figure 3, un convertisseur 18, se composant des éléments 1 à 7 en analogie avec la figure 1, à un appareil à impulsions ultrasonores 19, et lorsqu'on l'applique par l'intermédiaire d'eau ou directement sur la pièce a examiner 20, alors on obtient, en palpant par balayage le cristal au moyen d'une tache lumineuse 5, ce quton appelle une image-C, comme du contre des matériaux en technique par immersion 4.Par rapport à ce contrôle par immersion, 11 invention a cependant l'avantage d'avoir un balayage beaucoup plus rapide, en comparaison avec les manipulateurs mécaniques des réservoirs a' immersion conventionnels. Un autre avantage consiste dans le fait que la forme de la surface sensible au son peut facilement être modifiée pour mieux répondre aux exigences données au point de vue résolution de l'image. Par rapport au procédé de l'image sonore, fonctionnant avec des ultrasons émis en continu, on a encore l'avantage, afin de sélectionner la couche à la profondeur voulue où l'image de coupe transversale doit être réalisée, de ne pas seulement profiter de l'effet de focalisation du convertisseur, mais en outre de pouvoir mettre un diaphragme sur le temps de parcours, comme il est connu en soi. L'effet non voulu des couches d'objet devant et derrière le plan visé peut être éliminé dans une large mesure. Si le convertisseur est seulement palpé sur une ligne et si l'on utilise pour une représentation d'image le temps de parcours comme deuxième coordonnée, alors on obtient avec une disposition qui, pour le reste, est identique, l'image-B également connue. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir ci'autres fornes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R R V R N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif pour l'émission et la réception d'ultrasons, avec au moins un convertisseur d'ultrasons piézo-électrique, dont la surface est palpée par un rayon et dont le dessin de répartition de charge correspondant est capté par des électrodes d'oscillateurs et représenté par exemple sous forme d'image, dispositif caractérisé en ce qu'une des électrodes (3) de l'oscillateur (1) laisse passer au moins partiellement la lumière, une couche conductrice photoélectrique (2) étant disposée entre cette électrode (3) et la surface de +'oscillateurj ladite électrode étant éclairée par au moins un rayon ou faisceau similaire provenant d'une source de lumière (7). 20) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que son installation d'éclairage est réalisée de telle manière qu'on puisse former une tache de lumière qui soit au choix ponctuelle ou de surface déterminée, de préférence circulaire, ou encore en forme de lentille à échelons de Fresnel. 30) Dispositif suivant l'une ou l'autre des revendscations 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode (3) est constituée par au moins une couche métallique (3), appliquée par évaporation de manière suffisamment mince. 40) Procédé de fonctionnement du dispositif suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'on déplace le faisceau lumineux ou son point lumineux, sur au moins une partie de l'électrode (3), en particulier suivant un quadrillage ou en lignes successives. 50) Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on transmet les signaux d'amplification obtenus par palpage optique à la partie video ou similaire d'un appareil de télévision fonctionnant en synchronisme. 60) Dispositif suivant ltune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un matériau à haute constante diélectrique, tel que du titanate de baryum ou du zirconate de plomb, est utilisé pour l'oscillateur piézoélectrique. 70) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaquette d'oscillateur (1) est égale ou inférieure à la moitié de sa longueur d'onde sonore 80) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cristaux de la plaquette d'oscillateur possèdent une structure de mosaïque. 90) Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 4 et 5, avec formation d'hologrammes, caractérisé en ce qu'on dévie une partie de la tension de sourie de l'émetteur et on la superpose à la tension de éception. 100) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 7 et 8, caractérisé en ce qu'un ordinateur ou similaire est joint au cispositlf convertisseur (1-7, 139 18, 19).