Brevet FR2251149A1 — publié le 19750606

La présente Invention est relative à un amortisseur pour transducteur piézoélectrique destiné en particulier à la réalisation de contrôles non destructifs par ultrasons de pièces ou matériaux, notamment pour la détection et la localisas tion de défauts ou hétérogénéités internes, ou bien pour une mesure d 'épaisseur. On connaît parfaitement de nombreuses réalisations de transducteurs, généralement constitués par un cristal ou pastille piézoélectrique, formant élément oscillant et répondant à un signal mécanique ou électrique par une entrée en vibrations ultrasonores avec une fréquence qui dépend de la vitesse du son dans le matériau de la pastille et de son épaisseur.De façon particulière mais également bien connue, de tels transducteurs sont déjà utilisés pour effectuer des mesures à haute température, la pastille sensible étant avantageusement dans ce cas montée dans un boiter ou une capsule étanche, contenant un gaz ou de l'air d'isolement. Soumise par exemple à un échelon de tension électrique convenable, cette pastille engendre par une de ses faces une impulsion acoustlque qui se propage dans le milieu extérieur vers la pièce à controler, en se réfléchissant après pénétration dans celle-ci sur les discontinuités d'impédance acoustique, telles que défauts, fissures ou surfaces de la pièce. chaque onde réfléchie, revenant sur la pastille, produit à son tour une nouvelle impulsion électrique dont l'amplitude et le retard par rapport à l'impulsion d'emission, permettent de déterminer l'importance du défaut constaté et d'évaluer sa position au sein du matériau de la pièce examinée. On sait enfin qu'une pastille piézoélectrique peut fonctionner soit en emetteur-recepteur comme rappelé ci-dessus, soit en récepteur uniquement. Dans le premier cas, après excitation de la pastille par une impulsion électrique, il convient que le cristal retourne a son état de repos avant réception du signal réfléchi sur une discontinuité ou un défaut. Or, après l'émission de l'impulsion électrique initiale, chaque face de la pastille engendre deux ondes acoustiques qui se propagent en sens inverse. Aux interfaces de la pastille, ces ondes se réfléchissent et/ou se réfractent selon le rapport des impédances acoustiques des milieux en présence.Ces réflexions et ces réfractions successives ont pour résultat d'allonger le signal final; pour obtenir un signal court, à la limite une période d'oscillation, et augmenter ainsi le pouvoir de résolution du transducteur, il est donc nécessaire de dissiper l'énergie des ondes réfléchies vers un amortisseur, notamment situé vers la face arrière de la pastille par rapport à celle qui regarde la pièce à contrôler, l'impédance acoustique de l'amortisseur devant être adaptée à celle de la pastille pour favoriser la réfraction des ondes vers cet amortisseur. De même et dans le cas d'un fonctionnement en récepteur uniquement, après mise en vibration par une impulsion acoustique quelconque, le cristal doit retourner à son état de repos, en particulier avant réception de l'lmpulsion suivante.Le taux d'amortissement du transducteur conditionne donc dans tous les cas, la fréquence de réception des impulsions. On a déjà réalisé des amortisseurs mécaniques associés a des pastilles piézoelectriques et constituees au moyen d'un bloc massif d'un matériau synthétique ou métallique, qui a pour but d'éviter le retour rapide et non atténué vers la pastille des impulsions reçues, en procurant dans ce but, soit un affaiblissement des ondes par dissipation dans le matériau lui-même, soit plus généralement des réflexions successives et nombreuses dans le matériau de l'amortisseur lui-même. On sait en effet qu'à chaque réflexion, une partie de l'énergie incidente est réfléchie avec un changement de mode, s'accompagnant à chaque fois d'une perte d'énergie. La présente invention a pour objet un amortisseur qui apporte sur les réalisations déjà connues des avantages remarquables, en permettant de réaliser un nombre de réflexions considérablement augmenté pour un volume et un encombrement plus faibles que dans les solutions antérieures connues. A cet effet, l'amortisseur considéré se caractérise en ce qu'il comporte un corps plein de forme générale tronconique, de révolution autour d'un axe et présentant dans sa région de plus large section une face de contact avec une pastille piézoélectrique, ce corps plein étant réuni dans sa région de plus faible section à un corps creux, délimité par des surfaces de révolution autour de l'axe du corps plein, respectivement concave pour la surface externe et convexe ou plane pour la surface interne par rapport à la direction d'un rayonnement ultrasonore pénétrant dans la pastille par sa face opposée à l'amortisseur. Les surfaces de révolution délimitant le corps creux peuvent entre constituées par des quadriques (paraboloïdes, ellipsoïdes, hyperboloïdes), des surfaces réglées (cylindriques, coniques, planes), des surfaces sphériques, des paraboloïdes elliptiques ou des hyperbololdes elliptiques. Avantageusement, la pastille piézoélectrique est constituée par un disque cylindrique mince ou une calotte sphérique présentant un axe de symétrie de révolution, confondu avec l'axe commun des corps plein et creux. En variante, dans le cas ot la pastille présente un profil non circulaire, notamment rectangulaire ou elliptique, les surfaces délimitant le corps creux peuvent comporter un ou plusieurs plans de symétrie. D'autres caractéristiques d'un amortisseur piézoélectrique établi conformément à 1 'invention apparaitront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle dun transducteur associé à un amortisseur selon l'invention, l'ensemble étant monté à llinterieur d'un bottier étanche, notamment pour effectuer des mesures à l'intérieur d'une atmosphère corrosive à haute température, - les Fig. 2 à 5 illustrent différentes variantes de réalisation de l'amortisseur considéré. Comme on le voit sur la Fig. 1, le transducteur représente, désigné dans son ensemble par la référence 1, se compose principalement d'une pastille piézoélectrique 2 en forme de disque cylindrique plat, réalisé en un matériau approprié, notamment en niobate de lithium ou en tantalate de lithium, Ce disque 2 est soudé par une jonction du type céramique-métal, sur une fenetre ou membrane métallique mince 3, fermant l'extrémité d'un bottier 4 contenant la pastille piézoélectrique et l'amortisseur 5 qui lui est associé, ce dernier étant décrit plus en détail par la suite. A l'intérieur du boitier 4 est aménagée une cavité 6 contenant l'amortisseur 5, lui-même soudé contre la face de la pastille 2 opposée à la fenêtre 3 par une jonction céramique-métal.L'ensemble est convenablement centré dans l'axe du boitier par l'intermédiaire d'un plot de contact sphérique 7 soumis à l'action de deux ressorts coaxiaux 8 et 9, prenant appui contre une coupelle d'extrémité 10 bloquée contre un épaulement 11a d'un manchon en deux parties 11, monté dans la cavité 6. A son extrémité supérieure, le boîtier 4 comporte un passage étanche 12, du genre presse-étoupe, pour un cible d'alimentation 13 pénétrant dans la cavité 6 par un alésage de ommunication 14, ce câble 13, du type à conducteur central 15, étant agencé de telle sorte que ce conducteur 15 soit convenablement soudé en 16 sur une partie quelconque accessible de l'amortisseur 5.Enfin, l'espace 17 laissé libre à l'intérieur de la cavité 6 du boîtier 1 est rempli d'air ou d'un gaz oxydants ce dernier étant de préférence adopté lorsque la pastille 2 est réalisée en niobate ou en tantalate de lithium, de façon à éviter une modification de la molécule de ces corps par transformation stoëchiométrique due à une perte d'oxygène. Dans ce cas, les surfaces en contact de l'amortisseur 5 sont de préférence revêtues d!une couche protectrice 5a en chrome, nickel-chrome, molybdène, or... L'amortisseur 5 est réalisé en un matériau présentant un taux d'atténuation ou de dissipation élevé, dont le coefficient de dilatation est par ailleurs le plus proche possible de celui de la pastille piézoelectriqne 2, de manière à limiter les différences des dilatations thermiques et d'assurer une tenue mécanique convenable de la liaison métallurgique entre ces deux pièces; avantageusement,l'amortisseur sera réalisé en acier inoxydable ou en-un alliage approprie. Conformément à l'invention, l'amortisseur 5 présente deux parties raccordées l'une à l'autre, dont l'une est constituée par un corps plein 18 de révolution, de forme générale tronconique, dont la grande base 19 est en application par une jonction céramique-métal contre la surface en regard de la pastille piézoélectrique et dont la petite base 20 est raccordée à un corps creux 21 délimité extérieurement et intérieurement par des surfaces de révolution autour de l'axe commun des deux corps. Le corps creux 21 comporte notamment une surface externe 22 de forme concave, correspondant dans l'exemple de réalisation considéré à une partie sphérique et une surface interne 23 constituée par une partie cylindrique 24, et une partie conique 25 se raccordant l'une à l'autre, la concavité ou la convexité des surfaces du corps creux 21 étant regardées vis-à-vis de la direction du rayonnement ultrasonore reçu. Gracie à ces dispositions, tout rayonnement ultrasonore incident pénétrant dans l'amortisseur 5, tel que représenté en pointillés sur le dessin est amené à subir un certain nombre de réflexions, soit sur les surfaces tronconiques latérales du corps plein 18, soit directement ou ultérieurement sur les surfaces externe 22 et interne 23 du corps creux 21, l'agencement de ces dernières étant tel que le nombre de ces réflexions soit particulièrement élevé. Dans ces conditions, l'énergie du rayonnement ultrasonore émis ne peut, en tout état de cause, être restitué à la pastille piézoélectrique 2 qu'avec une atténuation considérable et pratiquement négligeable, évitant toute altération significative du signal initial émis ou reçu. Dans la variante illustrée sur la Fig. 2, l'amortisseur 5 est réalisé de telle sorte que le corps plein 18 de forme générale tronconique, réuni à la pastille piézoélectrique 2 par une jonction céramique-métal, se raccorde ici avec un corps creux 21 dont les surfaces externe et interne, respectivement 22 et 23, sont des surfaces sphériques. Cette variante permet notamment un allégement du volume de l'amortisseur et du poids correspondant. Par ailleurs, la liaison électrique entre le câble d'alimentation 13 et le corps creux 21 de l'amortisseur, notamment par l'interne médiaire de l'amie ou du conducteur central 15 de ce câble, est réalisée au moyen d'un doigt 26 en saillie selon l'axe du corps creux, ce doigt 26 présentant axialement un alésage 27 dans lequel l'extrémité du conducteur 15 peut être sertie. Bien entendu, cette variante de réalisation en ce qui concerne le mode de liaison électrique avec l'amortisseur n'est nullement exclusive, la liaison pouvant aussi -bien s'effectuer comme dans l'exemple illustré sur la Fig. 1 où le conducteur 15 est relié à l'une des extrémités du corps creux 21, ou encore par soudure de l'extrémité de ce même cabale en un autre point de liaison approprié. Dans la variante illustrée sur la Fig. 3, l'amortisseur 5 comporte comme précédemment un corps plein 18 tronconique, réuni à un corps creux 21 dont les surfaces externe 22 et interne 23 se présentent sous la forme de deux surfaces paraboliques, la liaison entre ces deux surfaces étant réalisée en prolongeant la surface externe 22 par une portion de forme spherique 28.Enfin, dans la variante illustrée sur la Fig. 4, le corps creux 21 est délimite par une surface externe 22 parabolique et une surface interne 23 de forme conique. I1 va naturellement de soi que toutes les combinaisons sont possibles entre les formes respectives des surfaces externe et interne du corps creux de l'amortisseur, ces surfaces pouvant être constituées par des quadriques, par des surfaces en forme de parabolol- des, d'éllipsoïdes ou d'hyperboloïdes, par des surfaces réglées cylindriques, coniques ou planes, par des surfaces non réglées, notamment sphériques ou bien par des portions de parabololdes elliptiques ou d'hyperboloïdes elliptiques. Enfin, dans la variante illustrée sur la Fig. 5, le corps plein 18 de l'amortisseur 5 est relié par une jonction céramique-métal avec une pastille piézoélectrique 29 qui, dans cet exemple, se présente sous la forme d'une calotte sphérique d'épaisseur constante, appliquée contre une portée de même profil ménagée dans la face en regard du corps plein 18. Comme il résulte déjà de ce qui précède, i-l doit etre entendu que l'invention ne se limite donc pas aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier lorsque la pastille piézoélectrique se présente sous une forme qui n'est pas circulaire, l'amortisseur qui lui est associé peut avantageusement comporter des surfaces réfléchissantes à un ou plusieurs plans de symétrie, notamment dans le cas où les pastilles se présentent sous la forme d'éléments rectangulaires ou elliptiques, taillés dans une surface plane. REVENDICATIONS 1. Amortisseur pour transducteur piezoélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte un corps plein de forme générale tronconique, de révolution autour d'un axe et présentant dans sa région de plus large section une face de contact avec-une pastille piézoélectrique, ce corps plein étant réuni dans sa région de plus faible section à un corps creux, délimité par des surfaces de révolution autour de l'axe du corps plein, respectivement concave pour la surface externe et convexe ou plane pour la surface interne par rapport à la direction d'un rayonnement ultrasonore pénétrant dans la pastille par sa face opposée à l'amortisseur. 2. Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de révolution délimitant le corps creux sont constituées par des quadriques (paraboloïdes, ellipsodes, hyperbolodes) , des surfaces réglées (cylindriques, coniques, planes), des surfaces sphériques, des paraboloïdes elliptiques ou des hyperboloïdes elliptiques. 3. Amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 et'2, caractérisé en ce que la pastille piézoélectrique est constituée par un disque cylindrique mince ou une calotte sphérique présentant un axe de symétrie de révolution, confondu avec l'axe commun des corps plein et creux. 4. Amortisseur selon la revendication 1, dans lequel la pastille présente un profil non circulaire, notamment rectangulaire ou elliptique, caractérisé en ce que les surfaces délimitant le corps creux comportent un ou plusieurs plans de symétrie. 5. Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé en acier inoxydable. 6. Transducteur ultrasonore, comportant une pastille piézoélectrique associée à un amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une fenêtre métallique mince sur laquelle est soudée par une jonction céramique-métal la pastille piézoélectrique par sa face opposée a l'amortisseur, cette fenêtre fermant un boîtier étanche comportant une cavité interne contenant 1 'amortisseur et un passage étanche pour un câble d'alimentation électrique de la pastille, relié à l'amortisseur dans le boîtier. 7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité du boîtier est remplie d'un gaz oxydant, la surface externe de l'amortisseur étant revêtue d'une couche de protection métallique, en chrome, nickel-chrome, molybdène ou or. 8. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'amortisseur et la fenêtre du boîtier sont réalisés dans le même matériau.