Brevet FR2300626A1 — publié le 19760910

La présente invention concerne un ensembleàtransduc- teurs électro-acoustiques montés sur une plaque, destine à un appareil de traitement par ondes sonores ou ultrasonores, comme par exemple un appareil de nettoyage par ultrasons. La plaque peut être constituée sait par une face d'un récipient contenant un liquide, soit par la paroi d'une structure immergée, en forme de boîte, destinés à être utilisés dans un appareil de nettoyage par ul trasons, comme par exemple celui décrit dans le Brevet U.S. nO 3. 318. 578. L'invention concerne plus precisement un ensemble i transducteurs électro-acoustiques monté sur une plaque dans le but de faire propager des ondes sonores ou ultrasonores dans un liquide. Les configurations particulières décrites donnent lieu à un mouvement uniforme de la plaqueZen phase, sur la totalité de la surface de la plaque, ctest à dire un mouvement du type de celui d' un piston, ce qui produit une érosion minimale de la surface de la plaque du fait de érosion dûe à la cavitation. Le nettoyage d'articles à l'aide d'une solution de netteyage mise en cavitation par un procédé acoustique est une technique qui est maintenant bien connue. De fanon générale, on utilise une cuve en acier inoxydable contenant un liquide et dans laquelle sont montés un certain nombre de transducteurs électroacoustiques. Lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique de haute fréquence, ces transducteurs convertissent l'énergie électrique en vibrations mécaniques dans la gamme sonore ou ultrasonore, en général dans une plage de fréquence comprise entre 16 et 50 kHz. Les transducteurs sont habituellement montés sur la paroi de fond de la cuve, pu sur une ou plusieurs des parois latérales. En variante, ces transducteurs peuvent être disposés dans une enceinte étanche distincte qui est immergée dans la cuve. Les transducteurs! les plus courants sont des transducteurs à élecJ trostriction qui font usage d'un ou de plusieurs disques piezoé- lectriques pour convertir lténergie électrique en vibrations mécaniques (voir par exemple le brevet U.S. nO 3.066.232). En variante, on peut utiliser des transducteurs à magnétostriction qui font application des propriétés de magnétostriction d'un certain nombre de corps. La fabrication des transducteurs de ces deux types est bien connue de l'homme de l'art et, pour plus de détails, on se référera par exemple à l'article "Ultrasonics in Industry" par E.B. Steinberg, paru dans la revue "Preceedings of the IEEE" Volume 53, no 10, Octobre 1965, pages 1298 et 1299. Dans les appareils de nettoyage par ultrasons de l'art antérieur, on utilise des transducteurs qui sont fixes 8 une plaque par une surface frontale de section généralement circulaire. Il apparaît donc des interstices entre les transducteurs, lorsque ceux-ci sont groupés et fixés sur la plaque. Dans ces interstices, la plaque ne vibre pas avec la même phase et la même amplitude que les transducteurs adjacents, c'est à dire que les parties de la plaque se trouvant dans des interstices ne s'écartent pas de leur position initiale en même temps que les parties de la plaque couplées aux transducteurs adjacents. On obtient ainsi un déplacement qui n?est pas uniforme sur toute la surface de la plaque.Ce phénomène produit une cavitation de surface de la plaque sur laquelle sont montés les transducteurs, et l'érosion de surface qui en résulte dans ces régions, réduit notablement la durée de vie utile de l'appareil de nettoyage. Le déphasage du mouvement de certaines des parties de la plaque résulte en grande partie des variations de distance entre transducteurs adjacents. La distance entre transducteurs adjacents varie entre une valeur pratiquement nulle et une valeur déterminée par le rayon de la surface frontale. On peut même avoir des distances encore plus élevées, en fonction de la géométrie du réseau de transducteurs, et de l'écartement de ceux-ci. Lorsque la distance entre transducteurs adjacents croît, la plaque est soumise à des mouvements de flexion qui créent des ondes stationnaires. Certaines des ondes engendrées sont déphasées par rapport aux ondes produites par les transducteurs adjacents. Selon l'invention, des transducteurs de surface frontale polygonale sont disposés de manière à éliminer la propagation d'ondes déphasées. Plus précisément les transducteurs couplés à la plaque sont juxtaposés le long d'un bord rectiligne, de façon à définir un écartement uniforme entre transducteurs adjacents. L'écartement entre les transducteurs est inversement proportionnel à la fréquence des vibrations ultrasonores -appliquées et directement proportionnel à l'épaisseur de la plaque: L'écartement varie entre une valeur pratiquement nulle lorsque les transducteurs se touchent, jusqu'à une valeur maxima-le de l'ordre de 13 mm. Par exemple, lorsque la fréquence des vibrations ultrasonores appliquée est de 25 kHz, et que la plaque a une épaisseur de 1,6 mm, l'écartement entre transducteurs est de 3 mm.La confi guration la plus avantageuse est celle correspondant à des transducteurs ayant des surfaces frontales hexagonales, mais on peut également utiliser avantageusement des transducteurs électroacoustiques ayant des surfaces frontales rectangulaires,carrées ou triangulaires.Lorsquton choisit un écartement faible, il n' existe pratiquement plus d'interstices entre les transducteurs,ce qui produit un mouvement uniforme de la plaque lorsque tous les transducteurs sont alimentés en phase.torsqu'on augmente l'écarte- ment, les régions de la plaque qui se trouvent entre les transducteurs adjacents commencent à amplifier l'amplitude du mouvement appliqué.Lorsqu'il se produit dans des conditions définies,cet effet d'amplification augmente l'agitation du liquide en contact avec la plaque.Si l'on augmente encore davantage l'écartement, les régions de la plaque qui se trouvent au niveau des interstices commencent à présenter des mouvements vibratoires de flexion qui sont déphasés par rapport aux mouvements appliqués par les transducteurs.L'apparition de ces mouvements déphasés correspond à une augmentation de l'érosion de la surface de la plaque,ce qui diminue l'efficacité de l'appareil.La valeur la plus avantageuse de l'éssH tement est donc celle qui produit un mouvement en phase des régions de la plaque se trouvant entreles transducteurs adjacents. Un but important de l'invention est donc de fournir un ensemble de transducteurs électro-acoustiques qui sont fixés sur une plaque de façon à engendrer un mouvement uniforme et à réduire 1' érosion de surface et l'usure de cette plaque. Un autre but de l'invention est de fournir un ensemble de transducteurs électro-acoustiques éliminant pratiquement les interstices entre les transducteurs adjacents. Encore un autre but de l'invention est de fournir un ensem be de transducteurs électro-acoustiques dans lequel la distance entre transducteurs adjacents est constante. L'invention a également pour but de fournir un réseau de transducteurs électro-acoustiques permettant une augmentation de la durée de vie utile d'un appareil de traitement par des ondes sonores ou ultrasonores. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: -la figure l est une représentation en perspective d'un transducteur électro-acoustique,pouvant être utilisé dans les modes de réalisation avantageux de l'invention, -la figure 2 est une représentation en coupe transversale d'un réseau de l'art antérieur; -la figure 3 est une représentation en coupe transversale d'un réseau correspondant à un mode de réalisation avantageux de 1 'invention;et les figures 4 et 5 sont des représentations en coupe de réseaux correspondant à d'autres mcdes de réalisation - de l'invention. On se réfèrera maintenant aux dessins et tout d'abord à la figure l qui représente un transducteur pouvant être utilisé dans un des modes de réalisation de l'invention.Le transducteur 10 comprend une partie frontale 12, ayant une surface frontale 14, généralement en aluminium,et un élément arrière 16.généralement en acier.Deux éléments piézo-électriques annulaires 18 et 20, séparés par une électrode annulaire 22, font résonner le transducteur en demi-onde, dans sa direction axiale lorsque ledit transducteur est alimenté par un courant alternatif de fréquence prédéterminé. Les éléments piézo-électriques 18 et 20 du transducteur 10 sont maintenus comprimés à l'aide dun boulon central 17. Le transducteur est construit essentiellement de la manière indiquée dans l'ouvrage "Ultrasonic Engineering" par Julian Frederick, John Wiley & Sons,Inc., New York N.Y.,(1965)p.69-72. Dans l'art antérieur, l'élement frontal est généralement en forme de cylindre ou tronc de cône, avec la plus grande section fixée au récipient contenant le liquide auquel on veut transmettre de l'énergie vibratoire à haute fréquence. Dans le mode de réalisation correspondant à l'invention, la surface 14 est polygonale. Cette forme est obtenue par usinage d'un tronc de cône, de façon à produire les côtés rectilignes 13. En variante, l'élément frontal 12 peut être fabriqué à partir d'une barre métallique prismatique ayant par exemple une section triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale. La figure 2 est une représentation en plan d'un réseau classique de transducteurs électro-acoustiques lOA, ayant chacun une surface frontale circulaire 14A. Ces transducteurs sont fixés sur une plaque 24A à laide d'un adhésif époxy, ou d'un autre moyen approprié classique. Lorsqu'on fixe les transducteurs sur la plaque 24A,l'adhésif s'écoule autour des bords 13A des transducteurs et remplit une partie des interstices 26.La plaque 24A constitue généralement le fond ou une paroi latérale d'une cuve destinée à contenir un liquide, comme on en trouve dans les appareils à nettoyage à ondes sonores ou ultrasonores.En variante, la plaque 24A peut être une paroi d'une structure en forme de bol- te étanche qui est immergée dans un liquide (voir, à ce sujet, le brevet U.S. nO 3.318.578; mentionné précédemment). Dans la structure de l'art antérieur qui est représentée sur la figure 2, la surface frontale 14A du transducteur est circulaire, comme il est indiqué, par exemple, dans le brevet U.S. nO 3.066.232. Les transducteurs juxtaposés laissent des interstices 26. La distance entre transducteurs adjacents n'est pas constante,-et varie entre une valeur pratiquement nulle aux points 28, et une valeur importante dans la région centrale. Les dimensions maximales des interstices dépendent du diamètre de la surface frontale 14A et de la répartition géométrique des transducteurs.Ainsi, on obtiendrait des interstices plus faibles en groupant les transducteurs par trois. Les interstices variables donnent lieu à un mouvement non uniforme de la plaque 2L lorsque les transducteurs 10A sont alimentés. Comme il est habituel, les transducteurs sont alimentés en phase , c'est à dire que les mouvements de dilatation et de contraction des transducteurs, à cadence ultrasonore, sont en synchronisme les uns avec les autres. Lorsque les transducteurs 10A sont alimentés en phase, la partie de la plaque 24A correspondant aux interstices 26 présente un mouvement déphasé, ce qui donne naissan- ce à des phénomènes parasites à la surface de la plaque 24A. Ces défauts d'uniformité du déplacement de la plaque produisent une érosion de surface excessive de celle-ci dans les régions 26 qui sont en contact avec le liquide, et cette érosion finit par percer la plaque 24A, ce qui réduit la durée de vie ut- le etl1efficacité globale de l'appareil à ultrasons. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les transducteurs 10 ayant des surfaces frontales hexagonales 14 (voir figure 1) sont fixés sur une plaque 24B de façon à ce que les interstices 30 entre transducteurs adjacents aient une largeur constante. La figure 3 représente une partie d'une configuration géométrique de ce mode de réalisation. La surface frontale 14 du transducteur 10 comporte des bords rectilignes 13 qui, par juxtaposition avec un autre transducteur 10, ayant également des bords rectilignes 13, donnent des interstices uniformes 30, correspondant à un écart prédéterminé entre transducteurs adjacents. Les transducteurs sont fixés à la plaque 24B par un adhésif époxy ou un autre moyen de fixation.L'adhésif époxy s'écoule dans les interstices 30 lorsqu'on fixe les transducteurs 10 sur la n laque 243. Dans un réseau ,les interstices 30 ont une largeur pratiquement nulle, c'est à dire que les surfaces frontales 14 des transducteurs juxtaposés sont pratiquement en contact, et ne laissent qu'un espace suffisant pour l'écoulement de l'adhésif époxy qui est chassé au moment de la fixation. Si on alimente le réseau de transducteurs en phase , la totalité de la plaque 24B se déplace d'un mouvement uniforme, ce qui réduit l'érosion de cette plaque par cavitation, et augmente la durée de vie utile de la structure à laquelle appartient la plaque 24B. On peut également disposer les transducteurs 10 de manière à créer un interstice prédéterminé 30 entre transducteurs adjacents, afin que la plaque 24B vibre en phase avec l'énergie appliquée, mais avec une amplitude supérieure. L' augmentation d'amplitude produit une agitation plus forte du liquide en contact avec la plaque 24B. La figure 3 représente un réseau particulier comprenant 7 transducteurs 10, mais on peut ajouter un nombre quelconque de transducteurs ayant des surfaces frontales hexagonales 14, en disposant ces transducteurs de la manière décrite ci-dessus. La figure 4 représente un réseau de transducteurs 10C fixés à la plaque 24C. La surface frontale 14C de chaque transducteur est rectangulaire et présente des bords rectilignes 13C. Les transducteurs sont disposés de façon à définir des interstices uniformes 32 entre les bords respectifs des surfaces frontales. Le fonctionnement et les résultats obtenus avec ce réseau de transducteurs sont pratiquement identiques à ceux indiqués ci-dessus en relation avec la figure 3. Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention,représenté sur la figure 5, des transducteurs ayant une surface frontale triangulaire 14D comportant des bords rectilignes 13D, sont fixés sur une plaque 24D, en étant juxtaposés de façon à définir des interstices uniformes 34 de largeur prédéterminée. La description ci-dessus porte sur des transducteurs ayant des surfaces frontales hexagonales, rectangulaires et triangulaires, mais on peut naturellement utiliser des transducteurs ayant des surfaces frontales présentant une autre forme, à condition que ces surfaces possèdent un bord rectiligne. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. -REVENDICATIONS 1.- Ensemble à transducteurs électro-acoustiques destiné à être utilisé dans un appareil de traitement par ultrasons,caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque dont l'une des faces est destinée à venir en contact avec un liquide;plusieurs transducteurs électro-acoustiques distincts comportant chacun un élément frontal ayant une surface frontale possédant au moins un bord rectiligne; et des moyens de couplage fixant ces éléments frontaux juxtaposés par leurs bords rectilignes respectifs sur l'autre face de ladite plaque, de façon à faire disparaitre pratiquement tous les interstices entre éléments adjacents, afin de produire un mouvement cyclique pratiquement uniforme de cette plaque lorsque les transducteurs constituant ledit ensemble sont alimentés en phase avec de l'énergie électrique alternative. 2.- Ensemble à transducteurs électro-acoustiques,destiné à un appareil de traitement par ultrasons,caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque métallique dont l'une des faces est destinée à venir en contact avec un liquide; plusieurs transducteurs électro-acoustiques distincts ayant chacun des dimensions axiales choisies de façon à constituer un résonateur demi-onde à une fréquence prédéterminée, afin de vibrer sous l'action de l'énergie électrique qui est appliquée à cette fréquence prédéterminée, chaque transducteur comportant un élément frontal ayant une surface frontale possédant au moins un bord rectiligne; et des moyens de couplage fixant ces éléments frontaux,juxtaposés selon leurs bords rectilignes respectifs, à l'autre face de ladite plaque,de façon à assurer une distance pratiquement uniforme entre lesdits éléments frontaux. 3.- Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comprennent un adhésif époxy. 4.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que ladite surface frontale a la forme d'un hexagone. 5.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite surface frontale a la forme d'un triangle. 6.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite surface frontale a la forme d'un rectangle.