Brevet FR2329130A1 — publié le 19770520

La présente invention a pour objet un générateur susceptible d'émettre un échelon de pression ultra-sonore de caractéristiques déterminées. Elle vise en outre l'application dtun tel générateur à l'étalonnage des capteurs d'ultra-sons dans un large domaine de fréquence. On sait que les capteurs du genre en question constituent en fait des transducteurs ultra-son-électricité qui peuvent fonctionner comme émetteurs quand on le désire. C'est ce qu'an désigne par le terme l'réciprocité ' ou réversibilité. On les utilise à ltheu- re actuelle dans de nombreux domaines tels que le contrtle non destructif, ltémission acoustique, la médecine, etc... Or dans de nombreux cas il ne suffit pas d'émettre et/ou de détecter l'émis- sion, mais également de connattre quantitativement le résultat, ctest-à-dire le rapport signal électrique-signal sonore ou inverse-ment.On a donc été amené à étalonner les capteurs. Parmi les méthodes utilisées à cet effet l'on peut citer celle basée sur la pression de radiation et principalement celle opérant par réciprocité. Cette dernière nécessite des cuves de grandes dimensions et exige des corrections d'absorption dans le domaine des hautes fréquences. En outre toutes ces méthodes ont l'inconvénient de faire appel à un très grand nombre de mesures, fréquence par fréquence, ce qui est long et coflteux, de sorte qu'en pratique leur application est limitée aux laboratoires de recherches, pour des appareils particuliers. On ne peut envisager de la prévoir systématiquement à la fabrication, étant noté que jusqu'ici du moins il a été impossible de réaliser en série des articles présentant des caractéristiques subs tantiellement identiques La présente invention vise à remédier à cet état de choses et a permettre d'établir un générateur d'échelon ultra-sonore très simple grâce auquel l'étalonnage des capteurs d'iltra-sons puisse votre exécuté de façon très simple et rapide. Conformément à l'invention le générateur comprend un élément piézo-électrique relativement épais ainsi que des moyens électriques dtexcitation prévus de manière à lui appliquer une impulsion de courant-très brève par rapport à sa période propre et transportant une charge connue. Dans une disposition préférée lSélément piézo-électrique est monté en série avec un condensateur, ltensemble est chargé à travers des résistances et il est prévu un circuit dtavalanche, commandé par un générateur d'impulsions approprié, pour décharger brusque ment cet ensemble à un instant déterminé. Le circuit d'avalanche peut notamment comprendre plusieurs transistors montés en série, la base de l'un-étant reliée au générateur d'impulsions précité, tandis que pour chacun des autres sa base est reliée à son émetteur. L'invention vise également un appareillage permettant d1etalon- ner un capteur ultra-sonore à l'aide d'un générateur tel que susindiqué. Cet appareil comprend un dérivateur recevant la réponse du capteur à étalonner, lui-même disposé pour recevoir l'onde de pression du générateur, un circuit de porte recevant à son tour la sortie du dérivateur, et un analyseur de spectre relié à la sortie du circuit de porte, cet analyseur indiquant directement la réponse du capteur aux diverses fréquences dans un large domaine de celles-ci et permettant ainsi de eonnattre sa sensibilité. Le dessin annexé, donné à titre exemple permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'telle est suceptible de procurer Fig. 1 est un schéma d'un générateur d'onde de pression ultra-sonore suivant l'invention. Fig. 2 indique le profil des ondes de pression que ce générateur permet dtobtenir. Fig. 3 montre un capteur étalon disposé en face de ltélé- ment piézo-électrique du générateur. Fig. 4 indique le profil de la réponse de ce capteur. Fig. 5 est le schéma de l'appareil propre, suivant l'inven- tion, à déterminer les paramètres et notamment la sensibilité d'un capteur aux diverses fréquences. En fig. 1 la référence générale 1 désigne un élément piézo-électrique comprenant un disque 2 relativement épais fait d'une céramique ou cristal approprié et deux électrodes 3, 4 appliquées sur l'une et l'autre face de ce disque. L'électrode 3 est reliée au le positif d'une source 5 par un circuit comportant en série, en partant de ladite électrode, une diode 6 shuntée par une forte résistance 7 et orientée de manière à s'opposer au passage du courant de la source 5 vers l'élément 1, une résistance fixe 8 et une résistance réglable 9. Quant à l'électrode 4, elle est reliée à un condensateur 10 dont l'autre électrode est reliée de son ctté au pôle négatif de la source 5 à travers une résistance 11 et par l'intermé- diaire de la masse. Entre d'une part le point de jonction de la résistance 8 avec ltensemble diode 6 -résistance 7 et d'autre part la masse, c'est à-dire la jonction de la résistance Il avec le pôle négatif de la source 5, est disposée une succession de trois transistors T1, T2 et T3 de type NPN montés en série. Chacun des deux premiers a sa base directement reliée a son émetteur, ctest-à-dire se trouve normalement maintenu à ltétat non conducteur, tandis que l'émetteur du troisième est relié au pôle positif d'un élément polarisateur 12, dont le pôle négatif est à son tour relié à la base dudit transistor T3 à travers un générateur auxiliaire 13 propre à émettre une forte impulsion positive. Pour fixer les idées par un exemple précis, le disque 2 a une épaisseur de 12 mm pour un diamètre de 20 mm, la source 5 comporte une tension de 350 volts pour une tension d'avalanche d'environ 100 V de chaque transistor. La valeur maximale de la résistance réglable 9 est de 5 kì et les valeurs respectives des résistances fixes 7, 8 et 11 sont de 100 k 10 ka et 1,5a . La diode 6 doit avoir une tension inverse supérieure à 350 V.Le condensateur 10 a une capacité de 22 nf, la tension de l'élément polarisateur 12- est de 2 V et l'impulsion positive du générateur 13 est de 10 V. Toute la partie du générateur entourée par le tracé en traits interrompus est réalisé de façon très ramassée, avec des connexions aussi courtes que possible. L'élément piézo-électrique 1 est disposé de manière que son électrode 4 soit en contact avec le milieu dans lequel doit steffec- tuer la propagation de échelon ultra-sonore. Le fonctionnement est le suivant : Au repos du générateur auxiliaire 13 la channe T1, T2, T3 est non-conductrice. L'élément piézo-électrique 1 se charge donc en même temps que le condensateur 10 à travers les résistances 9, 8 et 7, la tension de 350 V se répartissant entre eux en fonction inverse des capacités respectives, de sorte que connaissant la valeur de ces capacités et en mesurant la tension aux bornes de 10, l'on peut à chaque instant connattre la charge électrostatique Q1 de ltélément. Le courant de charge est considérablement amorti par les résistances, et principalement par la résistance 7 que la diode 6 ne court-circuite pas, puisqu' elle est alors non-conductrice. Par conséquent l'electrode 4 de ltélément 1 ntémet aucune onde sensible dans le milieu de propagation, le disque 2 se déformant avec une extrtme lenteur. Lorsque le générateur auxiliaire 13 émet une impulsion, T3 devient brusquement conducteur en déclenchant le régime d'avalanche pour ltensemble des trois transistors. Il en résulte la décharge rapide du disque piézo-électrique et du condensateur 10 à travers la diode 6 et la résistance 11 dont la valeur ohmique est trop faible pour intervenir de façon sensible. En fin de décharge la diode 6 bloque tout passage de courant inverse en empêchant ainsi l'amor- çage dtoscillations résiduelles gênantes. Le phénomène d'avalanche s'arrête dès que le courant de décharge devient inférieur au courant de maintien nécessaire. Par conséquent lté:lément piézo-électrique 1 et le condensateur 10 recommencent à se recharger lentement à la façon sus-exposée. La constante de temps de cette recharge doit entre choisie très supérieure à la période d'analyse, telle qu'on la définira plus loin (au moins une cinquan taine de fois dans l'exemple précité). Comme sus-indiqué la tension aux bornes du condensateur 10 est proportionnelle à la charge Q1 de l'élément piézo-électrique elle permet de contrtler qu'an a bien un échelon de charge pendant le temps dtanalyse et de déterminer son amplitude. Quant à la résistance 11, elle permet de son côté de vérifier et d'étudier l'impulsion de courant résultant de la décharge. Dans exemple précité la durée de cette impulsion est de 1 & ns, comme sus-indiqué, son spectre de fréquence étant d'amplitude constante jusqu 30 MHz. La théorie (voir "Broadening the bandwith of piezoelectric tranducers by means of transmission lines ; F. Lakestani, J. C. Baboux et P. Fleischmann, Ultrasonics, Juillet 1975 pages 176 à 180) montre que sous lteffet de cette impulsion de courant de durée relativement courte, le disque 2 émet une suite d'échelons de pression à temps de montée très raide. L'intervalle TA séparant deux échelons successifs représente le temps mis par l'onde ultra-sonore pour aller donne face à l'autre du disque. Comme ce dernier est relativement épais, cet intervalle est assez long pour permettre d'étudier le comportement du capteur qu'on souhaite étalonner. En pratique il est mieux de n'exploiter que le premier échelon lequel comporte le front de montée le plus raide. Pour cela il convient tout d'abord de déterminer le coefficient de proportionnalité K entre l'amplitude po de cet échelon et la charge Q1 de l'élément 1 (mesurée à partir de la tension aux bornes du condensateur 10). Cette détermination peut s'effectuer de deux façons, savoir par le calcul ou par un essai à l'aide d'un disque étalon. Suivant la première méthode on utilise la relation : Z h1 K = Z + Z1 x S1 dans laquelle - Z et Z1 sont les impédances acoustiques respectives du milieu de propagation (dans lequel se propage échelon de pression) et de l'élément 1 fonctionnant en émetteur (exprimé en kg.m2.s1) - S1 est la surface de l'electrode 4 de l'élément 1 (en m2) - hl est la constante piézo-électrique du matériau constitutif du disque 2, mesurée suivant l'axe de celui-ci, ctest-à-dire suivant la direction de polarisation entre les électrodes 3 et 4 (exprimée en V/m) - on trouve ainsi la valeur de K en Pa/C (Pascals/Coulomb). Cette méthode par calcul donne un résultat d'autant plus précis que le diamètre du disque 2 est plus grand par rapport à son épaisseur. Quand cette condition ntest pas remplie de façon suffisante il est mieux de recourir à la méthode par essai préalable. Cette seconde méthode, illustrée en fig. 3, implique la mesure dtune tension aux bornes d'un capteur ultra-sonore 14 de caractéristiques déjà connues. Ce capteur affecte la forme d'un disque de faible épaisseur (résonnant à quelques MHz) dont le comportement théorique est connu et bien vérifié expérimentalement (voir par exemple la référence bibliographique indiquée plus. haut). Dans ce qui suit ce capteur sera appelé "pastille" afin d'évi- ter toute confusion avec ltèlément lui-mme. Bien entendu il est pourvu de deux électrodes 15 et 16- permettant de recueillir un signal électrique. Le milieu de propagation utilisé est un liquide, tel par exemple que le pétrole. La pastille 14 doit être placée le plus près possible de l'élément 1 à étudier (distance de ltodre du mm). Le diamètre de cette pastille doit être un peu plus faible que celui dudit élément. On mesure la tension qui apparat entre les électrodes 15 et 16 de la pastille 14 par l'intermédiaire d'une sonde 17 reliée à un oscilloscope 18 de bande passante supérieur à 50 MHz. Le parallélisme et le centrage entre ltélément 1 et la pastille 14 doivent entre réglés de façon à obtenir une tension riche en fréquences et dtåmplitude maximale. Dans le cas d'un alignement soigné la courbe qui apparat sur l'écran de l'oscilloscope présente la forme indiquée en fig. 4, c'est-è-dire celle d'un signal constitué par une succession d'andes substantiellement triangulaires. Le maximum de la première se situe à un temps e et son amplitude correspond à échelon de pression po engendré par l'élément 1. # est bien inférieur au temps d'analyse TA de fig. 2.En fait e représente le temps mis par l4onde pour aller d'une face à l'autre de la pastille 14, tandis que TA correspond à-celui nécessaire à cette onde pour traverser ltélément 1. On peut montrer que po = 2h414+ 8 x U14 (6) dans laquelle - po est l'amplitude de l'échelon de pression créé par l'élément 1 (exprimée en Pa) ; - Z et Z14 sont respectivement les impédances acoustiques du milieu de propagation et du matériau constitutif de la pastille piézo-électrique 14 (en kg.m-2.s-1) ; 8 est le temps mis par l'onde ultra-sonore pour aller dune face à l'autre de la pastille 14 (en secondes) - U14 (O) est la tension existant aux bornes. de la pastille 14 à l'instant eCen volts) ;; - h14 est la constante piézo-électrique du matériau constitutif de la pastille 14, mesurée suivant son axe, c'est-à-dire -perpendiculairement aux électrodes 15, 16 en V.m 1. Quand par le moyen de la seconde méthode on connatt ainsi po pour l'élément 1, il est facile d'en déduire le coefficient K caractéristique de celui-ci. Lorsqu'on utilisera ensuite l'élément avec des valeurs de charge électrostatique QI différentes, on pourra calculer la nouvelle valeur de po à l'aide de K et de QI sans recommencer le processus de mesure de la seconde méthode. Dans l'exemple de fig. 1 en utilisant le pétrole comme milieu de propagation, en supposant le disque 2 taillé dans une céramique ferro-électrique de référence T51, on obtient un échelon de pression po d'amplitude 104 Pa pendant un temps de 2,5 ps. Dans ces conditions la charge Q1 est égale à 90 nC. Il est encore à noter qu'on peut très facilement obtenir les valeurs des constantes piézo-électriques h à l'aide d'une méthode exposée dans l'article "Mesure, par une méthode impulsionnelle, de certaines constantes élastique, piézo-électrique et diélectrique d'un transducteur, F. Lakestani, J.C. Baboux, P. Fleischmann et M. Perdrix - J. Phys. D : Applied Physics, Vol. 8, 1975. Fig. 5 montre le schéma de l'appareillage qu'on peut utiliser pour étalonner des capteurs ultra-sonores à l'aide du générateur de fig. 1. La référence 19 y désigne le générateur d'impulsions électriques, c'est-à-dire ltensemble dru du dispositif d'avalanche et de ses accessoires. L'élément 1 en a été supposé séparé pour la clarté du dessin. Le capteur à étalonner, référencé 20, est disposé en face de cet élément. Il doit entre de diamètre plus faible que ce dernier. Sa réponse, désignée par Up, est envoyée à un dérivateur électronique 21 dont la sortie est reliée à l'entrée circuit de porte 22 convenablement commandé par une entrée de commande 23 à la façon qu'on exposera ci-après. La tension qui appa ratt sur la sortie de ce circuit 23 a été désignée par Ui.Elle est envoyée à un analyseur de spectre 24, lequel émet une sortie S. L'appareillage ainsi établi utilise comme suit Si l'an désire connattre la réponse temporelle (c'est-à-dire s'étendant dans le temps) à un échelon de pression ultrasonore, on relève la tension Up qu'on peut visualiser sur l'écran dtun os cilloscope. Cette tension représente la réponse pendant la durée d'analyse TA (voir fig. 2). Si lton veut avoir la réponse impulsionnelle, c'est-à-dire à une impulsion courte, on dérive simplement Up, ctest-à-dire quton relève la tension Ui en maintenant la porte 22 ouverte. Si enfin l'an désire connaître la sensibilité en fonction de la fréquence, on commande la porte 22- de manière quelle s'auvre pendant le temps TA de fig. 2 de manière qu'elle émette la tension Ui sur sa sortie pendant cette durée. Ce signal représente alors la réponse impulsionnelle complète du capteur à étalonner dans la mesure où elle est entièrement amortie à la fin du temps TA. Quand il en est ainsi, une augmentation de la durée de échelon de pression est sans importance sur la réponse en question. En fait avec l'appareillage de fig. 1 tous les capteurs utilisés en centrale non-destructif remplissent cette condition. On comprend que la transformée de Fourier de la réponse Ui représente la fonction de transfert du capteur transducteur, c'est- à-dire correspond à sa sensibilité en fonction de la fréquence. L'analyseur de spectre, qui donne cette transformée, permet donc de connattre la sensibilité du capteur étalonné. A cet égard, si la channe de mesure (dérivateur, porte, analyseur) a été étalonnée avec des signaux électriques dtamplitude connue, il est possible de donner directement à partir de po la sensibilité du capteur récepteur (exprimée habituellement en V/bar) dans une gamme de fréquences s'étendant de 1 à 30 MHz. L'avantage de l'appareillage de fig. 5 est qu'il permet de con naître très rapidement et de façon quantitative le comportement du capteur dans un large domaine de fréquences, sans quel ne soit besoin d'opérer fréquence par fréquence comme dans les méthodes d'étalonnage classiques. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n' été donnée quSa titre d'exemple et quille ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. C'est ainsi notamment que la réponse fréquentielle pourrait être obtenue par le calcul à partir de la réponse temporelle à un échelon (Up). REVENDICATIONS 1. Générateur d'échelon ultra-sonore, du genre comprenant un élément piézo-électrique et des moyens électriques d'excitation de celui-ci, caractérisé en ce que ltélément piézo-électrique est relativement épais par rapport à ceux utilisés dans les capteurs à tester, tandis que les moyens électriques d'excitation sont prévus de manière à lui appliquer une impulsion de courant de durée très brève par rapport à sa période propre et transportant une charge électrique connue. 2. Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques d'excitation comprennent en combinaison - des moyens pour charger électrostatiquement l'élément piézo-électrique - et des moyens pour faire disparattre brusquement la charge ainsi réalisée. 3. Générateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens propres à faire disparattre brusquement la charge électrostatique de ltélément piézo-électrique comprennent un circuit d'avalanche. 4. Générateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'avalanche comprend en combinaison : - une source électrique auxiliaire propre à émettre une courte impulsion de déclenchement ; - et plusieurs transistors montés en série, la base de l'un étant reliée à la source précitée, tandis que pour chacun des autres sa base est reliée à son émetteur. 5. Générateur suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qutIl comprend un condensateur monté en série avec l'élément piézo-électrique et aux bornes duquel on mesure une tension indicatrice de la charge électrostatique dudit élément. 6. Générateur suivant ltune quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qutentre 11é1ement piézo-électrique et le circuit de décharge brusque est interposée une diode shuntée par une forte résistance, cette diode étant orientée de manière à permettre la libre décharge de ltélément, mais à-limiter et à amortir tout passage d'un courant de sens inverse, et notamment de celui de recharge dudit élément. 7. Générateur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la charge de ltélément piézo-électrique est assurée par une source appropriée, caractérisé en ce qutentre cette source et le circuit d'avalanche est inséré un système de résistances propre à limiter l'intensité du courant débité par la source lors de l'avalanche0 8.Appareil pour ltétalonnage d'un capteur ultra-sonore par le moyen dtun générateur suivant ltune quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'il comprend un tel générateur, un circuit dérivateur recevant la réponse du capteur à étalonner disposé de manière à recevoir l'échelon de pression engendré par ce générateur, un circuit de porte recevant la sortie du circuit dérivateur de manière à ne la laisser passer que pendant un temps déterminé, et un analyseur de spectre de fréquences recevant la sortie de la porte et propre à permettre de connattre l'nmplitude de réponse du capteur aux diverses fréquences dans un domaine déterminé. 9. Appareil suivant la revendication 8,- caractérisé en ce que le circuit de porte est commandé de manière à s'ouvrir pendant la durée du premier échelon de pression engendré par le générateur.