Brevet FR2369562A1 — publié le 19780526

La présente invention a pour objet une sonde pour l'étude de sols par ondes acoustiques. Plus précisément, la présente invention concerne une sonde à ondes acoustiques ultrasonores comportant une partie émettrice et une partie réceptrice réalisées en matériau piézoélectrique. Cette sonde est susceptible d'être déplacée à l'intérieur d'un puits ou d'un forage creuse dans le sol afin d'étudier un certain nombre de paramètres de ce sol. La présente sonde concerne plus précisément le cas ot les forages sont de petit diamètre. De telles sondes sont destinées à émettre à l'intérieur de forages des ondes acoustiques d'une dizaine à quelques dizaines de kHz de fréquence et à détecter ces ondes acoustiques apres leur propagation dans le terrain environnant en vue de mesurer l'influence du terrain sur cette propagation et d'en déduire des caractéristiques physiques de ce terrain. Dans les dispositifs connus de ce genre, la sonde est constituée par un corps de sonde 2 (voir les figures 1 à 4 qui illustrent l'état de la technique) dans lequel sont placés un émetteur piézoélectrique portant la référence 4 et un récepteur 6 des ondes acoustiques, après le passage de ces ondes à travers le sol 8, sol dans lequel on a ménagé le forage 10. Le corps de sonde 2 est allongé et a son axe longitudinal confondu avec celui du forage 10.Les éléments piézoélectriques constituant l'émetteur 4 et le récepteur 6 ont leur face active parallèle à la grande dimension du corps de sonde 2 (figure 1) ou faiblement inclinée par rapport à celle-ci (figure 2) de façon à émettre puis à détecter des faisceaux d'ondes acoustiques ayant respectivement des angles d'incidence et d'émergence par rapport à la normale à la paroi du forage lO,nuls ou faibles. Pour réaliser l'émetteur et le récepteur, on utilise couramment des céramiques piézoélectriques en forme de tubes, de disques ou de rondelles. Lorsqu'il s'agit de céramiques piézoélectriques en forme de tubes, (voir figure 3) ces tubes 4 et 6 ont leur axe généralement confondu avec l'axe du corps de la sonde. Ce type de céramique permet de concilier l'obtention de basses fréquences d'émission avec les faibles sections de corps de sonde nécessaires pour pouvoir opérer dans des forages de petit diamètre. Elles ont toutefois l'inconvénient d'etre relativement fragiles et de ne pas fournir une fréquence d'émission unique car elles vibrent selon trois modes différents, en fonction respectivement de leur longueur, de leur diamètre et de leur épaisseur. Lorsqu'il s'agit de pastilles piézoélectriques en forme de disques ou de rondelles, elles sont généralement disposées de telle sorte que leur face active 12 soit parallèle à l'axe de la sonde (figure 1) ou peu inclinée par rapport à lui (figure 2). Cette disposition transversale a l'inconvénient de ne pas permettre de concilier les basses fréquences d'émission avec de faibles sections transversales du corps de sonde. En effet, la fréquence d'émission d'une céramique piézoélectrique en forme de disque ou de rondelle est inversement proportionnelle à son épaisseur, c'est-à-dire à sa dimension selon la direction perpendiculaire à sa face active. Pour la gamme de fréquence recherchée (quelques dizaines de kHz) il faudraitqutiliser des céramiques dont l'épaisseur soit comprise entre 200 et 100 mm, ce qui conduirait à des corps de sonde de diamètre encore plus grand qui ne seraient utilisables que dans des forages de moyen ou de gros diamètre. La présente invention a précisément pour objet une sonde acoustique qui permet d'obtenir une fréquence propre unique pour l'émission et qui permet d'ajuster la puissance de l'émission en regroupant éventuellement plusieurs céramiques d'épaisseur limitée et en utilisant des montages avec précon- trainte des éléments piézoélectriques, d'ajuster la sensibilIté de la réception, et d'ajuster le diamètre des sondes au diamètre des forages, même dans le cas où ceux-ci ont un petit diamètre, indépendamment de l'épaisseur des céramiques. La sonde acoustique, objet de l'invention, se caractérise en ce que l'ensemble émetteur et l'ensemble récepteur sont semblables et comprennent chacun au moins une rondelle en matériau piézoéleçtrique dont la face active est perpendiculaire audit axe longitudinal et, en regard de ladite face active, un miroir à ondes acoustiques. Selon la puissance souhaitée à l'émission, on adapte le nombre de rondelles piézoélectriques. De préférence la ou les rondelles piézoélectriques sont montées dans un système oscillant comportant une première masse métallique solidaire du corps de sonde et de la face active de la rondelle ou de la première rondelle et une deuxième masse métallique solidaire de la face non active de la rondelle ou de la dernière rondelle. Chaque ensemble de la ou des rondelles piézoélectriques et des masses métalliques est solidarisé par un ensemble de serrage réglable apte à appliquer une précontrainte à la rondelle ou aux rondelles piézoélectriques. De toutes façons, l'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur les figures 1 a 4, déjà décrites, des modes de réalisation de sondes à pastilles piézoélectriques selon l'Art Antérieur, - sur la figure 5, une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation de la sonde à ultrasons selon l'invention et, - sur la figure 6, une vue en coupe longitudinale partielle d'une variante de réalisation de ladite sonde. Sur la figure 5, le corps de sonde 2 est constitué par une enveloppe cylindrique creuse 14 fermée à chacune de ses extrémités par des embouts tronconiques, respectivement référencés 16 et 18. L'embout 16 laisse passer d'une part les câbles pour l'application de signaux électriques et le captage de ces signaux Al'intérieur de l'enveloppe 14 on trouve l'ensemble émetteur 4 et l'ensemble récepteur 6 des ondes acoustiques sonores ou ultrasonores. L'ensemble émetteur 4 est constitué par un empilement d'un certain-nombre de pastilles piézoélectriques 22 (deux dans le mode de réalisation représente) disposées entre une première masse métallique 24 et une deuxième masse métallique 25. L'ensemble des masses métalliques 24 et 25 et les pastilles piézoélectriques 22 est percé d'un alésage central qui permet le passage d'une vis de serrage 26, ce qui permet d'appliquer une certaine précontrainte aux rondelles piézoélectriques. Cette précontrainte permet d'ajuster le rendement énergétique du convertisseur piézoélectrique. La partie filetée de la vis 26 coopère avec une partie taraudée de la première masse 24. La première masse 24 comporte à son extrémité non en contact avec les pastilles piézoelectriques 22 une face libre ayant la forme d'un tronc de clone. Cette surface tronconique est polie et joue le rôle de réflecteur ou de miroir des ondes acoustiques. A cette méme extrémité, et sur sa périphérie, la masse 24 comporte une surface 30 tournée vers l'extérieur du corps de sonde et donc en contact avec le milieu ambiant. Cette surface externe 30, a dans ce mode de réalisation, la forme d'une surface cylindrique de révolution autour de l'axe de la sonde. Par exemple, la masse 24 est rendue solidaire de l'enveloppe 14 par soudure. L'ensemble constitué par les deux masses 24 et 25 et les rondelles 22 solidarisées entre elles par la vis 26 constitue un système oscillant. En jouant sur la longueur des masses métalliques et la nature des métaux qui les constituent on peut ajuster la fréquence propre d'oscillation et le rendement énergétique du convertisseur. La partie réceptrice 6 est constituée de la même façon que la partie émettrice 4. On comprend que les ondes acoustiques émises par la face active 32 de la pastille piézoélectrique 22 traversent la pièce 24 selon une direction parallèle à l'axe longitudinal de la sonde et sont réfléchies par le réflecteur 28 selon une direction orthogonale a l'axe de la sonde et donc selon une direction normale à la surface externe 30 dont elles émergent sans changement de direction et donc selon une direction normale à la paroi du forage (on a appelé F ce faisceau émis). De la meme façon, au niveau de la reception, le faisceau émergeant F' du sol attaque le réflec- teur 30' orthogonalement à l'axe longitudinal de la sonde, le faisceau S' à l'intérieur de la pièce 24' est donc parallèle à l'axe de la sonde et donc normal à la paroi des pastilles piézoélectriques 22' de la partie réceptrice. Du côté récepteur on a évidemment les mêmes possibilités de reglage. On comprend bien que l'épaisseur utile de matériau piézoélectrique e étant disposée parallèlement à l'axe de la sonde, cette épaisseur n 'intervientpas dans la détermination du diamètre extérieur de cette sonde. On a donc une totale indépendance entre l'épaisseur de matériau piézoélectrique et le diamètre externe de la sonde. Sur la figure 6, on a représenté une variante de réalisation de la sonde de la figure 5. Dans ce mode de réalisation, la seule différence réside dans la forme de la surface externe des premières pièces 2n et 24'. Dans ce cas, la surface 30a a la forme d'un tronc de cône d'axe confondu à l'axe de la sonde dirigé vers le haut. De la même façon, la surface externe 30b de la première pièce 24' de la partie préceptrice est constituée par une surface tronconique dirigée vers le bas et d'axe confondu avec celui de la sonde. Le faisceau émis par la pastille 22 est réfléchi par le réflecteur 28a qui renvoie le faisceau acoustique normalement à la surface 3osa. Pour cela la conicité du réflecteur 28a est légèrement inférieure a celle du réflecteur 28 On a bien entendu la mime disposition pour le réflecteur 28h de la partie réceptrice. Selon un autre mode de réalisation, la face externe 30 peut être constituée par une facette plane. Le réflecteur a alors la forme d'un miroir plan. Grâce à la qualité des signaux obtenus, les possibilités d'application industrielle de l'invention concernent toutes les mesures intéressant la propagation d'une onde acoustique en particulier pour les applications dans les forages de petit diamètre On peut citer en particulier - les mesures de vitesse des ondes de compression dans le sol, - les mesures de vitesse des ondes transversales, - les mesures d'atténuation, - les calculs à partir de ces mesures de modules des roches, - la détermination de la porosité, de la perméabilité du sol etc. REVENDICATIONS 1. Sonde de détection acoustique susceptible d'être déplacée à l'intérieur d'un puits vertical et comportant à l'intérieur d'un corps de sonde de forme allongée présentant un axe longitudinal, un ensemble émetteur d'ondesacoustiques et un ensemble récepteur dont la partie active est constituée par un matériau piezoélectrique, caractérisée en ce que l'ensemble émetteur et l'ensemble récepteur sont semblables et comprennent chacun au moins une rondelle en materiau piézoélectrique dont la face active est perpendiculaire audit axe longitudinal et, en regard de ladite face active un miroir à ondes acoustiques. 2. Sonde selon la revendication k, caractérisée en ce que chaque ensemble est constitué par une rondelle piézoélectrique solidaire par sa face active d'une première masse métallique également solidaire dudit corps de sonde, ladite première masse portant ledit miroir, et une deuxième masse solidaire de la face non active de ladite rondelle. 3. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque ensemble est constitue par un empilement d'au moins deux rondelles piézoélectriques, la face active d'une rondelle étant solidaire d'une première masse elle-même solidaire dudit corps de sonde et portant ledit miroir, la face non active d'une autre rondelle étant solidaire d'une deuxième masse métallique. 4. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les moyens de solidarisation de chaque ensemble sont constitués par des moyens de serrage réglables traversant la ou lesdites rondelles et solidaires desdites masses métalliques. 5. Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que le serrage de ladite vis est réglable afin d'ajuster la précontrainte appliquée ainsi auxdites rondelles.