Brevet FR2488094A1 — publié le 19820205

L'invention concerne un transducteur ultrasonique et plus particulièrement un transducteur destiné à s'utiliser dans un appareil de formation d'images ultraso- niques ou autre appareil analogue. Dans un appareil de formation d'images ultrasoniques, la limite de résolution possible est définie par la longueur d'onde de l'onde ultrasonique utilisée, et il est donc nécessaire de réduire la longueur d'onde ultrasonique pour augmenter la résolution de l'appareil. Cependant, quand la longueur d'onde diminue l'atténuation de l'onde ultrasonique augmente, de sorte qu'il devient difficile d'obtenir une image en profondeur d'un objet. Par suite, pour obtenir avec succès la formation d'une image des zones profondes d'un objet, il faut utiliser des ondes ultrasoniques de plus grande longueur d'onde. On est donc souvent amené à faire varier la résolution ou la longueur d'onde ultrasonique pour obtenir des images superficielles ou en profondeur d'un objet. Dans un appareil de formation d'images ultrasoniques, on utilise comme source d'ultrasons un transduc- teur exploitant les vibrations d'épaisseur d'un corps piézo- électrique tel qu'une céramique piézo-électrique un polymère élevé à caractéristiques piézo-électriques ou autres. Dans tous les cas, pour augmenter le rendement de transformation électro-acoustique du transducteur, il faut utiliser une onde ultrasonique dont la fréquence se situe au voisinage de la fréquence de résonance f déterminée par l'épaisseur 1 et la vitesse du son v dans le corps piézo-électrique. La relation existant entre l'épaisseur 1, la vitesse du son v dans le corps piézo-électrique, et la fréquence de résonance fo, stexprime par l'équation suivante: f = v fo= Par suite, quand on utilise des corps piézo-électriques de même composition, la vitesse du son reste la même dans tous les éléments, de sorte qu'on peut faire varier la fréquence de résonance en modifiant l'épaisseur 1 des corps piézo-électriques. Il est donc classique de préparer plusieurs transducteurs ultrasoniques utilisant des corps piézo. électriques d'épaisseurs différentes qu'on échange sélectivemen suivant la fréquence qu'on veut obtenir. Ces opérations de chan. gementde la fréquence de résonance sont donc très ennuyeuses à gement de la fréquence de resonance sont donc très ennuyeusesà effectuer. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient ci-dessus en créant ur transducteur ultrasonique dont on peut faire varier la fréquence sans échanger le trans- ducteur. L'invention a également pour but de permettre des variations faciles de la fréquence du transducteur ultraaonique. L'invention a encore pour but de créer un transducteur ultrasonique qu'on puisse utiliser dans une grande plage de fréquences. L'invention a encore pour but de créer un transducteur ultrasonique dont on peut faire varier, par simple mise en oeuvre de moyens de sandwich, l'épaisseur effec- tive réelle de la couche de corps piézo-électrique servant à produire l'onde ultrasonique de fréquence voulue. L'invention a enfin pour but de créer un transducteur ultrasonique destiné à s'utiliser dans un appa- reil de formation d'images ultrasoniques permettant d'obtenir des images allant de la partie superficielle aux parties plus profondes de l'objet en faisant varier corrélativement la résolution. A cet effet l'invention concerne un transducteur ultrasonique comprenant un certain nombre de couches de corps piézo-électriques superposés munis d'électrodes sur leurs faces opposées, et des moyens de câblage permettant de brancher les électrodes des corps piézo-électriques à un oscillateur de telle manière que les couches de corps piézo-électriques oscil- lent toutes sur le même mode, transducteur caractérisé en ce que des moyens d'interrupteurs sont associés à l'un au moins des moyens de câblage et peuvent se commuter de manière à modifier l'épaisseur totale des corps piézo-électriques actifs pour faire varier la fréquence du résonateur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un transducteur ultrasonique correspondant à une première forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe d' transducteur ultrasonique correspondant à une seconde forme de réalisation de l'invention, et - la figure 3 est une vue en coupe d' transducteur ultrasonique correspondant à une troisième forme de réalisation de l'invention. Le transducteur ultrasonique corres- pondant à la première forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 1, comprend deux couches de corps piézo-électriques -la et lb. Ces corps piézo-électriques la et lb sont réalisés chacun dans un polymère piézo-électrique élevé tel que par exemple du fluorure de polyvinyliden, et son munis d'électrodes 2a, 2b et 2c, 2d plaquées respectivement sur leurs faces opposées. Les électrodes 2b et 2c sont reliées l'une à l'autre par une couche conductrice adhésive 3 de sorte que les corps piézo-électriques la, lb sont ainsi divisés en couches superposées. Comme on peut le voir d'après.les flèches de la figure 1 iniquant les sens de polarisation des corps polymères piézo-électriques élevés, les corps piézo- électriques supérieur et inférieur présentent la même polarité le dessus de chaque corps piézo-électrique étant de polarité positive. Les électrodes 2a, 2b et 2c sont branchées par des fils permettant de leur appliquer ou non d courant par commuta tion des interrupteurs 5a ou 5bo En particulier l'électrode 2a est branchée directement à une borne d'un générateur d'impulsi ou oscillateur 4. Les électrodes 2b et 2c sont reliées à l'autre borne du générateur d'impulsions 4 par l'intermédiaire de l'interrupteur 5a branché en série avec une résistance 6a. L'électrode 2d est également reliée à l'autre borne du généra- teur d'impulsions 4 par l'intermédiaire de l'interrupteur 5b. On peut utiliser des transistors de commutation pour réaliser ces interrupteurs 5a et 5b. Dans ce type de construction, quand les deux interrupteurs 5a et 5b sont fermés ou en service, les corps piézo-électriques la et lb oscillent tous les deux. Au contraire, si l'un seulement, 5a, des interrupteurs 5a et 5b est fermé ou en service, l'un seulement, la, les deux corps pi électriques la et lb oscillent de sorte que l'épaisseur totale corps pièzo-électrique participant alors effectivement à l'oscillation n'est que la moitié de celle mise en oeuvre lorsque les deux corps piézo-électriques oscillent. Par suite la fréquemce de résonance obtenue dans le second cas o un seul corps piézo-électrique oscille, est exactement la moitié de la fréquence obtenue dans le premier cas o les deux corps piézo-électriques oscillent. On fait varier la fréquence d'oscillation de ltoscillateur 4 en fonction de l'opération de commutation sélective des inter- rupteurs 5a et 5b de manière à obtenir la coïncidence avec la fréquence de résonance des transducteurs ultrasoniques. Pour obtenir une plus grande résolution on ferme les deux interrupteurs 5a et 5b de manière à faire osciller les deux corps piézo-électriques la et lb pour produire une onde ultrasonique de plus courte longueur d'onde. Au contrai- re, pour obtenir une image à une plus grande profondeur, on ne ferme seulemet que l'interrupteur 5a pour ne faire osciller que le corps piézoélectrique la. Cela permet d'obtenir, à partir du transducteur, une onde ultrasonique de plus grande longueur d'onde permettant de réduire l'atténuation du milieu observé pour former une image d'une partie plus profonde de l'objet. On remarquera que lorsque l'interrup- teur 5a est seul fermé, de manière à ne faire osciller effecti- vement que le corps piézo-électrique la, la fréquence alors obtenue est un peu plus basse que la fréquence calculée. Cela est dû à la présence du corps piézo-électrique inerte lb adhérant au corps piézo-électrique actif la, mais ce phénomène n'a pas d'importance. La figure 2 représente une seconde forme de réalisation d'un transducteur ultrasonique selon l'invention, comprenant une troisième couche supplémentaire d'un corps piézo-électrique polymère élevé 1l collé sur la structure de la première forme de réalisation de l'invention. Cependant, dans cette seconde forme de réalisation, les corps piézo-électriques adjacents présentent des polarités successives opposées. Deux électrodes intermédiaires-jplacées entre deux couches piézo- électriques adjacentes, sont branchées au même potentiel, ces deux électrodes pouvant encore être remplacées par une électrode commune, et les électrodes placées des deux côtés opposés de chaque corps piézoélectrique sont de polarités inverses, de sorte que les autres électrodes sont de la même polarité. Plus précisément une électrode 2a est branchée directement à une borne du générateur d'impulsions 4 tandIs qu'une autre -électrode 2c est bravhée à la même borne du générateur d'impulsions 4 par l'intermédiaire d'un inter- rupteur 5a. Une autre électrode 2b est branchée directement à l'autre borne du générateur d'impulsions 4 tandis qu'une autre borne encore 2d est branchée à l'autre borne du générateur d'impulsions 4 par l'intermédiaire d'un interrupteur jbo Dans ce type de construction, lorsque les interrupteurs 5a et 5b sont tous deux ouverts ou coupés, seul le corps piézo-électrique 1la fonctionne. Si l'un des interrupteurs, 5a est fermé ou en service, les deux corps piézo-électriques la et lb sont en fonctionnement, et si les interrupteurs a et 5b sont tous deux fermés ou en service, let trois corps piézo-électriques la, lb, 1c fonctionnent. On peut donc faire varier la fréquence de résonance du transducteur en la faisant passer par trois paliers différents par commutation sélectives des deux interrupteurs 5a et 5b. La figure 3 représente une troisième forme de réalisation de transducteur ultrasonique selon l'in- vention, comprenant une quatrième couche supplémentaire de corps piézoélectrique polymère élevé ld collée à la structure de la figure 2. Cependant ce transducteur est branché de maniè: à constituer un mélange entre les transducteurs des figures 1 et 2, ce mélange étant tel que les corps piézo-électriques la et lb présentent la même polarité et que les corps piézo- électriques 1lc et ld présentent également une même polarité, m opposée à la précédente. Ce dernier transduoteur présente égal ment une électrode supplémentaire 2e et deux interrupteurs 5c et 5d en plus des deux interrupteurs 5a et 5b. Les interrupteu a et 5c sont branchés respectivement en série avec les résistances 6a et 6b. Dans ce dernier type de construction, on peut augmenter, dans l'ordre, le nombre des corps piézo- électriques actifs en branchant, dans le même ordre, les inter rupteurs 5a, 5b, 5c et 5d. On peut ainsi faire varier la fré- quence de l'onde ultrasonique en la saisant passer par quatre paliers différents. Un résonateur du type de construction 4o ci-dessus permet d'obtenir un transducteur ultrasonique dans lequel on peut faire varier l'épaisseur des couches piézo- électriques actives en commutant simplement les moyens d'inter- rupteurs 5 à 5d pour faire varier à volonté la fréquence de résonance. Ainsi, en utilisant un tel transducteur dans un appareil de formation dtimages ultrasonores, on peut effectuer ces formations dtimages avec des résolutions variables lorsqu'on passe des parties superficielles aux parties profondes de l'objet observé. Dans ce cas on peut faire varier par paliers la fréquence utilisée en commutant successivement les différents interrupteurs de manière à augmenter la quantité d'informations exploitées tout en conservant une résolution suffisante pour chaque opération de formation d'images. De plus en effectuant un balayage de fréquence on peut faire varier la fréquence dans une grande plage en élargissant ainsi la bande de fréquence utile. De nombreuses modifications et variantes peuvent bien entendu être apportées aux formes de réalisation ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention, comme cela apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la question. 7: 2488094 REVENDICATIONS 1.- Transducteur ultrasonique compren un certain nombre de couches de corps piézo-électriques super- posés (la, lb, lc, ld) munis d'électrodes (2a, 2b, 2c, 2d) sur leurs faces opposées, et des moyens de câblage permettant de brancher les électrodes (2a, 2b, 2c, 2d) des corps piézo-élect ques (la, lb, lc, ld) à un oscillateur (4) de telle manière qu les couches de corps piézoélectriques oscillent toutes sur le mnme mode, transducteur caractérisé en ce que des moyens d'interrupteurs (5a, 5b, 5c, 5d) sont associés à l'un au moinE des moyens de câblage et peuvent se commuter de manière à modi fier l'épaisseur totale des corps piézo-électriques actifs (la, lb, 1c, ld) pour faire varier la fréquence du résonateur, -':'"- Transducteur ultrasonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches pif électriques (la, lb) sont empilées de manière à présenter la même polarité. 3.- Transducteur ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ceux des corps piézo-électriques (la, lb, lc) qui'sont adjacents présentent des polarités opposées, en ce que les élctrodes (2a, 2b, 2c, 2d) comprises entre deux de ces corps piézo-électriques (la, lb, lc) adjacents, sont alimentées par un même potentiel, et en ce que les électrodes (2a, 2b, 2c, 2( présentent des polarités telles que toutes les autres électron ont la mime polarité, les électrodes opposées présentant des polarités opposées. 4.- Transducteur ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois couches (la, lb, lc, ld) de cor: piézoélectriques présentant une polarité tele que dans une première combinaison de deux adjacents (la, lb) de ces corps piézo-électriques, ceux-ci présentent la même polarité, tandi que dans une seconde combinaison de deux adjacents (lb, 1c) de ces corps piézo-électriques ceux-ci présentent des polarit opposées, les électrodes comprises entre ces deux corps piézo électriques étant alimentées par un même potentiel. 5.- Transducteur ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une paire d'électrodes intermédiaires (2b, 2c) comprises entre deux corps piézo-électriques adjacents (la, lb), sont reliées par des corps adhésifs conducteurs (3). 6.- Transducteur ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les électrodes intermédiaires comprises entre chacune de deux couches adjacentes des corps piézo-électriques (la, lb, le, ld) sont constituées par une électrode commune (2a, 2b, 2c, 2d). 7.- Transducteur ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation de l'oscillateur (4) peut varier suivant l'opération de commutation effectuée sur les moyens d'interrupteurs (5a, 5b, 5c, 5d).