Brevet FR2544577A1 — publié le 19841019

Sonde ultrasonore à réseau de traducteurs et procédé de fabrication d'une telle sonde L'invention concerne les sondes ultrasonores comprenant un réseau à une ou deux dimensions de traducteurs électro-acoustiques adjacents, utilisables dans le domaine de l'examen non destructif des pièces et dans le domaine médical. On a depuis longtemps proposé de réaliser des sondes ultrasonores complexes à partir d'une seule plaque de cérami que piézo-électrique portant une électrode continue sur une face et dont l'autre face reçoit plusieurs électrodes métalliques de géométrie correspondant à la forme du traducteur élémentaire que l'on veut réaliser. En fait, ce procédé de réalisation se heurte à deux inconvénients graves. Les traducteurs adjacents ainsi réalisés ont un couplage mécanique très important, au travers de la céramique. Lorsque, ce qui est souvent le cas, la largeur a des électrodes individuelles est plus grande que la longueur d'onde x, sans être très grande devant x , les fréquences propres des traducteurs dépendent notablement de la géométrie, notamment du rapport a/. En conséquence apparaissent des battements entre les divers modes harmoniques et des phénomènes transitoires gênants. Pour écarter la première difficulté, on a proposé de découper la céramique en pavés pour réaliser des réseaux linéaires ou annul-aires de traducteurs. Dans le cas de réseaux linéaires, on a même proposé de découper les tra ducteur-s élémentaires en fragments pour ramener le rapport a/A à une valeur inférieure à 1 et écarter le second des inconvénients mentionnés plus haut.La présente invention concerne particulièrement les sondes ultrasonores de ce type, comportant un réseau à au moins une dimension de traducteurs électro-acoustiques indépendants, réseau comprenant une plaque de matériau électro-acoustique d'épaisseur choisie pour que le matériau présente une fréquence d'oscillations ultrasonores, portant sur une face une couche conductrice découpée en électrodes mutuellement adjacentes et munies chacune d'une liaison électrique et, sur l'autre face, une contre-électrode continue, ladite plaque étant fractionnée en pavés par au moins deux jeux de fentes parallèles dirigés suivant deux directions orthogonales à la plaque. Les sondes ultrasonores de ce type suivant l'art antérieur (EP-A-OO 25 092) comportent un réseau matriciel à une ou deux directions dans lequel la plaque comporte, d'une part, la même découpe rectangulaire que les électrodes, d'autre part, une découpe par des fentes parallèles aux bords des électrodes, symétriquement disposées par rapport à ces électrodes. La découpe est effectuée à travers la totalité de l'épaisseur de la plaque. Etant donné les faibles dimensions des éléments, la réalisation d'une telle sonde est extrêmement délicate. Elle le serait encore davantage-dans le cas d'un réseau non plus matriciel mais annulaire où il faudrait faire des découpes circulaires de largeur constante pour éviter la dispersion des fréquences, alors que les anneaux successifs ont des largeurs radiales différentes dans le cas, particulièrement fréquent et intéressant, des réseaux de Fresnel. La présente invention vise à fournir une sonde ultrasonore répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet de surmonter les inconvénients-mentionnés plus haut, tout en étant de réalisation simple, même pour des formes et des répartitions d'électrodes complexes. Dans ce but, l'invention propose notamment une sonde du type ci-dessus défini, dans laquelle les fentes d'un même jeu sont réparties à intervalles réguliers, à des emplacements qui sont aléatoires par rapport au bord des électrodes. Cette solution se prête à une réalisation très simple : il suffit de graver le réseau d'électrodes sur une face de la céramique, puis de fixer sur ces électrodes un substrat qui pourra constituer soit le support, éventuellement d'amortissement, soit la face avant de la sonde les fentes peuvent alors être pratiquées dans la céramique déjà soutenue mécaniquement ; ces fentes peuvent être constituées par deux réseaux de traits de scie parallèles et équidistants, les traits d'un des réseaux étant orthogonaux ou obliques aux traits de l'autre. On isole ainsi des blocs élémentaires de céramique de base, en forme de rectangles ou de parallélogrammes. Si on doit éviter d'entailler les électrodes déjà réalisées. l'entaille peut être effectuée sur la majeure partie seulement de l'épaisseur de la céramique, typiquement sur 90% environ. L'écartement entre les traits de scie doit être inférieur à l'épaisseur de la plaque de céramique piézo-électrique de façon à privilégier le mode de vibration dit "de tige" et ainsi obtenir un fondamental identique pour -chacun des blocs élémentaires, bien séparé des harmoniques. Cet écartement doit également être nettement inférieur aux dimensions en plan des électrodes de façon que la géométrie de ces dernières, si complexe soit-elle, puisse être suffisamment approchée par association de blocs élEmen- ta ires. On arrive ainsi à constituer de façon simple une sonde dont les traducteurs élementaires ne présentent pas de couplages indésirables et qui ont la même réponse en fréquence. La sonde peut être consolidée, notamment-avant mise en place de la contre-électrode, par remplissage à laide d'un isolant de faible impédance acoustique. comparée à celle de la céramique, assurant un bon isolement acoustique des blocs élémentaires ainsi que, éventuellement. un amortissement des vibrations de ces blocs souhaitable dans le cas des applications en échographie, où lton doit fournir des impulsions brèves. Cet isolant peut notamment être constitué par une résine polyuréthane. Il faut bien noter que llapproche ainsi adoptée est entièrement différente de celle (FR-A-2 405 484) consistant à reconstituer approximativement une forme complexe de traducteur par juxtaposition de traducteurs élémentaires correspondant chacun à une électrode carrée. Ce mode de réalisation laisse en effet subsister immédiatement les couplages entre traducteurs élémentaires adjacents et les problèmes d'harmoniques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe en perspec- tive d'une fraction d'une sonde matricielle. l'échelle n'étant pa respectée pour plus de clarté - les Figures 2 et 3 sont des vues en plan schématiques montrant le fractionnement des transducteurs de sondes constituant des variantes de celle de la Figure 1 ; - la Figure 4 est un schéma de principe montrant la focalisation à réaliser dans l'exploration ultrasonore d'une pièce en ondes transversales - la Figure 5 est une vue de la sonde suivant la direction V-V de la Figure 4. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, la sonde comporte un réseau matriciel à deux dimensions de transducteurs élémentaires. Cette sonde comprend une seule plaque de céramique piézo-électrique 10 dont une face porte une électrode mince continue 12, constituée par une couche continue de métal bon conducteur (argent par exemple) et dont l'autre face porte des électrodes rectangulaires adjacentes et identiques 14, réalisées par exemple par photogravure. Chacune de ces électrodes 14, de largeur e. correspond à un traducteur élémentaire. Les techniques courantes de photogravure permettent aisément de réaliser des électrodes avec toute la précision désirable. Les électrodes 14 sont portées par un substrat isolant rigide 16 dans lequel peuvent être ménagés des trajets métallisés de liaison électrique entre les électrodes et un circuit extérieur d'émission et de réception. La plaque de céramique 10 est découpée par deux jeux de fentes 18 et 20 en blocs -22. Dans le cas montré en Figure 1, ces blocs sont de section rectangulaire et les fentes ne traversent pas entièrement la plaque 10 de façon à ne pas risquer d'entamer lesxélectrodes 14. Les côtés d et d' des blocs 22 sont plus petits que la hauteur h pour obtenir une oscillation en mode tige. Les côtés d et d' sont également nettement inférieurs aux dimensions e et e' des électrodes gravées 14. Ainsi, même si celles-ci ont une forme complexe, et non plus simple comme dans le cas montré en Figure 1 l'association de blocs 22 permet d'en faire une approximation suffisante. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'une sonde fonctionnant à une fréquence nominale de 3 MHz peut être réalisée en blocs élémentaires de 400 pm de côté séparés par des fentes découpées à la meule diamantée dans une céramique de 700 pm d'épaisseur, sur une profondeur d'environ 90% de cette épaisseur. Pour réaliser une sonde fonctionnant à 10 MHz, on peut séparer des blocs de 125 pm par des traits de scie de 25 pm dans une céramique de 180 pm d'épaisseur h. La séquence de fabrication peut être la suivante les électrodes 14 sont formées sur la plaque 10. Puis l'ensemble ainsi formé. est fixé au substrat 16, par exemple par collage. Les liaisons peuvent notamment être effectuées par trous métallisés. Ensuite, la céramique 10 déjà soutenue mécaniquement par le substrat 16 est entaillée par. les deux jeux orthogonaux de traits de scie 18 et 20, sensiblement parallèles aux côtés des électrodes 14. Les entailles partielles 18 et 20 sont ensuite remplies par un isolant de faible impédance acoustique en regard de la céramique assurant un bon isolement acoustique des blocs élémentaires ainsi que, éventuellement, un amortissement des vibrations de ces blocs, souhaitable dans le cas des applications échographiques où la transduction est transitoire.Cette opération peut notamment être réalisée en utilisant une résine polyuréthane. Ensuite, l'électrode supérieure unique 12, constituant la faceavant, est constituée par métallisation globale de la surface. Dans un autre mode de réalisation, non représenté les électrodes individuelles sont déposées sur la face supérieure entaillée de la céramique. Si l'électrode commune est collée sur un substrat conducteur, les fentes peuvent traverser la plaque 10 et même entamer partiellement le substrat conducteur constituant l'électrode commune. L'invention permet de constituer des traducteurs de formes très diverses. Par exemple, la Figure 2 montre une sonde à réseau de Fresnel comportant trois électrodes individuelles concentriques 14a et un découpage de la céramique par deux jeux orthogonaux de fentes 18a et 20a. On sait qu'une telle sonde à réseau de Fresnel, dans laquelle les carrés des rayons des anneaux croissent en progression arithmétique, permet d'obtenir une focalisation dans le cadre de l'approximation de Fresnel par l'utilisation de retards en progression arithmétique faciles à réaliser et fait appel à des électrodes annulaires de surface constante, c'est-à- dire à des traducteurs électriquement identiques. Il faut, dans ce cas, que l'écartement des fentes reste inférieur à la largeur radiale de l'anneau extérieur le plus étroit. En dépit des variations de la section de céramique face à une électrode d'un bloc à l'autre, les résultats restent. satis- faisants. Des sondes ont été réalisées avec 8 et 16 anneaux. avec des intervalles entre fentes de 100 à 500 Pm, pour des applications médicales. Dans la variante montrée en Figure 3, la sonde comporte un réseau alinéaire de transducteurs délimités par des électrodes individuelles 14b en forme de lunules allongées transversalement pour obtenir une apodisation. Dans ce cas; il est avantageux de prévoir deux jeux de fentes obliques et symétriques par rapport à la ligne médiane de la sonde. L'invention trouve une autre application particulièrement importante en contrôle non destructif par échographie en ondes transversales de pièces métalliques à l'aide d-'une sonde annulaire à double focalisation. Les figures 4 et 5 montrent une telle sonde placée pour explorer une pièce métallique 24, en acier par exemple, à travers une masse 26 de liquide de couplage (eau en général). On sait que la compensation des aberrations induites à l'interface eau-acier lorsque l'angle d'incidence est suffisant pour assurer la transmission exclusive en ondes transverses (Figure 4), exige de réaliser une focalisation qui, dans l'eau.serait à des distances différentes f et f2 de l'interface dans le plan méridien et dans le plan perpendiculaire.Ces deux distances sont liées par la relation cos cos2 avec sin i2 C2 = -- avec = C 1 f1 cos2 i1 sin i1 où c2 et c1 sont la célérité des ondes transversales dans la pièce et la célérité dans l'eau, respectivement. Ces deux focales f2 et f1 peuvent être réalisées à partir de progressions de Fresnel selon les deux axes correspondants x et y de la sonde sur la surface plane de celle-ci 2 2 x = &alpha;1n et y2 = 2n Dans ces formules, M 1et sont des constantes proportionnelles aux focales f1 et f2 et n l'indice.Les deux axes sont raccordés dans le plan par des ellipses de la forme : x2 2 - + = n sl et2 La focalisation est obtenue par application de retards en progression arithmétique aux signaux appliqués aux électrodes successives. Le rapport f2/fl est imposé par 62/ 1 mais la raison sz de la progression arithmétique des retards peut être modifiée pour provoquer une modification correspondante et simultanée de f2 et f1 sans changer leur rapport. Cette possibilité permet d'utiliser le même transducteur dans différentes configurations de manière plus simple que les transducteurs classiques bifocaux à lentille toroïdale. D'autre part, pour explorer en profondeur la pièce 24, en exploitant la possibilité de commander rapidement la raison 8s des retards, on est amené à adopter une configuration optimale travaillant à ouverture angulaire constante-pour toute profondeur, chaque électrode elliptique correspondant à une profondeur et à l'ouverture angulaire retenue, ce qui fait que, dans une configur-ation fixée, telle que celle montrée en Figure 5, on part d'un anneau central circulaire (focalisation dans l'eau au niveau de l'interface) pour aboutir a des ellipses de plusen plus allongées pour des profondeurs de plus en plus grandes. Une telle sonde 28 constitue une solution optimale pour effectuer une focalisation dynamique commandée électroniquement à la réception sur l'ensemble du segment oblique exploré dans la pièce. Un calcul élémentaire montre que la même sonde peut être utilisée pour explorer des segments de différentes longueurs, proportionnelles à la hauteur de liquide 1 (Figure 4). L'ouverture angulaire retenue est alors inversement proportionnelle à 1, ainsi que la qualité de la résolution transversale dans la pièce 24. Une sonde ainsi réalisée a permis d'explorer, à travers une hauteur d'eau 1 de 100 mm, une profondeur de 60 mm dans l'acier avec une résolution optimale. La encore, un découpage de la céramique par deux jeux de fentes orthogonaux ou présentant une obliquité choisie pour s'adapter à l'excentricité de l'ellipse, permet d'améliorer notablement les résultats. REVENDICATIONS 1. Sonde ultrasonore comportant un réseau à au moins une dimension de traducteurs électro-acoustiques indépendants, réseau comprenant une plaque (10) de matériau électroacoustique d'épaisseur choisie pour que le matériau présente une fréquence d'oscillation ultrasonore, portant sur une face une couche conductrice découpée en électrodes mutuellement adjacentes (14) et munies chacune d'une liaison électrique, et, sur l'autre face, une contre-électrode continue (12), ladite plaque étant fractionnée en pavés par au moins deux jeux de fentes parallèles (18,20) dirigés suivant deux directions orthogonales à la plaque, caractérisée en ce que les fentes d'un même jeu sont pratiquées sur la majeure partie seulement de l'épaisseur de la céramique, à partir de la face portant la contre-électrode et sont réparties à intervalles réguliers, à des emplacements aléatoires par rapport au bord des électrodes (14). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fentes d'un jeu sont orthogonales ou obliques aux fentes de l'autre jeu. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, caractéisée en ce que l'écartement entre les fentes d'un même jeu est inférieur à l'épaisseur de la plaque (10) afin d'isoler des blocs élémentaires de céramique qui ont des fréquences propres identiques, avec un fondamental bien séparé des harmoniques et également inférieur aux dimensions en plan des électrodes. 4. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la sonde est consolidée par remplissage des fentes à l'aide d'un isolant de faible impédance acoustique, comparée à celle de la céramique, tel qu'une résine polyuréthane. 5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les électrodes sont annulaires, concentriques et dimensionnées pour constituer un réseau de Fresnel. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les électrodes sont en forme de lunules et éloignées pour constituer un réseau à une seule dimension. 7. Sonde ultrasonore comportant un réseau à au moins une dimension de traducteurs électro-acoustiques indépendants, réseau comprenant une plaque (10) de matériau électro-acoustique d'épaisseur choisie pour que le matériau présente une fréquence d'oscillation ultrasonore, portant sur une face une couche conductrice découpée en électrodes mutuellement adjacentes (14) et munies chacune d'une liaison électrique et, sur l'autre face, une contre-électrode continue (12), ladite plaque étant fractionnée en pavés par au moins deux jeux de fentes parallèles (18,20) dirigés suivant deux directions orthogonales à la plaque, caractérisée en ce que les traducteurs sont-elliptiques et dimensionnés de façon à constituer un réseau de Fresnel présentant deux distances focales différentes dans deux plans orthogonaux, les fentes d'un même jeu étant réparties à intervalles réguliers inférieurs à la largeur radiale du traducteur extérieur et à des emplacements aléatoires par rapport au bord de l'électrode. a Sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce que les deux jeux de fentes sont obliques l'un par rapport à l'autre et disposés symétriquement par rapport aux axes des traducteurs de forme oblique. 9. Procédé de fabrication de sonde ultrasonore suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on grave les électrodes (14) sur une face de la plaque (10) en matériau électro-acoustique, on fixe sur ces électrodes un substrat, on découpe les fentes dans la céramique à partir de la face éloignée des électrodes, on remplit les fentes par un matériau isolant électrique d'impédance acoustique faible par rapport à celle du matériau constituti-f de la plaque et on constitue une électrode continue (12) par recouvrement de ladite face éloignée par une couche conductrice.