Brevet FR2546306A1 — publié le 19841123

APPAREIL D'EXAMEN ECHOGRAPHIQUE DE MILIEUX AUX ULTRASONS EQUIPE D'UN NOUVEAU TYPE DE DISPOSITIF DE TRANSDUCTION ULTRASONORE La présente invention a trait à un appareil d'examen échographique de milieux aux ultrasons comprenant essentiellement un dispositif de transduction ultrasonore associé a' un étage d'émission d'ondes ultrasonores dans le milieu à examiner, à un étage de reception pour le traitement et/ou la visualisation des échos renvoyés par les obstacles rencontrés dans ce milieu, et, pour la liaison exclusive de lestage d'émission ou de ltétage de reception avec le dispositif de transduction, un circuit de sélection alternative de l'un de ces étages.Plus precisement, elle concerne dans un appareil de ce type un dispositif de transduction constitué d'un transducteur ultrasonore, ou d'un reseau linéaire ou matriciel de tels transducteurs, et comprenant un substrat constituant un milieu arrière d'absorption, une couche de matériau piézoélectrique équipée d'électrodes sur ses faces avant et arrière, et au moins une couche d'adaptation d impedance acoustique placee de- vant le matériau piézoélectrique. De tels equipements sont notamment decrits dans le brevet des Etats-Unis d'Ame'rique n 4 101 795 (voir la figure 1 de ce docurnent) délivré le 18 juillet 1978 au nom de la société cessionnaire Matsushita Electric Industrial Company. La mise en place de la ou de plusieurs couches d'adaptation d'impédance acoustique, dites couches interférentielles, a pour but principal d'améliorer la sensibilité des transducteurs et contribue également à augmenter leur largeur de bande. Cependant, dans une structure à deux couches, si le choix dVun matériau d'impédance acoustique comprise entre 2 et 3,5 environ pour la couche avant ne pose aucun problème (diverses resines ou matières plastiques courantes répondent à ce critère), il n'en est pas de meme pour l'autre couche, celle qui est au contact du matériau piézoélectrique, et qui doit avoir une impe- dance acoustique comprise entre 7 et 13 environ. Cette couche est difficile à réaliser avec des matériaux homogènes : les diverses tentatives effectues en ce sens ont révélé que les matières utili sees etaient oxydables, ou fragiles, ou se dilataient mal, en un mot s'adaptaient mal à l'environnement habituel dans ce type d'application.Cette couche est également difficile à réaliser avec des matériaux hétérogènes, car, si l'on remédie partiellement aux dé- fauts constates dans le cas de matériaux homogènes, les matières composites obtenues ne sont pas facilement reproductibles et presentent une forte absorption ultrasonore. Le but de l'invention est donc de proposer une nouvelle structure de dispositif de transduction ultrasonore evitant les inconvénients qui viennent d'être cités. L'invention concerne à cet effet, dans un appareil dVexaraen échographique aux ultrasons, un dispositif de transduction tel que défini en introduction et caractérisé en ce qu'è partir de la face avant de la couche d'adaptation située en regard du milieu de propagation des ondes ultrasonores et parallèlement à la direction principale de propagation, des rainures sont pratiquées dans la ou les couches d'adaptation, sur une profondeur égale au plus à la distance entre le milieu de propagation et la couche piézoélec- trique et au moins à la valeur de profondeur pour laquelle l'effet de vibration en mode barreau devient predominant dans la ou les couches rainurées par rapport à l'effet en mode plaque, de façon à determiner dans cette ou ces couches d'adaptation une juxtaposition de sections droites parallélépipédiques ou, dans une variante de réalisatqon incluant des rainures supplémentaires en diagonale par rapport aux précédentes, triangulairesO Dans un dispositif de transduction réalisé selon cette structure, on constate que la propagation dans la ou les couches interSérentielles ne s'effectue plus suivant une vibration en mode d'épaisseur, mais en mode dit barreau auquel correspond une vitesse de propagation des ondes ultrasonores plus faible que celle correspondant à une vibration en mode d'épaisseur et, correlati- vement, une valeur d'impédance plus faible (ce mode de vibration, en anglais rod mode, est décrit notamment dans le chapitre I de l'ouvrage "Ultrasonics and its industrial applications" de O.I. Babikov, traduit du russe aux éditions Consultants Bureau, New-York, 1960 : voir plus particulièrement le tableau 5, colonnes 6 et 7, qui permet une comparaison des vitesses de propagation dans les deux modes). Par suite, pour retrouver dans la couche d'adaptation d'impédance acoustique située au voisinage du milieu avant de propagation la valeur d'impédance qui convient effectivement pour cette adaptation (les impédances sont exprimées en kg/s.m2), il faut choisir un matériau situé dans une gamme d'impédances acoustiques plus élevée que précédemment, ce qui cette fois est tout à fait réalisable sans rencontrer les divers inconvénients précises plus haut. On trouve en effet dans cette gamme des verres de type courant, tels que le verre dénomme Pyrex, ou des alliages à bonne tenue en corrosion (par exemple des alliages à faible teneur en magnésium). Les particularités de l'invention apparaltrônt maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels - la figure 1 montre les éléments essentiels d'un appareil d'échographie ultrasonore équipe d'un transducteur auquel s'applique l'invention - les figures 2a et 2b montrent respectivement en vue de face et de profil une structure conforme à l'invention - la figure 3 montre en vue de face une variante de structure conforme à l'invention. L'appareil décrit maintenant en reférence à la figure 1 comprend un transducteur ultrasonore 1 associé d'une part à un étage 2 d'emission d'ondes ultrasonores à la fréquence de resonance du transducteur et d'autre part à un étage 3 de réception pour la visualisation ou le traitement des échos renvoyés vers le transducteur par les obstacles rencontrés dans le milieu examiné.Cette association est réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de sélection alternative 4 interposé entre les éléments 1 à 3 pour assurer la liaison exclusive soit de ltétage d'émission, soit de ltétage de réception, avec le transducteur (un tel circuit de sélection est mentionné par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4 139 834). Ce circuit évite la dégradation des signaux émis sous l'influence des signaux de réception ou, alternativement, l'aveuglement des signaux reçus par les signaux d'émission. Le transducteur 1 comprend, lui, plus précisément un substrat 10, qui constitue le milieu arrière destiné à éviter la propagation inutile des ondes ultrasonores vers l'arrière du transducteur, une couche 11 d'un materiau piézoélectrique (cristal de quartz, céramique) recouverte sur ses faces avant et arrière de feuilles métalliques 12 et 13 constituant des première et deuxième électrodes reliées à un circuit de polarisation non représenté fournissant le potentiel d'excitation, et une ou de préférence deux couches 14 et 15 d'adaptation d'impédance acoustique ; le milieu de propagation est référencé 20. Ainsi composé, le transducteur 1 est traditionnellement destiné à vibrer en mode d'épaisseur. Conformément à l'invention, il est prévu de réaliser, à partir de celle des couches d'adaptation qui est la plus proche du milieu avant de propagation, des rainures 101, 102, 103, ..., 201, 202, 203 réalisant comme indiqué sur la figure 2a un quadrillage des deux couches 14 et 15, sur une profondeur représentant une partie notable de la distance entre le matériau piézoélectrique et le milieu de propagation (voir la figure 2b) ; par notable il faut entendre au moins égale à la profondeur pour laquelle la vibration en mode barreau devient prédominante, dans la ou les couches ainsi rainurées, par rapport à la vibration classique en mode plaque (c'est-à-dire lorsque la fréquence de résonance en mode barreau devient supérieure à celle en mode plaque,les deux effets coexistant), la limite supérieure de la profondeur étant, elle, obtenue lorsque les rainures atteignent le matériau piézoélectrique lui-même. Les rainures 101, 102, 103, ... d'une part, et les rainures 201, 202, 203, ... d'autre part sont parallèles entre elles et sensiblement équidistantes, et ces deux jeux de rainures sont disposés transversalement l'un par rapport à l'autre, ou même perpendiculairement, de façon à obtenir des sections reetangulaires, losangulaires, carrées, ou d'une manière plus générale, parallélépipédiques. Le réseau de rainures ainsi obtenu peut etre qualifié d'ordre 2 ; une variante de réalisation consiste à proposer un réseau dit d'ordre 3 en prévoyant dans ce réseau des rainures sup plémentaires 301, 302, 303, ... disposées en diagonale par rapport aux précédentes de façon à obtenir des sections triangulaires (voir la figure 3). Bien entendu, la limite naturelle à un tel quadrillage est donnée par la réduction de la surface utile au fur et à mesure que ce quadrillage est plus serré, qui conduit à une diminution progressive de la sensibilité du transducteur, cette diminution étant d'autant plus faible que les rainures sont plus fines Le materiau dans les rainures peut etre soit de l'air, le transducteur devant alors hêtre recouvert d'une feuille mince (en mylar ou en kapton par exemple) éventuellement adhésive pour assurer son izmobilisation et d'une épaisseur faible par rapport à la longueur d'onde moyenne dans cette matière pour ne pas avoir un effet de couche interférentielle destructif, soit une substance telle qu'un élastomère ou une résine ayant une impédance acoustique de préférence voisine de celle de l'air ou du vide. EVENDICATIONS : 1. Dans un appareil d'examen échographique de milieux aux ultrasons, comprenant essentiellement un dispositif de transduction ultrasonore associé à un étage d'émission d'ondes ultrasonores dans le milieu à examiner, à un étage de réception pour le traitement etiou la visualisation des echos renvoyés par les obstacles rencon trés dans ce milieu, et, pour la liaison exclusive de l'étage d"anission ou de l'étage de réception avec le dispositif de transduction, un circuit de sélection alternative de l'un de ces étages, dispositif de transduction constitué d'un transducteur ultrasonore, ou d'un réseau linéaire ou matriciel de tels trans ducteurs, et comprenant un substrat constituant un milieu arrière d'absorption, une couche de matériau piézoélectrique équipée sur ses faces avant et arrière d'électrodes reliées à un circuit de polarisation, et au moins une couche d'adaptation d'impédance acoustique placée devant le matériau piézoélectrique, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'à partir de la face avant de la couche d'adaptation située en regard du milieu de propagation des ondes ultrasonores et parallèlement à la direction principale de propagation, des rainures sont pratiquées dans la ou les couches d'adaptation, sur une profondeur égale au plus à la distance entre le milieu de propagation et la couche piézoélectrique et au moins à la valeur de profondeur pour laquelle l'effet de vibration en mode barreau devient prédominant dans la ou les couches ainsi rainurées par rapport à l'effet de vibration en mode plaque, de façon à déterminer dans cette ou ces couches d'adaptation une Juxtaposition de sections droites parallélépipédiques. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures sont réalisées en deux groupes de rainures parallèles entre elles et équidistantes dans chaque groupe, les rainures de l'un des groupes étant perpendiculaires à celles de l'autre groupe. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des rainures disposees en diagonale par rapport aux précédentes de façon à déterminer dans la ou les couches d'adaptation une juxtaposition de sections droites triangulaires. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, les évidements laissés par les rainures étant remplis d'air, le ou les transducteurs sont recouverts d'une mince feuille de protection d'épaisseur faible par rapport à la longueur d'onde moyenne dans la matière qui la compose. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les évidements laissés par les rainures sont remplis d'une substance telle qu'un élastomère ou une résine ayant une impédance acoustique voisine de celle de l'air ou du vide.