Brevet FR2549657A1 — publié le 19850125

La présente invention se rapporte aux dispositifs électromécaniques permettant de faire vibrer le bord d'une plaque de façon à y engendrer des ondes élastiques à fronts d'ondes rectilignes en réponse à une tension électrique excitatrice alternative ou impulsionnelle. Les ondes élastiques se propagant dans les solides sont des vibrations qui peuvent se décomposer en une composante vibratoire longitudinale de direction confondue avec la direction de propagation et en une composante transversale de direction perpendiculaire à la direction de propagation. Lorsque le solide élastique est une plaque, les types d'ondes susceptibles de se propager correspondent à des modes guidés puisque les faces principales libres imposent des conditions aux tensions mécaniques. Certains modes guidés sont caractérisés par des composantes vibratoires contenues dans un plan perpendiculaire aux faces principales et qui contient la direction de propagation parallèle aux faces. Parmi ces modes guidés, on connaît les ondes de Lamb et les ondes de Rayleigh; les premières sont dispersives, car la vitesse de propagation est fonction du rapport longueur d'onde-épaisseur; les secondes sont non-dispersives, car l'épaisseur est telle qu'il existe un mode de surface bien découplé pour chaque face. On peut exciter des ondes de Lamb ou de Rayleigh dans des matériaux piézoélectriques tels que le quartz ou non-piézoélectriques tels que le verre et la silice. Dans le cas des matériaux non-piézoélectriques, on peut utiliser des éléments transducteurs rapportés, faits par exemple de lames piézoélectriques en céramique polarisées et taillées pour vibrer en mode d'épaisseur. Ces éléments peuvent être fixés à la tranche de la plaque qui peut être biseautée. Ils peuvent également être noyés dans épaisseur de la plaque ou montés sur les faces principales par l'intermédiaire de prismes de couplage. L'inconvénient de l'excitation oblique par la tranche ou avec des prismes de couplage est de ne fonctionner que selon l'une des deux directions de couplage qui sont à l'origine du mode guidé. L'excitation par élément piézoélectrique noyé dans l'épaisseur de la plaque nécessite un usinage et un montage délicat sauf si la plaque est faite d'un matériau pouvant être moulé autour de l'élément piézoélectrique. L'obtention de fronts d'ondes rectilignes pose également des problèmes lorsque plusieurs éléments piézoélectriques participent à ltexcitation d'un front d'onde commun. En vue de pallier ces inconvénients, I'invention propose de disposer les moyens transducteurs à l'écart du bord de la plaque et fait appel à un organe mécanique transmetteur de vibration en forme de pince qui assure le couplage par les faces principales de la plaque. L'invention a pour objet un dispositif électromécanique d'excitation d'ondes élastiques dans une plaque d'épaisseur prédéterminée, ledit dispositif comprenant un moyen transducteur électromécanique agencé pour engendrer par couplage mécanique de ses deux faces actives avec ladite plaque des déplacements vibratoires situés dans un plan contenant la direction de propagation desdites ondes élastiques et la normale aux faces principales de ladite plaque, caractérisé en ce que ledit couplage mécanique est assuré par encadrement du bord de ladite plaque et dudit moyen transducteur avec un organe intercalaire d'assemblage profilé en forme de pince; ledit organe comportant deux bras transmetteurs de vibrations qui relient respectivement les faces actives dudit moyen transducteur aux faces principales de ladite plaque et un élément de pontage desdits bras forment articulation. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées-parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue isométrique d'une plaque excitée de façon connue; - la figure 2 est une vue isométrique d'un dispositif d'excitation selon l'invention; - la figure 3 est une vue de profil d'une première variante de dispositif selon l'invention; - la figure 4 est une vue de profil d'une seconde variante de dispositif selon l'invention; - la figure 5 est une vue de profil d'une troisième variante de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 6 illustre une quatrième variante de dispositif selon l'invention; - la figure 7 illustre une cinquième variante de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 8 illustre une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, on peut voir, rapporte à un système d'axes OXYZ, le bord d'une plaque 1 d'épaisseur e ayant deux faces principales 2 et 3 parallèles aux axes OZ et OY. Une encoche 4, 8, 9 est pratiquée dans la tranche de la plaque 1, afin d'y loger un élément transducteur composé d'une lamelle 5 de céramique piézoélectrique PZT portant des métallisations 6 et 7 sur ses faces principales (la métallisation 7 est cachée sur la figure l 1. L'épaisseur de la lamelle 5 est choisie pour que les faces métallisées forment bloc avec les parois 4 et 8 de l'encoche grâce à un joint de résine époxy. Grâce à une polarisation électrique préalable, la lamelle 5 vibre selon le mode d'épaisseur lorsqu'on applique aux électrodes 6 et 7 une tension alternative d'excitation. Les flancs 4 et 8 de l'encoche sont soumises à des contraintes de traction-compression de direction parallèle à l'axe OX, ce qui donne naissance à des ondes élastiques de Lamb qui se propagent dans la direction OZ. Pour illustrer ces ondes de Lamb, on a représenté en avant de la plaque l une coupe parallèle au plan Xy dessinée en pointillé lorsque la plaque 1 est au repos et en traits pleins 10 et il lorsque la plaque l est le siège d'une onde de Lamb symétrique.Cette illustration qui représente à un instant précis la déformée de la plaque montre que, dans une région de gonflement, les sections droites et les faces de la plaque 1 s'incurvent. Les lignes incurvées 10, 11, 12 et 13 représentent cette déformation qui entraîne des déplacements 14 de sens contraires de part et d'autre du plan médian YOZ pour la composante transversale de Ponde et de même sens pour la composante longitudinale de l'onde. La figure 1 montre que la région de gonflement alterne avec une région d'amincissement où les déplacements 15 sont inversés. Il existe aussi des ondes de Lamb antisymétriques créant une ondulation de la plaque 1.Elles sont caractérisées par une composante transversale de l'onde présentant de part et d'autre du plan médian des déplacements 14 de mêmes sens alors que les déplacements 16 correspon dant à la composante longitudinale sont eux de sens contraires. Les ondes de Lamb peuvent être considérées comme un cas limite de propagation fondes élastiques de surface qui s'établit lorsque l'épaisseur e de la plaque est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes élastiques de surface. Les figures 3 et 4 qui suivent se rapportent respectivement à l'excitation d'ondes de Lamb antisymétriques et d'ondes de Rayleigh. La figure I illustre une disposition connue ou l'excitation d'ondes de Lamb s'obtient en noyant l'élément transducteur dans l'épaisseur d'une plaque. Cette disposition nécessite un façonnage particulier du bord de la plaque 1 et peut produire des fronts d'ondes non-rectilignes. En outre, ce montage ne facilite pas l'adaptation d'impédance entre Porgane excitateur 5, 6, 7 et l'organe récepteur que constitue le bord fendu de la plaque 1. Sur la figure 2, on peut voir un dispositif d'excitation d'ondes élastiques qui, conformément à l'invention, met en oeuvre un organe intercalaire d'assemblage profilé en forme de pince. On reconnaît sur la figure 2 une rangée d'éléments transducteurs 5, 6, 7 similaires à l'élément transducteur de la figure 1. Ces éléments transducteurs sont logés dans une rainure d'un coupleur 17 qui se compose de deux bras transmetteurs de vibrations 19, 20 et d'un élément de pontage 18. Le coupleur 17 peut être réalisé d'une seule pièce, en métal, sous la forme d'un profilé à section en I ayant pour ailes les bras 19 et 20 et pour âme l'élément de pontage 18. Il peut également être formé de trois longerons assemblés par collage ou brasage.On voit sur la figure 2 que le bord de la plaque 1 ne comporte aucun usinage particulier, car elle est pincée selon ses faces principales entre les deux bras transmetteurs 19 et 20. Lors de l'insertion des éléments transducteurs 5, 6, 7 il est prévu une semelle isolante 21 collée sur l'un des flancs de la rainure qui reçoit ces éléments transducteurs. Cette disposition permet d'éviter le court-circuitage électrique. entre les électrodes 6 et 7 des éléments transduc teurs. Les électrodes 6 et 7 de ces différents éléments transducteurs sont reliées en parallèle aux bornes d'excitation 22 et 23 du dispositif. Le montage des éléments transducteurs dans la rainure réceptrice du coupleur 17 peut être fait à la presse pour obtenir une précontrainte assurant la transmission des contraintes sans perte de contact. On peut également prévoir un montage sans serrage avec l'utilisation d'un joint de colle qui rend les faces de l'élément transducteur solidaires des flancs de la rainure réceptrice. Le montage de la plaque 1 dans l'autre rainure réceptrice du coupleur 17 peut également faire appel au serrage ou au scellement par joint adhésif. La profondeur d'insertion 12 de la plaque 1 dans le coupleur 17 est de préférence voisine du quart de la longueur d'onde des ondes élastiques à exciter. L'épaisseur c de l'élément de pontage 18 est choisie pour remplir la fonction d'une articulation de bonne rigidité à l'allongement, afin de matérialiser un point de pivotement pour les bras transmetteurs de vibration 19 et 20.L'épaisseur donnée aux bras transmetteurs 19 et 20 est choisie pour assurer un bon report par effet de levier des contraintes entre les éléments pincés, c'est-à-dire la plaque 1 et les éléments transducteurs 5, 6, 7. La largeur 11 des éléments transducteurs est choisie pour obtenir une bonne adaptation entre l'ensemble coupleur-plaque et les éléments transducteurs. On voit sur la figure 2 que la largeur hors-tout du coupleur est telle que de chaque côté de l'élément de pontage 18 il subsiste un espace libre permettant de disposer d'un bras de levier suffisant pour obtenir une bonne transmission des vibrations. Les lèvres de la rainure réceptrice de la plaque 1 sont dressées pour assurer l'émission d'un front d'onde z rectiligne. Le coupleur a un effet répartiteur des contraintes qui tend à effacer les défauts d'uniformité de l'excitation produite par des éléments transducteurs agencés -je façon discontinue dans la rainure réceptrice du coupleur 17. Pour exciter des ondes de Lamb symétriques de vecteur d'ondes on adopte une forme syméftique du coupleur 17 par rapport au plan médian de la plaque I. En basse fréquence, le coupleur 17 fonctionne à la manière d'une pince. L'expansion du moyen transducteur 5, 6, 7 produit l'écrasement du bord de la plaque 1 et vice-versa. Aux fréquences plus élevées, la largeur du coupleur peut devenir égale ou supérieure à la longueur d'onde des vibrations propagées par les bras 19 et 20. Le fonctionnement du coupleur n'obéit plus au principe de pivotement des bras autour de l'articulation 18, mais les contraintes appliquées aux faces 2 et 3 de la plaque 1 sont, par rapport au plan médian de celle-ci, des images permettant l'excitation d'ondes de Lamb symétriques. Sur la figure 3, on peut voir une vue de profil d'une variante de coupleur selon l'invention. Cette variante comporte les mêmes éléments assortis des mêmes références qu'à la figure 2, mais les bras 19 et 20 assurent le pinçage de la plaque 1 par trois becs décalés 24, 25 et 26. Cette disposition se prête à l'excitation d'une onde de Lamb asymétrique qui fait onduler la plaque comme illustré en pointillé. Les becs 24 et 25 solidaires du bras 19 sont séparés par une distance 13 égale à la demi-longueur bonde des ondes de Lamb asymétriques à exciter. Le bec 26 solidaire du bras 20 vient se placer à mi-chemin entre les becs 24 et 25. Sur la figure 4, on peut voir une vue de profil d'une autre variante de coupleur selon l'invention. Elle correspond à l'excitation d'ondes élastiques de surface selon les faces 2 et 3 d'une plaque 1 d'épaisseur relativement élevée par rapport à la longueur d'onde. A cet effet, les bras 19 et 20 comportent des machoires qui serrent la plaque symétriquement selon un réseau d'arêtes de contact distantes de la valeur 14. Lorsque cette valeur 14 correspond à la longueur d'onde des ondes élastiques de surface, le couplage est optimal. Les arêtes de contact pourraient également être espacées d'un multiple de la longueur d'onde et on peut aussi les prévoir sur un seul des bras 19 et 20 lorsqu'on ne désire pas exciter des ondes élastiques de surface sur l'une des faces 2 ou 3 de la plaque 1. La figure 4 montre également que l'élément transducteur peut être constitué par l'empilage de deux lamelles piézoélectriques 27 et 28 polarisées électriquement en sens contraires. La métallisation commune 30 est reliée à la borne d'entrée 22, tandis que les métallisations externes 29 et 31 sont reliées électriquement à la borne 23 via la masse conductrice du coupleur. Cette variante permet d'éviter l'utilisation d'une semelle d'isolation 21. A titre d'exemple de réalisation non limitatif, on a pu exciter efficacement des ondes de Lamb symétriques à la fréquence de 800 kHz dans une plaque 1 en verre large de 7 cm et de 2 mm d'épaisseur. Le dispositif utilisé est conforme à la disposition de la figure 2. Le coupleur 17 est réalisé en laiton avec deux rainures d'environ 2 mm de largeur. Les éléments transducteurs réalisés en céramique piézoélectrique PZT vibrent en demionde à la fréquence indiquée. Les fronts d'ondes émis épousent la forme des rebords rectilignes de la rainure dans laquelle la plaque 1 est pincée. D'après ce qui précède, on voit que la génération des ondes de Lamb ou de Rayleigh revient à créer une configuration de contraintes de part et d'autre du bord de la plaque 1 qui remplit les conditions aux limites. L'utilisation d'un coupleur 17 en forme de pince peut fournir ces contraintes à partir des vibrations engendrées sur les faces opposées d'un moyen transducteur fonctionnant selon un mode d'épaisseur. L'élément de pontage 18 réunit de façon commode les deux bras du coupleur, mais il participe aussi à la bonne localisation des contraintes. Il en résulte un montage aisé du dispositif électromécanique sans façonnage particulier de la plaque à exciter. Ces avantages sont également obtenus dans le cas de la configuration illustrée sur la figure 5 où l'on a interverti les positions de L'élément transducteur 5, 6, 7 et de l'élément de pontage 18. Cette disposition inverse la phase des contraintes lors d'un fonctionnement à basse fréquence, car la dilatation de l'élément transducteur tend à écarter les becs qui pincent la plaque 1. Comme les bras 19 et 20 sont rendus solidaires de l'élément transducteur et des faces 2 et 3 de la plaque 1, les contraintes alternées sont transmises quel qu'en soit le signe. Bien entendu, si l'on désire exciter deux plaques d'égales épaisseurs, on peut substituer à l'élément de pontage 18 la seconde de ces plaques. Le dispositif de la figure 5 aurait dans ce cas des becs de pinçage de part et d'autre de l'élément transducteur 5, 6, 7. Une autre façon de réaliser le dispositif électromécanique d'excitation selon l'invention est illustrée sur la figure 6. On voit que la plaque 1 est pincée par deux becs situés aux extrémités droites des bras 19 et 20. Les éléments transducteurs 5, 6, 7 et élément de pontage 18 sont disposés comme sur la figure 2, mais on a prévu une rangée additionnelle d'éléments transducteurs 33, 34, 35 entre l'élément de pontage 18 et les becs de pinçage de la plaque 1. Les deux rangées d'éléments transducteurs sont excitées électriquement au moyen d'un transformateur 36 ayant un secondaire à prise médiane. Dans ce cas, on a supposé que les lamelles piézoélectriques 5 et 34 sont polarisées dans le même sens. L'électrode 33 est isolée du bras 19 par une semelle isolante 32. En prévoyant des semelles isolantes à chaque appui des bras 19 et 20 avec les éléments transducteurs, on peut croiser les fils d'alimentation des électrodes 6, 7, 33 et 35 pour obtenir sans transformateur 36 une commande mécanique en alternat par deux rangées d'éléments transducteurs. Les précautions prises pour éviter le court-circuit des électrodes sont superflues si le coupleur est réalise en matière électriquement isolante. Un matériau composite à base de fibres de carbone permet de réaliser une structure de coupleur à la fois légère et rigide. La figure 7 montre que l'utilisation de deux rangées de transducteurs fonctionnant en alternat permet de supprimer l'élément de pontage 18 qui, sur la figure 6 se situe entre les deux rangées de transducteurs. La figure 8 montre que Pon peut prévoir aussi deux rangées de transducteurs d'un même côté de l'élément de pontage 18. En choisissant des plaquettes piézoélectriques 5 et 34 d'épaisseurs différentes, on peut décaler les fréquences de résonance des éléments transducteurs et obtenir un élargissement de la bande passante du dispositif d'excitation selon l'inven tion. Dans l'exemple de la figure 8, les bras 19 et 20 du coupleur sont métalliques. L'élément de pontage 18 est constitué par une languette découpée dans la plaque 1 qui est par exemple en verre. Les métallisations 6, 35 et 7, 33 sont directement en contact avec les bras 20 et 19 qui sont soudés à l'indium aux éléments transducteurs. Une résine époxy sert d'agent de liaison des deux bras 19 et 20 avec l'élément de pontage 18 et la plaque 1. REVENDICATIONS 1. Dispositif électromécanique d'excitation d'ondes élastiques dans une plaque (1) d'épaisseur prédéterminée (e), ledit dispositif comprenant un moyen transducteur électromécanique (5, 6, 7, 27, 28, 29, 30, 31, 33, 34, 35) agencé pour engendrer par couplage mécanique de ses deux faces actives avec ladite plaque (1) des déplacements vibratoires situés dans un plan (X, Z) contenant la direction de propagation (Z) desdites ondes élastiques et la normale (X) aux faces principales (2, 3) de ladite plaque (1), caractérisé en ce que ledit couplage mécanique est assuré par encadrement du bord de ladite plaque (1) et dudit moyen transducteur (5, 6, 7, 27, 28, 29, 30, 31, 33, 34, 35) avec un organe intercalaire d'assemblage profilé en forme de pince;; ledit organe comportant deux bras transmetteurs (19, 20) de vibrations qui relient respectivement les faces actives dudit moyen transducteur aux faces principales (2, 3) de ladite plaque et un élément de pontage (18) desdits bras formant articulation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de pontage (18) est situé entre ledit moyen transducteur (5, 6, 7) et le bord de ladite plaque (1). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de pontage (18) et ladite plaque (1) encadrent ledit moyen transduc teur (5, 6, 7). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de pontage (18) est constitué par un second moyen transducteur (33, 34, 35). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté risé en ce qu'il comprend un second moyen transducteur (33, 34, 35) coopérant avec ledit moyen transducteur (5, 6, 7). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens transducteurs sont situés de part et d'autre dudit élément de pontage (18). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément de pontage (18) est intercalé entre ladite plaque (1) et lesdits moyens transducteurs (5, 6, 7, 33, 34, 35). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracé- risé en ce que ledit moyen transducteur est constitué par une rangée d'éléments transducteurs. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revend cations 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits bras (19, 20) sont munis d'au moins un bec de pincage. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'un au moins desdits bras (19, 20) comporte plusieurs becs de pinçage. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits becs de pinçage sont agencés pour exciter des ondes de Lamb symétriques. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits becs de pinçage sont agencés pour exciter des ondes de Lamb antisymétriques. 13. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits becs de pinçage sont agencés pour exciter des ondes élastiques de surface. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen transducteur comporte un empilage d'éléments transducteurs (27, 28, 29, 30, 31) entre lesdits bras (19, 20).