Brevet FR2559985A1 — publié le 19850823

A 2559985 "Transducteur ultrasonore" Cette invention concerne un transducteur ultra- sonore pour l'émission et/ou la réception d'ondes ultrasonores. On connait de nombreux types de transducteurs ultrasonores dans l'art de la technique, Un tel transducteur est représenté en figure 15, dans laquelle le chiffre 1 désigne un bottier d'oscillation formé dans un métal tel que l'acier inoxydable, et comprenant une paroi latérale cylindrique lb, et une plaque supérieure la réalisée à une extrémité de la paroi latérale lb pour l'obturer. Le chiffre 2 désigne un disque en céramique piezoélectrique, fixé solidairement à la paroi intérieure de la plaque supérieure la, pour osciller avec elle. Le disque en céramique 2 a ses deux faces opposées munies d'une paire d'électrodes 2a et 2b. La por- tion d'extrémité ouverte du bottier d'oscillation 1 est fermée par un couvercle 3. Dans le couvercle 3 est placée une paire de broches de connexion 4a,4b, chacune ayant une de ses extrémités reliée aux électrodes 2a, 2b par des fils de plombs 5a,5b res- pectivement. En 6, est représentée une couche d'isolation formée, par exemple, en résineepoxy pour le scellement du bottier d'oscillation 1. Lorsqu'un champ électrique est appliqué aux bornes de connexion 4a, 4b, pour appliquer une tension alternative entre les électrodes opposées 2a et 2b, le disque de céramique piezo- électrique 2 est excité en épaisseur ou en flexion, de façon qu'une onde ultrasonore soit générée par la plaque supérieure la qui est fixée solidairement au disque en céramique 2. D'autre part, si la plaque supérieure la reçoit une onde ultra-sonore, le disque en céramique piezoélectrique se déforme, et fournit par l'intermédiaire des électrodes 2a,2b un signal de sortie dont l'intensité correspond à l'onde ultrasonore incidente. Le transducteur ultrasonore du type mentionné ci-dessus s'est toutefois avéré être mal adapté à une utilisation en tant que contacteur de proximité, ou détecteur de la proximité d'une substance. Puisque le bottier d'oscillation est réalisé en métal, la portion d'émission et de réception d'ondes formée par la plaque supérieure la et le disque en céramique piezo- électrique 2 a un très fort coefficient de qualité mécanique Qm' ce qui entraîne que, comme représenté en figure 16a, le transducteur présente des caractéristiques d'impulsion avec un temps de descente d'impulsion important. En conséquence, il peut se produire que le transducteur reçoive une onde ultra- sonore, qui a été réfléchie par la substance se trouvant à proximité, pendant l'émission d'une onde ultrasonore, empêchant l'opération de détection. On a découvert que, lorsque le boîtier d'oscilla- tion est formé dans un matériau plastique, telle que de la ré- sine époxy, le Qm de la portion d'émission et de réception d'ondes diminue, et le temps de montée d'impulsion ainsi que le temps de descente d'impulsion diminue comme représenté en figure 16b. De plus, il en résulte également une amélioration de la valeur de la tension de sortie délivrée en réponse à la réception. Grâce à des recherches complémentaires, on a maintenant découvert que, lorsque la plaque supérieure du boîtier d'oscillation est formée dans un matériau plastique poreux, telle que de la mousse de résine époxy, le transducteur réalisé a des propriétés supérieures d'émission et de récep- tion d'ondes, et notamment des qualités de réponse accrues en comparaison avec le transducteur dont le boîtier d'oscil- lation est formé dans un matériau plastique non poreux. Le transducteur ultrasonore selon la présente invention est donc un transducteur pour l'émission et la récep- tion d'ondes ultrasonores, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier d'oscillation comportant une paroi latérale cylindrique et une plaque supérieure d'émission et de réception d'ondes montée à une extrémité de ladite paroi latérale; un élément piezoélectrique fixé solidairement à la paroi intérieure de ladite plaque supérieure; et des électrodes disposées sur ledit élément piezoélectrique pour la génération d'ondes électrosonores par ladite plaque supérieure lorsqu'un champ électique est 3. 255998 5 appliqué auxdites électrodes et pour la production d'un signal électrique par lesdites électrodes lorsque ladite plaque supé- rieure reçoit des ondes ultrasonores, ladite plaque supérieure étant réalisée dans un matériau plastique poreux. D'autres caractéristiques et avantages du traducteur ultrasonore apparaîtront à la lecture de la des- cription suivante de modes de réalisation préférentiels de l'invention et des dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue en plan, en coupe par- tielle, montrant sous forme de diagramme un mode de réalisation du transducteur ultrasonore selon l'invention; - la Fig. 2 est une vue en élévation, en coupe transversale, selon la ligne II-II de la figure 1; la Fig. 3 est une vue en élévation, en coupe transversale, similaire à la figure 2, montrant sous forme de diagramme un autre mode de réalisation de l'invention; - la Fig. 4 est une vue partielle en élévation, et en coupe transversale, similaire à la figure 3, représentant un autre mode de réalisation del'invention; - la Fig. 5 est une vue similaire à la figure 4, montrant un mode de réalisation encore différent de celui de la figure 3; - la Fig. 6 est un graphe représentant les ca- ractéristiques d'impulsion; - la Fig. 7 est une vue en élévation, en coupe transversale similaire à la figure 2, montrant sous forme de diagramme un mode de réalisation différent, de la présente invention; - la Fig. 8 est une vue similaire à la figure 7, montrant un autre mode de réalisation de l'invention; - la Fig. 9 est une vue en perspective montrant schématiquement un tube métallique élastique destiné à être inséré dans le bottier d'oscillation pour en réduire le temps de réverbération; - la Fig. 10 est une vue en élévation, en coupe 4 2559985 transversale, similaire à la figure 2, montrant sous forme de diagramme un autre mode de réalisation de l'invention; - les Figs 11 à 13 sont des vues partielles en coupe transversale montrant sous forme de diagramme d'autres modes de réalisation de la figure 10; - la Fig. 14 représente les diagrammes de direc- tivité des transducteurs ultrasonores selon l'invention; - la Fig. 15 est une vue en élévation, en sec- tion transversale, montrant un transducteur ultrasonore classique; et les Figs.16a et 16b sont des graphes montrant les caractéristiques d'impulsion d'un transducteur classique et d'un transducteur selon l'invention,respectivement. Les figures 1 et 2 décrivent un mode de réalisation du transducteur ultrasonique selon la présente invention. Dans les figures 1 et 2, ainsi que dans les figures suivantes les éléments constitutifs qui correspondent à ceux dela fi- gure 15 sont désignés par les mêmes chiffres qu'on a fait précédé du chiffre 1 pour les amener dans la série des "di- zaines". Le mode de réalisation représenté en figure 1 et 2 diffère du transducteur classique montré en figure 15 par le fait que le bottier d'oscillation 11 desdites figures 1 et 2 est réalisé en un matériau plastique poreux. Un élément piezoélectrique 12 avec des électrodes 12a et 12b est fixé solidairement à la surface intérieure d'une plaque supérieure 11a du bottier 11. Le bottier 11 comporte une paroi latérale cylindrique 11b faisant corps avec la plaque supérieure 11a. Le bottier 11 à sa portion d'extrémité ouverte pourvue d'un couvercle 13, dans lequel sont montées deux broches de connexion 14a et 14b. Des fils de plomb 15a et 15b relient l'électrode 12a avec la broche de connexion 14a et l'électrode 12b avec la broche de con- nexion 14b. Le couvercle 13 est recouvert d'une couche d'isolation 16. En 17, on a représenté un isolateur monté 5. lorsque le couvercle est formé dans un conducteur électrique 14a et 14b. Dans le mode de réalisation représenté dans les figures 1 et 2, aussi bien la plaque supérieure lia que la paroi latérale 11b sont réaliséesdans un matériau plastique poreux. Le terme "matériau plastique poreux" utilisé ici, si- gnifie qu'il s'agit d'un matériau polymérisé synthétique ayant une multiplicité de cellulesferméesdisperséesà l'intérieur du matériau polymérisé. A titre d'illustration des matériaux plastique poreux adaptés, on peut nommer les matériaux poly- mérisés synthétiques dont la masse contient une multiplicité de microbulles en verre dispersées, ainsi que les matériaux en mousse polymérisés synthétiques préparés selon la manière classique en utilisant des agents moussants. De manière préférentielle, les matériaux plas- tiques poreux ont undiamètre moyen des pores compris entre et 100 microns. Des matériaux polymérisés convenant à l'application comprennent par exemple, les résines époxy, les résinesde polyoléfine, les résines de styrène, les résines acryliques et les résinesde chlorure de vinyl. Du fait que le bottier d'oscillation 11 de l'invention est formé en un matériau plastique poreux, le Qm de la portion d'émission et de réception d'ondes du trans- ducteur ultrasonore selon l'invention est faible; ainsi le temps de montée et le temps de descente d'impulsion peut être réduit comme illustré en figure 16b. La réduction du temps de descente d'impulsion, a pour conséquence avantageuse la réduction du temps de réverbération. De plus, dans la mesure o la plaque supérieure 11a contient une relativement grande quantité d'airl'impédance acoustique de la plaque supérieure 11a approche celle de l'air. En conséquence, les conditions d'adaptation et de coopération entre la plaque supérieure 1la et l'air ambiant sont améliorées, ce qui amé- liore les qualités de réponse, c'est-à-dire qu'on obtient un signal de sortie plus fort lors de la réception d'une onde ultrasonore de même intensité. 6.2 559985 Par exemple, le transducteur ultrasonore clas- sique dont le bottier est formé en acier inoxydable four- nit un temps de montée d'impulsion de 0,5 ms, un temps de descente d'impulsion de 2,0 ms, et une tension de sortie de 0,4 V. Un transducteur dont le bottier d'oscillationest formé dans une résine époxy non poreuse fournit un temps de montée d'impulsion de 0,2 ms, un temps de descente d'impulsion de 1,2 ms et une tension de sortie de 2,6 V. Dans le cas d'un transducteur ultrasonore selon la présente invention, le boî- tier d'oscillation formé dans une résine époxy dont la masse contient une multiplicité de microbullesen verre dispersées ayant un diamètre de 50 à 100 microns, le temps de montée et le temps de descente d'impulsion sont de 0,2 et 1,2 ms respec- tivement, et la tension de sortie de 6,4 V. De manière préférentielle, l'épaisseur de la plaque supérieure 11a du bottier d'oscillation 11 est d'environ un quart de la longueur d'onde correspondant à la vitesse de propagation du son dans la plaque supérieure 11a, afin d'obtenir la meilleure qualité de réponse. Dans le mode de réalisation décrit précédemment, la plaque supérieure 11a et la paroi cylindrique latérale 11b sont toutes deux formées dans un matériau plastique poreux. Une amélioration similaire peut être obtenue même si seule la plaque supérieure est formée dans un matériau plastique poreux. Si l'on se réfère à la figure 3, une paroi latérale cylindrique 11b fait corps, à l'une de ses extrémités, avec une plaque supérieure 11a formée dans un matériau plastique poreux du type qui vient d'être mentionné. Les autres modes de réalisation du transducteur sont pratiquement les mêmes que ceux des figures 1 et 2, et on peut reprendre à leur propos les mêmes explications détaillées. Les figures 4 et 5 représentent des modes de réalisation similaires à ceux de la figure 3. En figure 4, la périphérie extérieure de la plaque supérieure 11a est en contact avec la surface intérieure de la paroi latérale cylindrique 11b. En figure 5, les portions 7. d'extrémité de la plaque supérieure lia et de la plaque la- térale 11b sont coupées diagonalement, pour venir s'emboîter l'une sur l'autre. La fixation de la plaque supérieure 11a à la paroi latérale 11b peut être réalisée par tous moyens connus, et par exemple par des adhésifs, Dans les modes de réalisation représentés en figure 3 à 5, la paroi latérale cylindrique I!b est préfé- rentiellement réalisée dans un matériau dont l'impédance acoustique est supérieur à celle de la plaque supérieur 11a afin d'obtenir une réduction du temps de réverbération. A titre d'illustration, les matériaux convenant pour la réa- lisation de la paroi latérale 11b sont les matières plas- tiques, les métaux et les céramiques. Lorsque la plaque supérieure et la paroi latérale du bottier d'oscillation sont toutes deux formées dans un matériau plastique poreux, l'oscillation n'est pas complètement amorti sur les bords du boîtier d'oscillation 11, et le temps de réverbération ne peut pas être réduit au delà d'une certaine limite. Au contraire, lorsque la plaque supérieure 11b est formée dans un matériau dont l'impédance acoustique est supérieure à celle de la plaque supérieure 11a, laquelle est formée dans un matériau plastique poreux, l'oscillation de la plaque supérieure 11a est réfléchie et se disperse à la surface de séparation de la plaque supérieure 11a et de la paroi latérale 11b, ce qui l'empêche de se propager dans la paroi latérale 11b. En conséquence, le temps de réverbération est plus fai- ble en comparaison avec celui du transducteur avec lequel le bottier d'oscillation est entièrement formé en matériau plas- tique poreux. Par exemple, le transducteur ultrasonore dont le bottier d'oscillation est formé dans un matériau plastique poreux ayant une impédance acoustique de 1 x 3000 g/cm2 sec, présente une caractéristique d'impulsions d'émission d'ondes correspondant à la courbe 20 de la figure 6. D'autre part, lorsque le bottier d'oscillation comprend une paroi latérale cylindrique formée en acier inoxydable ayant une impédance 8. acoustique de 7,8 x 500 g/cm sec, et une plaque supérieure formée dans un matériau plastique poreux de 1 x 3000 g/cm sec d'impédance acoustique, le transducteur présente une caracté- ristique d'impulsion telle que représentée en pointillés 21 en figure 6, On note que le temps de réverbération peut ainsi être réduit à moins de 1,0 ms. Une telle réduction du temps de réverbération (ou encore temps de descente d'impulsion)peut également être obtenue en montant solidairement un ou plusieurs éléments tubulaires à la périphérie extérieure et/ou intérieure de la paroi latérale cylindrique du transducteur représenté en figure 1 et 2, l'élément tubulaire ayant une impédance acous- tique supérieure à celle de la paroi latérale cylindrique. Si l'on se réfère à la figure 7, un élément tubulaire 18 est monté à l'intérieur du bottier d'oscillation et rapporté sur la périphérie intérieure de sa paroi latérale cylindrique 11b. Dans le mode de réalisation différent repré- senté en figure 8, l'élément tubulaire 18 est rapporté sur la périphérie extérieure de la paroi latérale 11b. Le montage de l'élément tubulaire 18 entraîne que l'effet d'amortissement des oscillations sur les côtés du bottier d'oscillation est amélioré pour réduire le temps de réverbération. La fixation de l'élément tubulaire 18 sur la paroi latérale 11b peut être réalisée par tous moyens connus tels que des adhésifs. Lorsque l'élément tubulaire 18 est monté à l'intérieur du boîtier 11, il est tout à fait favorable de réaliser l'élément tubulaire dans un tube élastique, de ma- nière générale un tube métallique ayant une fente 18a parallèle à l'axe du tube. Le tube 18 a un diamètre extérieur plus grand que le diamètre intérieur de la paroi latérale 11b, lorsqu'il est au repos. En montant le tube 18 à l'intérieur du boîtier, ce tube vient en contact serré avec la surface intérieur de la paroi latérale cylindrique 11b. De manière similaire, lorsque l'élément tubulaire 18 est monté à l'extérieur du bottier 11, il est possible d'utiliser un tube élastique, tel qu'un tube en caoutchouc, ayant un diamètre intérieur plus petit que le 9. diamètre extérieur de la paroi latérale cylindrique 1lb. En montant le tube en caoutchouc 18 autour de la périphérie de la paroi latérale 11b, le tube est maintenu en contact serré avec la paroi latérale 11b. Lorsqu'on utilise un élément tubulaire élastique, il n'est pas nécessaire que cet élément tubulaire soit formé dans un matériau ayant une impédance acoustique supérieure à celle de la paroi latérale 11b, puis- que la plaque latérale llb est toujours soumise à des forces s'exercant perpendiculairement à l'axe de la paroi latérale cylindrique 11b et empêchée d'osciller. Les figures 10 à 13 représentent des améliorations des transducteurs ultrasonores des modes de réalisation pré- cédents, dans lesquels l'épaisseur de la plaque supérieure 11a varie brusquement au niveau d'une portion annulaire ad- jacenteà la périphérie extérieure d'un disque piezo-électrique 12, afin d'absorber ou de relaxer les vibrations transversales émanant de la périphérie du disque piezoélectrique 12. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, lorsque la portion centrale de la plaque supérieure 11a oscil- le, la portion périphérique de la plaque supérieure 11a est également amenée à vibrer, selon une phase inversée, par les oscillationsémises transversalement à partir de la périphérie extérieure du disque piezoélectrique 12. En conséquence, et comme représenté en trait plein en figure 14, le diagramme de directivité du transducteur présente deux lobes latéraux relativement grands, en plus du lobe principal. A cause de telles caractéristiques de directivité, le transducteur est susceptible de reçevoir un bruit émanant d'une direction au- tre que la direction d'orientation du lobe principal. En fai- sant varier l'épaisseur de la plaque supérieure 11a dans une portion annulaire adjacente à la périphérie extérieure dudit piezo-électrique 12, la vibration transversale peut être ab- sorbée ou relaxée dans cette portion, de façon que le trans- ducteur puisse avoir un diagramme de directivité comme repré- senté en pointillés en figure 14. Dans le mode de réalisation représenté en figure , l'absorption ou la relaxation de l'onde transversale éma- nant du disque piezoélectrique 12, peuvent être obtenues au moyen de la portion 11c surélevée, réalisée sur la surface exté- rieure de la plaque supérieure 1la. Selon un autre mode de réalisation, le même effet peut être obtenu en réalisant une portion surélevée 11c sur la face interne de la plaque supé- rieure 11a comme représenté en figure 11. Dans le mode de ré- alisation représenté en figure 12, la plaque supérieure 11a comporte une rainure annulaire 11d à une position adjacente à la périphérie extérieure du disque 12. La rainure annulaire 11d peut être formée sur au moins l'une des surfaces extérieure (figure 12), et intérieure (figure 13) de la plaque supérieure 11a. La section transversale de la rainure annulaire 11d peut être en forme de U, incurvée(par exemple semi-circulaire) ou trapézoïdale (par exemple en forme de coin). De manière préfé- rentielle, la hauteur de la portion surélevée 11c et la profon- deur de la rainure annulaire 11d ne sont pas supérieures à 1/3 de l'épaisseur D de la plaque supérieure 11a, de façon à éviter une réduction des qualités de réponse. 11. REVENDICATIONS 1 ) Transducteur ultrasonore, pour l'émission et la réception d'ondes ultrasonores, caractérisé en ce qu'il comprend un bottier d'oscillations (11) comportant une paroi latérale cylindrique (11b) et une plaque supérieure d'émis- sion et de réception d'ondes (lia) montée à une extrémité de ladite paroi latérale (11b); un élément piezoelectrique (12) fixé solidairement à la paroi intérieure de ladite pla- que supérieure (11a); et des électrodes (12a,12b) disposées sur ledit élément piezoélectrique (12) pour la génération d'ondes électrosonores par ladite plaque supérieure (11a) lorsqu'un champ électrique est appliqué auxdites électrodes (12a,12b), et pour la production d'un signal électrique par lesdites électrodes (12a,12b) lorsque ladite plaque supérieure (11ia) reçoit des ondes ultrasonores, ladite plaque supérieure (11ia) étant réalisée dans un matériau plastique poreux. 2 ) Transducteur ultrasonore selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite paroi latérale cylin- drique (11lb) est réalisée dans un matériau dont l'impédance acoustique est supérieure à celle de ladite plaque supérieure (11ia). 3 ) Transducteur ultrasonore selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite paroi latérale cylin- drique (11b) est réalisée dans un matériau plastique poreux. 4 ) Transducteur ultrasonique selon la revendica- tion 3, caractérisé en -ce qu'il comprend également un élément tubulaire (18) réalisé dans un matériau dont l'impédance - acoustique est supérieure à celle de ladite paroi latérale cylindrique (11b), ledit élément tubulaire (18) étant monté sur au moins une des surfaces périphérique intérieure et extérieure de ladite paroi latérale cylindrique (11b) pour réduire le temps de réverbération. ) Transducteur ultrasonore selon -la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ledit membre tubulaire (18) est un tube élastique dont le diamètre intérieur est inférieur au 12. diamètre extérieur de ladite paroi latérale cylindrique (11b), ledit membre tubulaire (18) étant monté à l'extérieur de ladite paroi latérale cylindrique (11b) en contact serré avec celle-ci. 6 ) Transducteur ultrasonore selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire (18) est un tube métallique pourvu d'une fente (18a) parallèle à sa direction axiale, ledit élément tubulaire (18) présentant un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur de la- dite paroi latérale cylindrique (11b), et étant montée à l'in- térieur de ladite paroi latérale (11b) en contact serré avec celle-ci. ) Transducteur ultrasonore selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément piezo électrique (12) est sous forme de disque, et disposé de manière concentrique contre ladite plaque supérieure (11la), ladite plaque supérieure (11a) comportant une portion annulaire située à proximité et tout le long de la périphérie extérieure dudit élément piezo- électrique (12), ladite portion annulaire présentant une brusque variation d'épaisseur de la- dite plaque supérieure (11a), de façon que les vibrations émises transversalement à partir de la périphérie dudit élément piezo électrique (12) soit absorbéesou relaxéesau niveau de ladite portion annulaire. 8 ) Transducteur ultrasonore selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que ladite portion annulaire est la limite d'une portion surélevée (11c) réalisée sur au moins l'une des surfaces extérieure et intérieure de ladite plaque supérieure (11a). 9 ) Transducteur ultrasonore selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que ladite portion annulaire est une rainure annulaire (11ld) réalisée sur au moins l'une des surfaces extérieure et intérieure de ladite plaque supérieure (11k).