Brevet FR2615674A1 — publié le 19881125

PRESENTATION DU PROCEDE Dans les domaines industriels et médicaux, les contrôles et mesures par ultrasons sont effectués à partir d'un appareillage électro-acoustique. Celuici est constitué principalement d'une sonde appelée transducteur ultrasonique (TR) et d'un appareil électronique (US). L'ensemble est mis en oeuvre, soit par l'opérateur lors des contrôles manuels ou dans un ensemble mécanique pour les controles semi-automatique et automatique. Cet ensemble électro-acoustique, constitué du couple transducteur/appareil, doit être adapté au contrôle à effectuer. Nous n'abordons pas ici, les choix de ces couples, ces paramètres étant connus et définis par ailleurs. L'invention, objet de ce descriptif, définit les relations de ce couple dans le but d'obtenir un meilleur rendement et un rapport signal/bruit satisfaisant dans tous les cas possibles lors des contrôles. L'appareil électronique - Fig.l L'appareil (US) est constitué, en général - de circuits de-Synchronisation et de Base de Temps (S). - de circuits d'Emission (E) et de Réception (R). - de circuits de Traitement des informations (T). - de dispositifs d'Affichage (AF) et/ou d'enregistrement des résultats (RE). Les circuits d'Emission (E) et de Réception (R) sont destinés, d'une part à l'excitation des céramiques des transducteurs, et d'autre part à l'amplification et à la mise en forme des signaux recueillis par les transducteurs, afin d'être exploités. Les circuits de Traitement des information (T), ainsi que ceux d'Affichage (AF) et d'Enregistrement (RE) ne sont pas du domaine de l'invention. Le transducteur Le transducteur (TR) est relié électriquement à l'appareillage électronique (US) par un câble coaxial d'impédance donnée. Le signal électrique émis par l'appareil est transmis à la céramique (C) qui transforme, de part ses propriétés piézo-électriques, ce signal en une vibration mécanique qui génère dans le corps sondé, une onde acoustique (0). Le mode - d'excitation de la céramique en fonction de critères exigés pour le contrôle est très important, compte tenu de l'analyse des caractéristiques des transducteurs. Rappel Le transducteur ultrasonique (TR) est presque toujours constitué par un élément piézo-électrique céramique (C) : quartz, sulfate de lithium, céramique à base de titanate de baryum ou de zirconate de plomb, etc... Une face de cet élément est collée sur un bloc amortisseur destiné à atténuer sa résonnance propre et à augmenter sa bande passante. L'ensemble, monté dans un bottier, est finalisé par les liaisons électriques des deux faces de la céramique à un connecteur et/ou à un câble. En général, un seul élément piézo-électrique est utilisé à la fois pour l'émission et la réception. Dans certains cas, deux éléments : I'un émetteur, L'autre récepteur, sont placés côte à côte dans le même boitier. Cette dernière disposition évite d'envoyer, sur le récepteur électronique, la totalité de l'impulsion d'émission. Le transducteur est essentiellement caractérisé par sa fréquence nominale, son amortissement, son bruit, et la forme du champ rayonné. - La fréquence nominale est la fréquence de résonnance fondamentale de la céramique piézo-électrique (C). Elle est inversement proportionnelle à son épaisseur "e". Pour les matériaux piézo-électriques cités plus haut on a la relation Fo (MHz) + 3 e (mm) Lorsque la céramique est excitée par une impulsion électrique brève, le transducteur produit une oscillation plus ou moins amortie, dont la pseudo fréquence est voisine de Fo. Par contre, si la céramique est excitée par une impulsion entretenue, I'intensité émise passe par un maximum quand la fréquence d'excitation F est voisine de Fo. - La bande passante du transducteur peut être définie de la même façon que dans le cas d'un circuit électrique résonnant. L'amortissement du transducteur est adapté à son utilisation. La bande passante de celui-ci est d'autant plus importante que l'amortissement est plus fort. Dans le cas où la sonde doit produire des signaux couvrant une bande de fréquence étendue, l'amortissement est plus important. - L'énergie ultrasonore émise par l'élément piézo-électrique se propage à l'avant du transducteur (0), mais aussi dans le bloc amortisseur et parfois dans le boiter (0'). Cette énergie "parasite" non absorbée revient sur l'élément piézoélectrique et perturbe les fonctions de bande passante et de pouvoir de séparation proche de l'émission. - La zone de champ proche (CP) très perturbé où l'intqnsité passe très rapidement par une série de maximum et de minimum s'étend jusqu'à une distance Distance D - a2 - a avec : a = rayon de la céramique )v= longueur d'onde ()\= C) F La zone du champ éloigné (CE) s'étend au-delà de la zone du champ proche. L'intensité y varie plus régulièrement - maximum sur l'axe, elle diminue quand on s'éloigne de celui-ci et passe ensuite par une série de maximum et de minimum. L'angleoC pour lequel l'intensité atteint son premier minimum, définit l'ouverture du faisceau. Dans le cas d'une céramique circulaire, on a i = 0,6 h a a = rayon de la céramique W = longueur d'onde = = exprimé en radians Ces formules sont considérées comme applicables partant de l'hypothèse d'une onde sinusoldale entretenue. En pratique, les ondes émises couvrent un spectre de fréquence plus ou moins étendu, et de ce fait, les variations de champ ultrasonore sont moins prononcées. Dans le cas où l'onde est émise sous forme d'impulsion très brève, le phénomène se traduit par une modification de la forme de l'impulsion en fonction de la position où elle est détectée. Toutes ces notions physiques liées à l'onde émise par le transducteur doivent être prises en compte, afin d'optimiser le mode d'excitation de l'élément piézoélectrique. L'invention décrite ci-après, a pour but de choisir individuellement les paramètres de l'impulsion électrique qui excitent la céramique. Description La Figure 2 représente une "salve d'émission". La Figure 3 synoptique du dispositif électronique indique les différentes fonctions utilisées qui concernent la "salve d'émission", qui sont La Fréquence. La Durée. Les amplitudes positive et négative. Ne sont pas décrits, dans cette invention, les circuits d'alimentation basse et haute tention (19), ainsi que les circuits de déclenchement périodique et les commandes d'adresses et de données. Les circuits électroniques sont commandés numériquement par l'intermédiaire de bus d'adresse (1) et de bus de données (2). Les nombres de bits de chacune de ces fonctions dépend des nombres utiles des fonctions à commander, ainsi que de leurs tolérances. Des bus de 8 bits permettent, par exemple, des réglages très performants et souvent suffisants. L'invention n'est pas limitée à ce nombre de bits qui peut être moins ou plus important. Les données numériques présentes sur le bus de données sont disponibles aux entrées des circuits verroux (3, 4 et 5) qui ont un rôle de mémoriser, pendant un temps déterminé, ces valeurs. Les ordres d'entrées de ces données dans ces verroux proviennent des circuits de décodage d'adresse (6) sous ordre d'écriture (6a) connectés au bus d'adresse général de l'appareil. Cette distributipn parallèle "données et adresse" permet une très grande souplesse d'intégration du dispositif dans les organisations électroniques et informatiques habituelles. Les données de ces bus proviennent de circuits décodeurs commandés par des touches tactiles "intelligentes" ou d'un micro-processeur. FREQUENCE La fréquence de la salve d'émission (F) est réalisée à partir de lignes à retard programmables (7 et 8) activées par les multiplexeurs (9 et 10). Ces multiplexeurs sont opérants lorsque la bascule (11) est haute. Celle-ci est déclenchée par l'impulsion de synchronisation de l'appareil (1 la). Le front de montée de cette bascule est alors transmis dans les lignes à retard, et est retardé d'un temps 6t en fonction de la valeur numérique mémorisée dans le verrou (3) et présente aux entrées des multiplexeurs (9 et 10) soit N1 et N2. Si, par exemple, l'unité de décalage de la ligne à retard (7) est de 1 nanoseconde et celle de la ligne à retard (8) est de 8 nanosecondes, on peut écrire: Et = (1.N1) + (8.N2) + 2 tp tp est le temps de propagation dans les multiplexeurs (9 et 10). "F" représente la fréquence fondamentale de cet oscillateur numérique, soit F=1 2 Et Elle est directement proportionnelle aux valeurs numériques contenues sur le bus de données (2). Les circuits (12) divisent la fréquence fondamentale par un nombre puissance de 2, avec une résolution qui dépend du nombre de bits. La fréquence fondamentale résultante peut s'établir alors en fonction de ces diviseurs de quelques dizaines de kilo-Hertz à plusieurs dizaines de méga-Hertz. La stabilité et la répétivité de ce circuit sont très performantes et ne dépendent, en fait, que des tolérances des lignes à retard minimisées par les circuits de division. DUREE La durée de la salve d'émission (D) est déterminée par la valeur numérique présente sur le bus de données et mémorisée par le verrou (4) lors de la commande de celui-ci par le décodeur d'adresse -(6). Les compteurs (13 et 14) pré-chargés à une valeur égale à (16 - N) et recevant comme impulsion d'horloge, la fréquence fondamentale "F" précédemment expliquée, effectueront leur comptage en fonction de la valeur désirée présente en sortie du verrou (4). Les impulsions de "retenue" de ces compteurs existantes lors de l'égalité des nombres présents à leurs entrées avec ceux du comptage, sont coincidées par le circuit (15) qui remet la bascule (11) à zéro, cette dernière bloque le fonctionnement du générateur de fréquence. Pour des raisons technologiques relatives aux temps de propagation des différents circuits mis en oeuvre, plusieurs oscillations peuvent exister après cet arret. Le circuit (16) ne retient que le nombre d'impulsions de la fréquence fondamentale "F" déterminé par les compteurs (13 et 14). Ce circuit (16) adresse deux salves en opposition de phase aux entrées de l'étage de puissance (18) décrit ci-après. AMPLITUDES POSrflVES ET NEGATIVES Les amplitudes positives (A+) et négatives (A-) de la salve d'émission sont déterminées par les valeurs numériques présentent sur le bus de données et mémorisées par le verrou contenu dans le convertisseur digital analogique (5) lors de la commande de celui-ci par le décodeur d'adresse (6). La conversion en tension des valeurs d'amplitude positive et négative est effectuée par le circuit (17) qui est chargé de délivrer un courant moyen pour la commande de l'étage de puissance bi-polaire (18). L'étage de puissance (18) fournit une valeur d'amplitude négative et une valeur d'amplitude positive -de la salve, distinctes et comprises chacune entre la valeur "O" volts et les valeurs (-U) et (+U) fournies par l'étage d'alimentation (19). Cette salve électrique appelée aussi "Signal d'émission" est appliquée direcment à la céramique du transducteur ultrasonique (20). CONCLUSION Les différents aspects des paramètres physiques décrits dans le paragraphe (Rappel) ci-avant, peuvent être appréciés loTs de I'utilisation de ce procédé d'excitation des céramiques piézo-électriques. Le choix de la fréquence fondamentale (F) permet d'obtenir un bon rendement de la céramique, lorsque celle-ci est excitée avec une valeur Fo égale ou très proche de sa fréquence propre. Par contre, certains réglages favorables peuvent être envisagés en réglant la fréquence à une autre valeur que celle de la fréquence propre de la céramique, au détriment du rendement, mais à l'avantage de l'écho de retour en mode émission réception. La durée de la salve (D), transmise à la céramique, permet à celle-ci de s'établir en oscillation et de ce fait, d'obtenir un bon rendement. En effet, aux premières demi-périodes, la céramique n'atteind pas son amplitude maximale, compte tenu du temps nécessaire de passage du potentiel "O" à celui défini par les amplitudes positives et négatives (A+ /et/ A-). Ces remarques permettent d'obtenir une énergie ultrasonore transmise par la céramique, avec des tensions plus faibles, équivalentes à celles obtenues par une excitation mono impulsionnelle de plus forte amplitude. L'expérimentation de ce procédé a permis de montrer que ce type d'excitation de la céramique pour une durée de 4,5 périodes avec des valeurs d'amplitudes positives et négatives de 50 Volts et de fréquence fondamentale, celle de la céramique, permet d'obtenir une énergie transmise équivalente à celle d'un thyristor alimenté sous 220 Volts. Les puissances transmises dans ces deux cas sont de l'ordre de 200 watts crête à crête. Les circuits électroniques décrits dans ce procédé sont de meilleur rendement. Le fait de pouvoir commander séparément les amplitudes positives et négatives permet d'effectuer un amortissement dynamique de l'impulsion, et donc d'améliorer le pouvoir de séparation des échos. En effet, le circuit de puissance se comporte comme un amortisseur électrique passif lorsqu'il n'est pas générateur à l'instant "T". S u &verbar; REVENDICATIONS 1) Procédé d'excitation des céramiques piézo-éléctriques pour la génération d'ultrasons, caractérisé par le fait que la salve électrique (Fig. 2) d'émission (E) est générée par des circuits entièrement numériques (Fig. 3) qui permettent d'agir sur les paramètres de fréquence, de durée, d'amplitudes positive et négative de l'impulsion et donc d'obtenir un bon rendement des céramiques. -2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence de la salve (F = 1/T) est réglable dans une plage comprise entre quelques centaines de kilohertz et quelques dizaines de mégahertz. Cette variation est obtenue par les circuits multiplexeurs (9) et de ligne à retard (7 et 8) ainsi que par le diviseur (12). 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la durée de la salve (D) est contrôlée par les compteurs numériques (13) et (14), elle peut être réglée depuis une demi période jusqu'à 16 demi périodes et plus selon le nombre de bits de ces compteurs. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la salve d'émission est réglable en amplitudes positive et négative individuellement (A+, A-), le convertisseur numérique analogique (17) commande les étages de puissances positifs et négatifs (18) depuis les alimentations à deux polarités (19), les alternances positives et négatives pouvant être réglées depuisO volt jusqu'à plusieurs dizaines et centaines de volts. 5) Dispositif selon les revendications 1, 2 3 et 4 caractérisé par le fait que ces paramètres sont commandés à partir de circuits numériques indépendants (Fig. 3). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les valeurs des paramètres et leurs tolérances dépendent directement des nombres de "bits" numériques adressés sur le bus d'adresse (1) et sur le bus de données (2), ce nombre peut être de 8 bits, ce qui permet des réglages très performants et souvant suffisants. L'invention n'est pas limitée à ce nombre de bits qui peut être moins ou plus important (de 4 à 32 bits). 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé par le fait que ces valeurs numériques adressées par les bus d'adresse (1) et de données (2) peuvent être fournies par un circuit processeur. 8) Dispositif selon les revendications 5, 6 et 7 caractérisé par le fait que la technologie numérique utilisée (Fig 3) permet une consommation électrique faible du fait des découpages naturels des signaux en regard du rendement de la céramique.