Brevet FR2633202A1 — publié le 19891229

TRI PLET ELECTRO-STATIQUE L 'attraction électro-statique est un phénomène bien connu: soit un condensateur plan, x l'épaisseur du diélectripue, S la surface des arma tures, V la tension entre armatures, la force d'attrattion est F SV2 Cette force F, proportionnelle au carré de la tension, s'exerce 8 toujours dans le sens de l'attraction des deux armatures0 Si la tension V est alternative de fréquence N, à chaque alternance correspond une attraction,donc 2 attractions par périod%Ole condensateur vibre à fréquence 2N , en doubleur de fréquence.Si on polarise le condensateur par une tension continue superposée, la force d'attraction variera symétriquement autour de la valeur moyenne de la force continue de polarisation, engendrant donc une vibration de même fréquence N. C 'est le principe bien connu du haut-parleur électro-statique, constitué de deux armatures métalliques planes de grande surface à feuille diélectrique souple, fonctionnant loin de toute résonance propre.L'objet de la présente invention est un bloc -Triplet cylindrique vibrant en résonance sur sa fréquence propre en mode radial, réalisé par enroulement en spirale des armatures métalliques, afin de bénéficier d'une grande surface S et d'une grande force d'attraction F et d'une grande puissance d'émission d'ultra-sons.Pour qu'un tel condensateur cylindrique devienne un condensateur vibrant en résonance en mode radial, 4 conditions essentielles sont nécessaires, et constituent la base de la présente invention. La première est que le bloc vibrant présente un module de Y'LONG suffisamment élevé, ce qui exclut la présence de diélectrique à feuilles souples( mylar, polyéthylène etc....)et d'armatures métalliques en feuilles trop minces. La deuxième est l'homogénéité du bloc vibrant, qui doit exclure tout intervalle d'air entre spires entravant réflexion totale de 1' onde ultra-sonore; leblocdoitêtre monolithique solide, sans couches d'air entre spires, mais pouvant comporter, quoiqu'avec pertes, un liquide( huile) d'imprégnation.La troisième condition est que le dia mètre du bloc cylindrique corresponde aux valeurs imposées par la re- sorance en mode radial à la fréquence adoptée, ce qui exclut les blocs cylindriques de faible diamètre. La quatrième condition est que la capa cité CSF; ne soit pas de valeur trop élevée, donnant une impédance 4r'x t rop fable à la fréquence de travail( de l'ordre de 20 à 40 kHz en ultra- sons)et une intensité I= VCW démesurée et une insertion impossible du condensateur dans un circuit oscillant du générateur électronique. La présente invention est caractérisée par la réalisation de ces 4 conditions.La première, celle d'un bloc solide, est obtenue par la réalisation d'un diélectrique solide, fortement adhérent aux armatures métalliques sans intercalation de micro-bulles d'air. Pour celà, un procédé selon l'invention consiste à réaliser les armatures en feuilles d'aluminium assez épaisses( par exemple 0,1 mm)pour présenter un module d'YOl7NG suffisant et à recouvrir ces feuilles d'une couche d'Alumine sur les 2 faces, obtenue, par exemple, par oxydation anodique de 11 aluminium, assurant ainsi un contact parfait; l'alumine, bon isolant, constituant le diélectrique: U n autre procédé selon l'invention consiste à prendre comme diélectrique solie le verre ou les céramiques, techniques bien connues.Un autre procédé selon l'invention ccnsiste à recouvrir les armatures d'aluminium d'une couche de Teflon sur les deux faces, après traitement chimique de l'aluminium pour faciliter l'accrochage, selon les procédés bien connus;- cette version Teflon étant moins bonne que les précédentes, en raison du module d'YOt'NG plus faible que celui des diélectriques solides.La deuxième condition, celle d'un bloc solide monolithique sans bulles d'air est réalisée par l'imprégnation à coeur, de préférence sous vide, du bloc terminé, par une résine d'imprégnation devenant très dure après polymérisation, telle que polyuréthane, polyester, araldiie;.,à grand modale d'élasticité; ou encore par une huile d'imprégnation, en acceptant des pertes par réflexion aux interfaces huile/métal. La troisième et la quatrième condition, celles d'un diamètre compatible avec les relations de résonance radiale et les limites de la capacité, sont obtenues en réalisant le bloc vibrant sous la forme d'un Triplet: " condensateur solide inséré entre deux masses solides co-axiales ( de préférence métalliques) formant un bloc vibrant monolithique, sans intercalation d'air.En effet, les conditions de résonance en mode radial à fréquence ultra-sonique (par exemple 20 kHz) aboutissent à des diamètres de l'ordre de I00 mm pour le bloc solide final; mois un tel diamètre impliquerait une capité de plusieurs micro-fa- rads, donc une impédance trop faible aux fréquences ultra-soniques, une intensité démesurée et une impossibilité d'insertion dans un circuit oscillant de générateur électronique . La diamètre du condensateur sera dcnc limite en ce sens, par exemple à titre d'ordre de grår.deur: dia mètre 10 m=; et capacité 100 nF.Le diamètre final du bloc monolithique vibrant sera, par exemple I03 mm; Sur la figure I représentant la struc t ure du triplet selon l'invention: 3 désigne le condensateur cylindrique aux armatures enroulées en spirale, 2 le cylindre solide métal de préféren- ce)co-axial enserrant étroitement le condensateur, I le cylindre solide intérieur qui pourra être soit une tige pleine soit un tube.Cet ensemble est appelé Triplet une tige intérieure~un condensateurun tube extérieur, par analogie avec le classique Triplet de ANGEVIN qui encastrait une mince lame de quartz piézo-électrique ( élément actif)entre deux masses métalliques épaisses ( éléments passifs);le bloc solide ainsi constitué avait une fréquence de résonance propre définie par son épaisseur totale et non par celle de la mince lame de quartz,l'analogie est ici évidente: l'élément actif est le condensateur de faible diamètre, les éléments passifs sont les masses co-axiales qui l'enserrent, et le bloc vibrant est l'ensembl e total dont la fréquence de résonance radiale est donnée par l'épais seur totale .L'analogie électrique est représentée en figure 2 , où l'on voit un circuit oscillant ( élément passif), self 5 et condensateur 6, excité par une boucle 4 ( élément actif) de quelques spires, reliée au générateur; à la résonance entre le circuit oscillant et la source, le transfert d'énergie du générateur au circuit oscillant s'effectue avec un très bon rendem ent, me me si la boucle est de I spire couplée inductivement à une in ductan de 10 spires ou plus e lune variante, considérée comme un cas particulier du Triplet, consiste à supprimer la tige intérieure, constituant ainsi une version simplifiée ou Doublet, de rendement moindre que le Triplet.Il est à noter que les masses cylindriques passives du Triplet seront de préférence métalliques ( aluminium par exemle), mais peuvent etre en matériau dur à grand module d' YOUNG, tel que les résines polyuréthanes, polyesters, araldite; en ce cas la réalisation est simplifiée: le condensateur cylindrique seul, sans masses métalliques concentriques, est soumis dans un moule à une imprégnation à coeur, sous vide de préférence; la résine de coulée, après durcissement, constitue les masses solides concentriques tant intérieure qu'extérieute.Le rendement est moins bon qu'avec les masses métalliques, l'impédance acoustique d'une résine étant inférieure à celle du métal et son modules d'élasticité moins bon. Le Triplet de la fi- gure I selon l'invention est un émetteur d'ondes ultra-sonores à propagation radiale isotropique; ses applications principales sont les cuves d'ultra-sons et les Sonars sous-marins, En associant ce Triplet àXun réflecteur conique à 450, comme indiqué sur la figure 3, on transforne; par réflexion, la propagation radiale en une propagation en faisceau clindri- que: 7 désigne le triplet émetteur, 8 la face intérieure du cône à 45 ct 9 sa paroi extérieure; l'intervalle entre les parois 8 et 9 étant constitué de couches d'air afin d'assurer la réflexion totale dans le cas où le réflecteur fonctionne en milieu liquide (cuve d'ultra-sons ou Sonar). Le t riplet 7 fonctionne en bain liquide (huile généralement) à l'intérieur du tronc de cane réflecteur;'; une mrane ou diaphragme, non représentée sur le dessin, assure la fermeture étanche de l'ensemble.Cet ensemble 7-8-9 constitue un émetteur d'ondes ultra-sonores à faisceau cylindrique, pour un angle au sommet de 450; en faisceau divergent, pour un angle supérieur à 450; en faisceau convergent pour un angle inférieur à 450, ce qui constue alors un focalisateur ponctuel dont le foyer est le sommet du c8ne de convergence, Une application importante est le Lithotripteur C dispersion des calculs rénaux), avec réglage précis de la distance focale afin de localiser les calculs rénaux dans la région focale. La figure 4 donne un exemple de réalisation d'un focalisateur: 7 - 8 - 9-disiçnent 1-émetteur d'ondes convergentes; IO-II une deuxième tronc de côneservant de guide d'ondes vers la sortie I2 fermée par le diaphragme d'étanchéité; un bain d'huile remplit l'intérieur de cet ensemble de deux troncs de cane en tete-bèche Ce focalisateur de la figure 4 peut etre appliqué à un canal de circulation de liquide en défilé continu, comme représenté sur la figure 5 sur laquelle: 7-8-9-10-I2 désistent le focalisateur déjà décrit, I3 une embase plane (lamé) pour sa fixation, 14 un manchon métallique demi-cylindrique enser rant le tube de canalisation du liquide par ses deu > ; rebords latéraux de fixation E;-I6. On disposera, par exemple, 2 manchons symétriques autour de la canalisation, chacun porteur de focalisateurs. ir une même embase pl ane 13 on pourra placer plusieurs focalisateurs étalés sur toute la lon gueur utile d'irradiation. On calculera l'angle du cône pour que le foyer se situe sur l'axe de la tubulure de canalisation. Ce dispositif donne une succession de foyers ponctuels le long de l'axe de la canalisation, mais une répartition discontinue des foyers.Un nouveau procédé selon l'invention est représenté par les figures 6-7-s: c'est l'association du focalisateur cani- que avec un réflecteur parabolique. Sur la figure 6,on désigne par I8 l'embase plane (lamé)d'un bloc métallique plein, appelé paraboloide dont la sec- tion par un plan perpendiculaire à son axe est une parabole.Sur l'embase plane on fixe un ou plusieurs connes réflecteurs(l9-20)a 459 du modèle de la figure 3, émettant des ondes ultra-sonores à faisceau cylindrique qui se réfléchissent, en réflexion totale à l'interface métal/air, et dont les rayons réfléchis convergent tous sur l'axe focal, autour duquel est percée dans le métal la canalisation 17 de circulation du liquide Cette focalisation axiale est homogène et toute l'énergie émise sur une grande surface par les cônes réflecteurs se trouve concentrée dans le faible rolurie de la veine d'écoulement, engendrant une focalisation maximale La figure 7 représente la section plane du bloc de la figure 6 par un plan parallèle à l'axe focal. La figure 8 représente la section plane de ce bloc par un plan perpendiculaire à l'axe; 21 désigne le triplet vibrant, 20 le cône réflecteur, 18 l'embase plane de fixation, 22 le paraboloïde percé en canal 17 autour de son axe focal.En résumé, la base de l'invention est un nouveau Triplet ultra-sonore constitué d'un condensateur cylindrique à diélectrique solide, formant un bloc monolithique, inséré entre 2 blocs solides sans intercalation d'air, le tout constituant un bloc solide vibrant en résonance en mode radial, en émettant des ondes ultra-sonoresen propagation radiale isotropique. Associé à un cône réflecteur, il engendre des ondes ultra-sonores à faisceau parallèle pour un angle au sommet de 450, ou un faisceau divergent pour un angle supérieur à 450, ou un faisceau convergent à focalisation ponctuelle pour un Engle au sommet inférieur à 45e u Associé à un cône réflecteur et à un réflecteur parabolique, il engen- dre des ondes ultra-sonores à focalisation axiale, permettant une intensité acoustique maximale dans une veine d'écoulement.Les applications principales sont: cuves d'ultra-sons et Sonar sous-marin; lithotripteur;traitements de liquides en défilé et tout particulièrement st érilisation du Lait à froid. RERrEN7DICATION'S I Procédé et appareil d'émission d'ultra-sons basé sur l'attraction électrostatique entre les deux armatures d'un condensateur cylindrique, caractérisé en ce que le condensateur, à armatures métalliques épaisses et à diélectrique solide ( élément actif) est encastré entre deux blocs cylindriques solides co-axiaux ( éléments passifs), cet ensemble formant un bloc cylindrique final, appelé Triplet, dont le diamètredétermine la fréquence propre de vibration en mode radial (Figure I). 2. Procédé et appareil selon la revendication I, à titre de variante simplifiée et de cas particulier limite, caractérisé en ce qu'on supprime la tige centrale du triplet, réduit à 2 cylindres co-axiaux, en version Doublet; 3. Procédé et appareil d'émission d'ultra-sons selon revendications I et 2, caractérisé en ce que le diélectrique solide est une couche d'Alumine form ée directement sur l'armature d'Aluminium ( de préférence sur ses 2 faces) par traitement chimique tel que 11 oxydation anodique (Figure I ). 4,Procédé et appareil selon revendications I et 2, caractérisé en ce que le diélectrique solide est un dépôt de verre, de céramique ou de Teflon 5. Procédé et appareil selon revendications I et 2, caractérisé en ce que le bloc cylindrique vibrant est associé à un réflecteur conique donnant un faisceau parallèle pour un angle au sommet de 450, s un faisceau divergent pour un angle supérieur à 45 , et un faisceau convergent pour un angle inférieur à 450 avec focalisation ponctuelle. ( Figure 3). 6. Procédé et appareil selon revendications I-2-5, caractérisé en ce que le focalisateur à réflecteur conique, associé à une deuxième cône opposé, est réglé par le calaee de l'angle au sommet pour avoir son foyer ponctuel en colEcidence avec l'objet à irradier. ( Figures 4 et 5 ), 7.Procédé et appareil selon revendications 1-2-5, caractérisé en ce que le focalisateur à réflecteur conique est associé à un réflecteur parabolique donnant une focalisation axiale C Figures 6-78).