Brevet FR2631131A1 — publié le 19891110

D18positif â ondes de surface comprenant des moyens de focalisation de ces ondes La présente invention se rapporte aux dispositifs å ondes de surface, notamment à ondes aco##stiques, qui comportent sur un substrat généralement piézoelectrique un ensemble de transducteurs qui permettent d'émettre ces ondes à la surface de ce substrat, et des moyens qui permettent de focaliser ces ondes au moins en un point donné. Un tel dispositif se comporte d'une manière analogue à une lentille optique -et permet par exemple de faire de l'imagerie haute fréquence. Il est connu du brevet français 2 405 485, déposé le 7 octobre 1977 au nom de la Demanderesse, de réaliser un dispositif d'imagerie acoustique dans lequel une antenne acoustique multi-éléments formant une sonde, par exemple médicale, reçoit les signaux acoustiques provenant des differents points d'un objet dont on désire obtenir l'image d'1lne coupe. Les.signaux de chacun des transducteurs de cette sonde sont appliqués, après un changement de fréquence qui permet d'en inverser la phase, aux transducteurs d'entrée d'un dispositif à ondes de surface. Ces transducteurs sont; dans le cas général, alignés et, en raison de ce changement de phase, les ondes émises par chacun de ces transducteurs convergent poii T' se focaliser en un ensemble de points qui reproduisent à la surface du substrat l'image souhaitée de l'objet, avec une homothétie qui dépend de la différence de vitesse des ondes acoustiques entre l'objet et la sonde d'une part et à la surface du substrat d'autre part, et de la valeur du changement de fréquence. Des moyens appropriés permettent de traduire -cette image acoustique située sur la surface du substrat en une image optique, affichée par exemple sur un tube à rayons cathodiques. La focalisation des ondes résulte donc des différences de phase entre ces ondes lorsqu'elles sont émises à la surface du substrat par les transducteurs. I,es ondes interfèrent entre elles en différents points de leurs trajets et elles se trouvent en phase au point de focalsation, ce qui leur permet d'exciter un transducteur de réception placé à cet endroit, alors qu'en tout autre point les écarts de phase provoquent la disparition de la somme des ondes. Cependant, pour obtenir une îocalisatlon effective il faut que les ondes -soient présentes All point de focallsatlon en même temps. Compte-tenu des retards dûs aux trajets des ondes et de la durée limitée de l'impulsion qui leur a donné naissance, cette condition n'est realisce que pour les ondes provenant d'un petit nombre de transdlleteurs. Le signal résultant de la focalisation de ce petit nombre d'ondes est donc plus faible que celui qui résulterait de la focalisation de toutes les ondes. Pour limiter cet inconvénient, l'art antérieur enseigne de disposer les transducteurs d'émission sur une courbe qui permet de limiter les retards des ondes entre elles et donc d'obtenir qu'un plus grand nombre de celles-cl interfèrent. Toutefois l'effet de focalisation proprement dit est dans ce cas toujours dû à la différence de phAse entre les ondes, et la courbure de la rangée de transducteurs est étudiée pour que la diminution du retard introduit par le trajet soit un multiple de 2~, ce qui garde les relations de phase nécessaires pour la focalisation. Il faut donc toujours inverser le signe de la phase dans la liaison entre les transdlleteurs récepteurs et les transducteurs émetteurs pour obtenir un effet de focalisation qui donne l'équivalent d'une lentille convergente délivrant une image réelle.Si l'on ne procédait pas à cette inversion du signe de la phase, on obtiendrait Itequivalent d'une lentille divergente, donnant donc une image virtuelle inexploitable par la suite. Ce changement de phase nécessite des moyens électroni- ques relativement importants qui de surcroît entraînent des distorsions de natures diverses, par- exemple l'apparition d'harmoniques que l'on ne peut pas éliminer complètement même par un filtrage soigné Ces divers effets parasites entraînent une certaine dégradation de l'image. Pour simplifier le système et éliminer ces inconvénients, l'invention propose de répartir les transducteurs émetteurs à la surface du substrat de propagation pour que la focalisation des ondes soit obtenue à partir du temps de trajet de celles-ci vers le point de focalisation. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faîte en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, un dispositif selon l'invention fonctionnant en champ proche - la figure 2, le schéma d'un transducteur émetteur à champ large - la figure 3, un dispositif selon l'invention fonctionnant en champ lointain. Le dispositif représenté sur la figure 1 est symétrique par rapport à un axe XX'. Il comprend une antenne acoustique 10 formée d'un ensemble de N trnnsducteurs alignés. Cette antenne est par exemple une antenne de réception de sonar plongée dans le milieu marin pour recevoir les signaux acoustiques provenant d'un ensemble de cibles telles que A1 à AM. Les signaux provenant de l'une de ces sources, Al par exemple, arrivent sur les transducteurs de l'antenne 10 avec des retards différents correspondant R des temps de propagation T1 s à Tu, j En réponse à ces signaux acoustiques ces transducteurs délivrent des signaux électriques qui sont envoyés au dispositif de traitement par des moyens appropriés. Dells le cas de cet exemple on utilise un ensemble de connexions parallèles 11, chaque connexion correspondant à un transducteur. Selon l'invention le dlsposltif de traitement comporte un dispositif à ondes acoustiques de surface implanté sur un substrat piézoélectrique 12. Sur la figure l'antenne 10 et le substrat 12 sont placés sur le même axe de symétrie XX' pour les besoins de l'expllca- tion, mais il est bien clair que dans les réalisations pratiques l'antenne peut être dissociée du substrat et déportée en un endroit quelconque, tout en restant reliée au substrat par l'ensemble des connexions 11. Ces connexions aboutissent sur le substrat à un ensemble de transducteurs à ondes de surface 13 réalisés selon les techniques connues. Ces transducteurs sonl disposés sur un contour C1 qui est choisie de telle maniere qu'en un point Bj du substrat les temps de propagation T 1,j à TN,j à des ondes de surface entre les transducteurs et ce point Bj répondent à la condition : Ce contour C1 et la disposition des transducteurs sur le contour sont par exemple définis pour que, les signaux acoustiques étant formés d'impulsions brèves, les fronts avants et les fronts arrières de toutes ces implllslons coïncident au point B, ces signaux étant en outre en phase en ce même point.En prenant une analogie optique ceci revient à annuler les aberrations entre un point objet A j du chAmp objet et un point image B j du champ image. Le mode de réalisation le plus simple, correspondant à l'exemple représenté sur la figure, consiste à annuler parfaite- ment les aberrations entre le point objet A1 situé sur l'axe XX' sensiblement au centre de la zone d observer dans le champ objet, et le point image B1 situé lui-même sur l'axe XX'. On choisit alors un point S correspondent A l'lnter- section du contour C1 et de l'axe XX'. Ce point sera situé de manière relativement arbitraire, mais de préférence à proximité du bord du substrat le plus éloigné du point B1 sur cet axe XX'.On peut alors définir un retard Tf qui sera égal à la somme du retard entre A1 et l'antenne il le long de l'axe XX', et du retard entre ce point S et Bl le long de l'axe XXt. Pour annuler les aberrations, il faut alors que les retards Ti,1 et les retards T 1,1 répondent à la formule Pour chaque transducteur-13 ceci détermine sa distance par rapport au point B1 et donc un lieu, où il doit se trouver sur la surface du substrat. En se donnant alors comme paramètre le pas des transducteurs le long du contour C1, on définit entièrement la position des différents transducteurs 13. Il est clair que dans ces conditions pour les autres points tels A M et BM, la correction des aberrations n'est pas absolument rigoureuse. Toutefois, toujours en prenant l'analogie avec l'optique, il. existe une zone dans le champ objet autour de A1, et une autre dans le champ image autour de B1 pour lesquelles les aberrations restent faibles et la qualité de la focalisation reste acceptable. Une matrice de transducteurs a ondes de surface est implantée aux différents points s champ image et reliée électriquement à des circuits de traitement extérieurs. L'invention n'est pas limitée a ce mode de représentation, ni plus particulièrement à la méthode de conception décrite plus haut. il est en particulier possible de jouer sur plusieurs degrés de liberté afin d'élargir les champs objet et image ou d'améliorer la qualité de la rocalisation dans un champ donné. C'est ainsi que, toujours par analogique avec l'optique, on peut sacrifier la correction parfaite pour les points homologues A1 et B1 afin de diminuer les aberrations là où elles sont les plus importantes, c'est-à-dire généralement en bordure du champ. Ceci permet en particulier d'augmenter la taille du champ utile au prix d'une légère dégradation de qualité au centre de ce champ. On obtient ce résultat en modifiant légèrement la position des transducteurs émetteurs 1.3. On peut aussi jouer sur le pas des transducteurs en le faisant varier. Enfin on remarquera qu'il n'est pas nécessaire que l'antenne réceptrice 11 soit linéaire mais qu'elle peut être incurvée, soit pour des besoins particuliers à la réalisation de cette antenne, soit pour modifier les retards entre les points objets et celle-ci afin de donner plus de souplesse dans l'lm- plantation des transducteurs 13. En effet l'implantation des transducteurs 13 doit être telle que les ondes de surface qu'il émet atteignent la totalité du champ image. Comme un transdlleteur réalisé selon une technique donnée émet les ondes acoustiques selon un angle plus ou moins grand selon cette technique, on conçoit que l'implantation des transducteurs n'est pas totalement libre à la surface du substrat 12. Pour augmenter cet angle d'émission, et donc limiter les contraintes sur l'implantation des transducteurs 13, il est avantageux de réaliser ceux-ci selon la technologie représentée en figure 2. Dans cette technologie les électrodes d'un transducteur 13 sont courbées sensiblement en arc de cercle avec un centre commun F. Un tel transducteur émet alors des ondes de surface selon un angle dont le sommet est F et les côtés les droites joignant F aux extrémités des électrodes. Un mode particulier de réalisation de l'invention, représenté en figure 3, correspond au cas où le champ objet se trouve suffisamment loin pour que le front d'onde provenant de chacun des points de ce champ objet soit plan, c'est-A-dire que les temps de trajet T1 j A T TN soient égaux et que les rayons N,j provenant de ces points aux dlfferents transducteurs de l'antenne soient parallèles et incliné s d'un angle a sur l'axe XX'. Dans ces conditions les trAnsducteurs de réception des ondes de surface sur le substrat 12 sont situés sur un contour C2. La vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le milieu où est plongé l'antenne 10 étant notée C, et la longueur d'onde de celle-ci X, à chaque direction incidente a corres pond une fréquence spatiale fs égale à c/# sin &alpha; , ce qui montre que le dispositif se comporte comme un transformateur de Fourier pour ces fréquences spatiales fs. On remarque que ce dispositif est analogue aux disposi- tifs dans lesquels on utilise des ondes électromagnétiques guidées entre deux plaques. Ceci permet de lui appliquer les mêmes règles de conception que celles relatives à ces guides électroma gnéflques, qui sont également connus sous le nom de lentilles électromagnétiques. Ces règles sont exposées en particulier dans un article de M. S. SMITH paru dans Radio and Electronic Englneer vol. 52, n04 avril 82. Ces règles tendent toutes å un mlnl- miser les aberrations et on constate alors que le contour C1 n'est pas nécessairement un arc de circonférence, ni C2 rectlligne. Toutefois dans le cadre de l'invention on peut utiliser d'autres critères que ceux consistant à minimiser les aberrations. Selon un exemple simple, on utilise comme critère l'égali- sation des différents retards associés à chacune des fréquences spatiales. Dans ce cas les contours C1 et C2 sont deux arcs de cercle de même rayon, réciproquement centrés sur leurs Intersections avec l'axe de symétrie XX'. On remarque que cette configuration est tout å fait analogue à un transformateur de Fourier optique. REVENDICATIONS 1. Dispositif à ondes de surface comprenant un substrat (12) supportant un premier ensemble de N transducteurs (13) situés sur un premier contour (1), destinés å recevoir M premiers ensembles de N signaux électriques, les signaux d'un ensemble j (1#j#M) étant identique mais reçus avec des retards Ti,j(1#i#N et j = Cte), pour émettre sur le substrat un ensemble d'ondes de surface, et un deuxième ensemble de transducteurs (B1-BM) destinés A recevoir ces ondes de surface avec des retardsti 3 pour fournir un deuxième ensemble de M signaux électriques, chacun des signaux de ce deuxième ensemble représentant une fonction des N signaux électriques de l'un des M premiers ensembles, caractérisé en ce que la forme dudit contour et l'emplacement par rapport à ce contour de chacun des transducteurs Bk(1# k# M) du deuxième ensemble de transducteurs permettent d'obtenir des valeurs constantes pour les sommes Ti,k + #i,k.(1#i#N et k= Cte). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ensemble de transducteurs (B1-BM) couvre une zone telle que pour tous les transducteurs Tl 9 + T i; est sensiblement constante. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque Indice 3 les retards Tri j sont constants et que les transducteurs du deuxième ensemble (B1-BM) sont disposés sur un contour tel que pour chacun de ces transducteurs les retards T i j sont sensiblement constants. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier et le deuxième contours (C1, C2) sont deux arcs de cercle de même rayon respectivement centrés sur leurs intersections avec leur axe de symétrie commun, les retards #i ,j étant alors tous égaux. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les M premiers ensembles correspondent à des points objets (A1-AM) et que les M transducteurs correspondent à des polnts-images (B1-BM). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une antenne à ondes de volume (10) comportant N transducteurs reliés respectivement aux N transducteurs (13) du premier ensemble de transducteurs, et que les signaux transmis entre ces transducteurs conservent leurs phases et sont soumis à un retard constant