Brevet FR2679153A1 — publié le 19930122

Procédé et dispositif pour casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée La présente invention concerne les procédés et dispositifs permettant de casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée utilisés dans de nombreux domaines techniques. En effet, aussi bien dans l'industrie que dans le domaine médical, il est parfois nécessaire de casser au moins partiellement un matériau, de façon à pouvoir obtenir ultérieurement sa destruction. On peut citer, par exemple, le cas de la rouille formée entre deux pièces vissées l'une dans l'autre et que l'on voudrait désolidariser, ou bien celui de matériaux rencontrés au cours de la réalisation de puits ou tunnels, dans des endroits difficiles d'accès pour un être humain, ou encore celui de calculs biliaires ou rénaux, etc. I1 existe déjà de tels dispositifs. Sans entrer dans les détails, ils comprennent une source d'ondes électromagnétiques dont la fréquence peut être ajustée en fonction de la fréquence de résonance du matériau à casser, et un transducteur pour transformer les ondes électromagnétiques engendrées par la source en ondes mécaniques, auquel peut entre associé un guide d'onde pour transmettre et guider ces ondes mécaniques vers un endroit donné du matériau. Ces dispositifs donnent de bons résultats, notamment pour la destruction de petites quantités de matière, par exemple de calculs biliaires ou rénaux de faibles dimensions. Ils sont par contre peu performants, par exemple, lorsque la masse de matériau à casser est relativement importante, ou bien lorsque ce matériau est noyé dans la masse d'un autre matériau. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé permettant de casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée, même dans des conditions très difficiles, élargissant ainsi, par rapport à celle des procédés connus, la gamme des domaines de son utilisation. La présente invention a aussi pour but de réaliser un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé pour casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée et ayant une fréquence de résonance propre, consistant à appliquer un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation sur ledit matériau, caractérisé par le fait qu'il consiste en outre à faire varier la valeur de la fréquence desdites ondes mécaniques d'excitation entre deux limites. Selon une autre caractéristique de l'invention, la limite inférieure dudit intervalle peut être la fréquence nulle, un mode particulier étant celui où des trains d'ondes à la fréquence de résonance du matériau sont appliqués à celui-ci, séparés par des intervalles sans excitation, ce qui correspond à un passage brusque de la fréquence nulle à la fréquence de résonance. La présente invention a également pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus pour casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée, caractérisé par le fait qu'il comporte un générateur commandable apte à délivrer à sa sortie un premier signal de fréquence, un transducteur apte à délivrer à sa sortie un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée, des moyens pour relier la sortie dudit générateur à l'entrée dudit transducteur, des moyens pour délivrer un premier signal de commande, et des moyens pour appliquer ledit premier signal de commande à l'entrée de commande dudit générateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaStront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels La figure 1 représente le schéma bloc fonctionnel d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention permettant de casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée, et Les figures 2 et 3 représentent, vu en perspective, respectivement en éclaté et assemblé, un détail de réalisation du dispositif selon la figure 1. Le procédé selon l'invention permet de casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée, par exemple des pierres. Il consiste à appliquer sur le matériau à casser un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation dont la fréquence peut être ajustée en fonction de la nature même de ce matériau. En effet, lorsque cette fréquence d'excitation est égale à la fréquence dite de résonance propre au matériau à casser, la masse de celui-ci se met à vibrer et à entrer en résonance, jusqu'à la cassure. Pour diminuer le temps d'excitation du matériau nécessaire pour aboutir à la cassure voulue, ou pour obtenir cette cassure même lorsque la nature du matériau ou son emplacement, par exemple dans le cas où il est noyé dans une masse qui doit rester intacte, rend plus difficile l'intervention, le procédé consiste en outre à faire varier la valeur de la fréquence des ondes mécaniques d'excitation entre deux limites formant un intervalle contenant, ou non, la valeur de la fréquence de résonance du matériau, la limite inférieure de cet intervalle pouvant être la fréquence nulle. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, ces deux limites encadrent la fréquence de résonance et la variation de la valeur de la fréquence d'excitation est continue. Dans un autre mode, la valeur de la fréquence d'excitation peut varier de façon discontinue, par plages ou par valeurs déterminées. Un exemple particulier est la variation brusque de la valeur de la fréquence d'excitation, de la valeur nulle à la valeur de résonance du matériau, ce qui donne des trains d'ondes à la fréquence de résonance séparés par des intervalles sans excitation. Les figures 1 à 3 représentent un mode de réalisation d'un dispositif qui permet de mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. Comme illustré schématiquement sur la figure 1, le dispositif comporte un générateur commandable l apte à délivrer à sa sortie 2 un premier signal de fréquence, un transducteur 3 apte à délivrer à sa sortie 4, dans un premier étage, un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée de commande 5, et des moyens 6 pour relier la sortie 2 du générateur l à l'entrée de commande 5 du transducteur 3. Avantageusement, le transducteur peut aussi comporter un second étage permettant de transformer l'amplitude des ondes mécaniques appliquées au matériau et de bien adapter l'ensemble émetteur d'ondes mécaniques à la charge constituée par le matériau. Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens 6 comportent un amplificateur de puissance 7 dont l'entrée 8 est reliée à la sortie 2 du générateur 1 et un adaptateur d'impédance 9 dont l'entrée 10 est reliée à la sortie 11 de l'amplificateur de puissance 7 et dont la sortie 12 est reliée à l'entrée 5 du transducteur 3. Le dispositif comporte en outre des moyens 13 pour délivrer un signal de commande et des moyens 14 pour appliquer ce signal de commande à l'entrée de commande du générateur 1. Avantageusement les moyens 13 pour délivrer un signal de commande comportent un organe de calcul 15 et un organe de programmation 16 dont la sortie 17 est reliée à une première entrée 18 de l'organe de calcul 15. Dans ce cas, les moyens 14 pour appliquer ce signal de commande à l'entrée de commande 19 du générateur 1 sont constitués par un circuit de pilotage 20 dont l'entrée 21 est reliée à une première sortie 22 de l'organe de calcul 15 et dont la sortie 23 est reliée à l'entrée de commande 19 du générateur 1. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante Quand on veut casser un matériau donné 100 ayant une fréquence de résonance donnée, l'organe de programmation est utilisé pour programmer l'organe de calcul 15 pour que celui-ci délivre en 22 un signal de commande transmis au générateur 1 par le circuit de pilotage 20 de façon que le générateur délivre à sa sortie 2 un signal électrique dont la fréquence varie de façon continue ou discontinue entre deux limites définissant un intervalle contenant la fréquence de résonance du matériau à casser 100, de préférence en encadrant cette fréquence de résonance, et dont la limite inférieure peut être la fréquence nulle. Le signal de fréquence délivré par le générateur est amplifié dans l'amplificateur 7 qui délivre à son tour un signal qui est alors adapté pour etre appliqué à l'entrée du transducteur 3 qui délivre à sa sortie un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation 50 dont la fréquence varie autour de la fréquence de résonance du matériau 100. La matière du matériau située aux alentours de l'impact du faisceau d'excitation se met alors à vibrer, jusqu'à se casser, comme avec les dispositifs de l'art antérieur, mais l'effet obtenu est plus rapide et plus intense. Cependant, le dispositif décrit ci-dessus peut comporter un perfectionnement structurel qui permet d'optimiser la valeur de la puissance délivrée, en adaptant de façon continue cette puissance à la charge à casser, ctest-à-dire la nature et la structure du matériau. Ce perfectionnement consiste à utiliser un amplificateur de puissance 7 comportant, outre son entrée 8 reliée à la sortie 2 du générateur, une entrée de commande 30. Dans ce cas, outre les éléments structurels définis ci-avant, le dispositif comporte des moyens 31 de mesure des puissances active et réactive obtenues à l'entrée 5 du transducteur 3 aptes à délivrer, sur une seconde entrée 32 de l'organe de calcul 15, un signal représentatif des valeurs des puissances active et réactive mesurées, et des moyens 33 pour commander l'amplificateur 7 à partir d'un signal d'ordre délivré sur une deuxième sortie 34 de l'organe de calcul 15. Ainsi, quand le dispositif comporte des moyens 31, 33 comme décrits ci-dessus, la puissance du signal appliqué à l'entrée 5 du transducteur est asservie à la puissance de sortie du même transducteur, elle-même fonction de la nature et de la structure du matériau à casser. La puissance délivrée par le dispositif se trouve ainsi optimisée. Les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation du transducteur 3 du type à deux étages, avantageux par le fait que sa structure lui conifère, notamment, un excellent rendement. Le transducteur 3 comporte ainsi avantageusement deux pastilles en céramique 41, 42 associées à des moyens 43 pour les maintenir comprimées l'une contre l'autre. Dans le mode illustré, ces moyens 43 comprennent deux cylindres 44, 45 prenant en sandwich les deux pastilles et des moyens 50 pour appliquer ces deux cylindres sur les faces extrêmes 46, 47, respectivement des deux pastilles 41, 42, et donc maintenir au contact les deux faces en regard 48, 49 de ces mêmes pastilles, de façon à constituer un empilement d'au moins quatre éléments 44, 41, 42 et 45. Sous une forme avantageuse, les moyens 50 pour maintenir les deux cylindres 44, 45 comportent par exemple un orifice 51 traversant de part en part le premier cylindre 44 et les deux pastilles 41, 42, et un orifice borgne 52 réalisé dans le second cylindre 45, cet orifice 52 étant taraudé et d'un diamètre légèrement inférieur à celui de l'orifice 51. Les moyens 50 comportent alors en outre un boulon 53 dont la tige 54 traverse l'orifice 51 pour venir se visser dans l'orifice borgne 52. La longueur de la tige 54 est déterminée pour que la tête 55 du boulon 53 vienne au contact de la face 56 du premier cylindre 44 lorsque cette tige maintient les différents éléments 44, 41, 42 et 45 comprimés les uns contre les autres sous une pression prédéterminée obtenue par son vissage dans l'orifice borgne 52.La pression prédéterminée exercée sur l'empilement des quatre éléments est obtenue par vissage du boulon 53, par exemple au moyen d'une clé dynamométrique. Bien entendu les deux pastilles sont reliées électriquement à la sortie de l'adaptateur 9 au moyen d'électrodes 57, 58 et 59, par exemple constituées par des rondelles en bronze-béryllium respectivement interposées entre le premier cylindre 44 et la pastille 41, entre les deux pastilles 41 et 42, et entre la pastille 42 et le second cylindre 45. Les deux rondelles extrêmes 57, 59 sont reliées entre elles électriquement pour constituer une seule électrode de polarité opposée à celle de l'électrode centrale constituée par la rondelle 58. Les ondes mécaniques produites par l'empilement d'éléments décrit ci-dessus appartiennent généralement au domaine des ultrasons et le principe de leur émission est bien connu. I1 ne sera donc pas décrit ici. Les deux cylindres 44 et 45 sont respectivement réalisés, par exemple, en acier et en duralumin, le cylindre 45 en duralumin constituant la sortie 4 du transducteur 3. Dans certains cas, il peut être avantageux d'ajouter au premier étage du transducteur décrit ci-dessus un adaptateur mécanique 60 constituant un second étage de ce transducteur. Dans le mode de réalisation illustré, l'adaptateur 60 est constitué par l'extrémité 61 du second cylindre 45 partagée longitudinalement en deux demi coquilles 62, 63 pouvant être solidarisées au moyen de vis 65, et aptes à emprisonner, soit un corps à faire vibrer pour le casser, soit une extrémité d'un outil oblong 64 qui, par ses vibrations, pourra casser le matériau destiné à être détruit. Il a été décrit ci-dessus un transducteur produisant des ondes mécaniques par effet piézo-électrique. Il peut, dans certains cas, être avantageux d'utiliser un transducteur produisant des ondes par effet magnétostrictif. Pour ce faire, l'ensemble des pastilles en céramique est remplacé par un noyau feuilleté en nickel auquel est associée, en l'entourant, une bobine parcourue par un courant intense. REVENDICATIONS 1. Procédé pour casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée et ayant une fréquence de résonance propre, consistant à appliquer un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation sur ledit matériau, caractérisé par le fait qu'il consiste en outre à faire varier la valeur de la fréquence desdites ondes mécaniques d'excitation entre deux limites. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux limites encadrent la valeur de ladite fréquence de résonance dudit matériau. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la variation de la valeur de ladite fréquence d'excitation est continue entre les deux dites limites. 4. Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 3 pour casser au moins partiellement un matériau d'une nature donnée, caractérisé par le fait qu'il comporte un générateur commandable (1) apte à délivrer à sa sortie (2) un premier signal de fréquence, un transducteur (3) apte à délivrer à sa sortie (4) un faisceau d'ondes mécaniques d'excitation (50) à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée (5), des moyens (6) pour relier la sortie (2) dudit générateur à l'entrée dudit transducteur, des moyens (13) pour délivrer un signal de commande, et des moyens (14) pour appliquer ledit signal de commande à l'entrée de commande (19) dudit générateur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens (6) pour relier la sortie (2) dudit générateur (1) à l'entrée de commande (5) dudit transducteur (3) comportent un amplificateur de puissance (7) dont l'entrée (8) est reliée à la sortie dudit générateur et un adaptateur d'impédance (9) dont l'entrée (10) est reliée à la sortie (11) dudit amplificateur de puissance et dont la sortie (12) est reliée à l'entrée (5) dudit transducteur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens (13) pour délivrer un signal de commande comportent un organe de calcul (15) et un organe de programmation (16) dont la sortie (17) est reliée à une première entrée (18) dudit organe de calcul, lesdits moyens (14) pour appliquer ledit signal de commande à l'entrée de commande (19) dudit générateur étant constitués par un circuit de pilotage (20) dont l'entrée (21) est reliée à une première sortie (22) dudit organe de calcul et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande dudit générateur. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que ledit amplificateur de puissance (7) est apte à être commandé à partir d'une entrée de commande (30), ledit dispositif comportant en outre des moyens (31) de mesure des puissances active et réactive obtenues à l'entrée (5) dudit transducteur (3) aptes à délivrer un signal représentatif des valeurs desdites puissances active et réactive sur une deuxième entrée (32) de l'organe de calcul (15), et des moyens (33) pour commander ledit amplificateur (7) à partir d'un signal d'ordre délivré sur une deuxième sortie (34) dudit organe de calcul. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que ledit transducteur (3) comporte deux pastilles en céramique (41,42) et des moyens (43) pour comprimer lesdites pastilles l'une contre l'autre. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que lesdits moyens (43) pour comprimer les deux dites pastilles l'une contre l'autre comportent deux cylindres (44,45) prenant en sandwich les deux dites pastilles et des moyens (50) pour maintenir les deux dits cylindres au contact des deux dites pastilles. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que ledit transducteur (3) comporte un noyau et une bobine associée audit noyau en l'entourant, ladite bobine étant apte à être parcourue par un courant intense.