Brevet FR2767014A1 — publié le 19990205

L'invention concerne un transducteur électroacoustique comprenant un support en forme de calotte sphérique, sur le côté intérieur duquel sont placés des éléments piézo-électriques. Des transducteurs électroacoustiques de ce type sont constitués d'un support en forme de calotte sphérique couvert sur son côté intérieur, d'éléments piézo-électriques, qui sont connectés électriquement chacun respectivement sur un côté dirigé vers le support et un côté opposé à celui-ci, et qui sont reliés à un générateur d'impulsions haute tension. Lors de l'application d'une tension, on produit en raison de l'effet piézo- électrique, une onde sonore sous la forme d'une onde de pression, qui en raison de la disposition en forme de calotte sphérique des éléments piézo- électriques, est focalisée en un point ou une zone dépendant du rayon de courbure du support. On équipe, à l'aide de tels transducteurs électroacoustiques, des appareils de traitement médical, par exemple des lithotripteurs, dont les domaines d'application sont très divers (allant de la destruction de calculs jusqu'au traitement des tissus mous et de la douleur). Un avantage de ces transducteurs électroacoustiques à support en forme de calotte sphérique sur lequel sont disposés des éléments piézo- électriques, réside dans la densité d'énergie élevée dans la zone du foyer, ne pouvant pratiquement pas être atteinte par d'autres systèmes, ce qui permet une application ciblée et dans une large mesure non douloureuse des ondes de choc. La puissance acoustique diffusée globalement ne peut toutefois pas être augmentée davantage au-delà de limites déterminées, en raison de la surface rayonnante limitée disponible. En effet, un agrandissement de la surface rayonnante ne peut toutefois être obtenue que par un agrandissement du rayon de la calotte sphérique ou par un agrandissement de l'angle d'ouverture (ouverture). La première solution ne peut être envisagée dans la pratique, parce que cela conduirait à une augmentation de la hauteur d'encombrement de la source sonore telle, qu'elle empêcherait une utilisation dans le domaine des appareillages de table. Un agrandissement de l'angle d'ouverture est également exclu, parce que la profondeur de pénétration des ondes de choc dans le patient lui-même serait alors trop faible, et d'éventuels gains de puissance s'en trouveraient compensés. 2 2767014 D'autre part, la tendance est plutôt à la diminution de l'encombrement de construction des transducteurs, en vue de réduire la taille des appareils de thérapie et ainsi également couvrir de nouveaux domaines d'application, par exemple le traitement des calculs salivaires ou le traitement de la douleur. La puissance acoustique des transducteurs peut certes être augmentée par une précontrainte électrique des éléments piézo- électriques, mais cette augmentation de la puissance est obtenue au détriment de la durée de vie de la calotte sphérique du transducteur. D'après le document DE 31 19 295, il est connu de disposer plusieurs transducteurs électroacoustiques les uns à la suite des autres et de les exciter de manière retardée les uns par rapport aux autres de façon à ce que leurs ondes de pression s'additionnent. Il s'est toutefois avéré qu'un tel agencement n'est pas adapté dans le cas de l'utilisation de calottes sphériques de transducteurs piézo-électriques, parce que la zone du foyer s'évase fortement dans la direction de la profondeur de traitement, ce qui n'est pas souhaitable. En outre, il s'est avéré qu'il se produisait des pertes énormes par amortissement, que subissent les ondes sonores lorsqu'elles doivent traverser un transducteur primaire en amont. En définitive, ces pertes internes par frottement se font également au détriment de la durée de vie, notamment de la calotte sphérique de transducteur avant, dirigée vers la région de traitement. A partir de cet état de la technique, le but de la présente invention consiste à conférer à un transducteur électroacoustique d'un mode de construction du type de celui mentionné en introduction, une configuration telle, que la puissance acoustique efficace rayonnée vers la région de thérapie soit augmentée, sans pour autant augmenter sensiblement l'encombrement de construction et sans raccourcir la durée de vie. Conformément à l'invention, ce but est atteint pour un transducteur électroacoustique du type de celui mentionné en introduction, grâce au fait que le côté extérieur du support est également pourvu d'éléments piézo-électriques. De manière surprenante, il s'est avéré qu'il était possible d'obtenir une augmentation de puissance par des mesures de construction relativement simples, lorsque l'on dote un support en forme de calotte sphérique, d'éléments piézo-électriques sur son côté intérieur et sur son côté 3 2767014 extérieur. Dans ce cas n'apparaît pratiquement pas l'effet d'amortissement observé pour plusieurs transducteurs électroacoustiques disposés les uns à la suite des autres, parce qu'aussi bien les éléments piézo-électriques situés sur le côté extérieur que ceux situés sur le côté intérieur se trouvent sur le même support, en évitant ainsi pratiquement l'apparition de pertes de couplage acoustique par des couches intermédiaires. En outre, l'encombrement de construction peut être maintenu relativement petit grâce à cette disposition compacte des éléments sur le côté avant et le côté arrière du support. Le support est de préférence réalisé en métal, par exemple sous la forme d'une calotte sphérique en aluminium ou en laiton, de sorte qu'il assure non seulement la fonction de support pour les éléments piézo- électriques, mais peut assurer simultanément une fonction électrique pour ceux-ci. A cet effet, les éléments piézo-électriques sont reliés de manière conductrice au support, par exemple par collage à l'aide d'une colle époxy conductrice, renfermant par exemple de l'argent. Lorsque les éléments piézo-électriques présentent, ce qui est avantageux, une forme sensiblement cylindrique, ils peuvent être fixés, par une face frontale, sur le support, et un grand nombre d'éléments peuvent être disposés côte à côte. De manière surprenante, il s'est avéré avantageux, aussi bien pour des raisons de technique de fabrication que pour des raisons de puissance, de disposer sur le support, les éléments piézo-électriques du côté extérieur et du côté intérieur, non pas par paires et à axes confondus, mais au contraire de manière sensiblement non ordonnée, de façon à pouvoir ainsi loger un plus grand nombre d'éléments piézo-électriques et obtenir ainsi une puissance acoustique plus élevée. La disposition des éléments piézo-électriques s'effectue donc de préférence exclusivement selon le point de vue de la densité d'agencement la plus élevée. Lorsque le support métallique est relié à un pôle des éléments piézoélectriques, celui-ci sera réalisé en tant que pôle négatif, et le support sera connecté à la masse. Dans ce cas, la calotte sphérique de support peut alors servir simultanément à la fixation mécanique à l'intérieur de l'appareil, grâce à des brides latérales ou d'autres collerettes, et la sécurité électrique à l'encontre de l'application d'impulsions électriques haute 4 2767014 tension sur l'appareil peut ainsi être assurée de manière simple et fiable par la mise à la terre de celui-ci. En vue d'isoler électriquement les éléments piézo-électriques latéralement les uns par rapport aux autres, il s'avère avantageux de les disposer en les espaçant latéralement les uns des autres. Une liaison intime de ces éléments est obtenue par le fait que ces espaces intermédiaires sont remplis par une masse de scellement isolante, résistant aux hautes tensions, de sorte que l'on forme une couche quasiment homogène sur le plan acoustique. En vue d'optimiser davantage encore la puissance acoustique du transducteur, sur le côté arrière du transducteur, c'est à dire sur le côté des éléments piézo-électriques, éloigné du support, il est possible de prévoir un élément arrière en tant que corps de réflexion. Un tel corps de réflexion peut être réalisé sous la forme d'un corps métallique qui atteint un degré de réflexion élevé, ou bien il peut être réalisé en une matière plastique ou en un matériau composite appropriés. En vue de garantir un bon couplage acoustique du corps de réflexion aux éléments piézo-électriques, le corps de réflexion est de préférence raccordé aux éléments piézo-électriques situés du côté extérieur, par une masse de scellement. Il est également possible d'envisager de prévoir à la place d'un corps de réflexion distinct, d'utiliser la masse de scellement elle-même en tant que tel, celle-ci recouvrant les éléments piézo-électriques situés du côté extérieur; et à cet effet il est possible d'ajouter, par exemple des copeaux de métal, à la masse de scellement, ou d'utiliser une résine époxy renfermant du métal. La connexion électrique des éléments piézo-électriques s'effectue avantageusement en deux groupes, de façon telle que les éléments piézo-électriques situés sur le côté extérieur et les éléments piézo- électriques situés sur le côté intérieur puissent être excités électriquement de manière séparée. En effet, il est alors possible, grâce à un déclenchement des impulsions selon une loi de temps définie, soit de compenser des différences de durée de propagation des ondes acoustiques du groupe extérieur et du groupe intérieur, soit de produire volontairement de telles différences en vue d'augmenter l'intensité sonore dans la région du foyer ou d'évaser la région du foyer. 2767014 En vue d'obtenir cela, il s'avère avantageux d'associer au transducteur électroacoustique, deux générateurs pouvant être déclenchés indépendamment l'un de l'autre, en vue d'engendrer des impulsions haute tension, un générateur étant affecté au groupe d'éléments piézo- électriques situés sur le côté intérieur et l'autre générateur étant affecté au groupe des éléments piézo-électriques situés sur le côté extérieur. Même lorsque les générateurs travaillent indépendamment l'un de l'autre, ils doivent malgré tout pouvoir être déclenchés de manière synchronisée, de façon à permettre une superposition visée des ondes sonores des deux groupes d'éléments piézo-électriques. Dans la suite, l'invention va être explicitée plus en détail au regard d'exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, qui montrent: Fig. 1 en représentation schématique, une coupe longitudinale d'un transducteur conforme à l'invention, Fig. 2 la courbe de pression au foyer dans le cas d'une alimentation simultanée en impulsions, des deux groupes de transducteurs piézo-électriques, Fig. 3 la courbe de pression au foyer dans le cas d'un déclenchement défini visé de l'alimentation en impulsions, Fig. 4 le signal électrique destiné à l'alimentation des deux groupes, Fig. 5 le mode de construction d'un générateur d'impulsions haute tension, et Fig. 6 un autre mode de réalisation d'un transducteur conforme à l'invention, selon une représentation conforme à celle de la figure 1. Le transducteur représenté à l'aide de la figure 1, est constitué d'un support 1 sous la forme d'une calotte sphérique en aluminium, qui est réalisée d'un seul tenant avec un tronçon de tube 2 à l'aide duquel le transducteur est fixé à l'intérieur de l'ensemble de l'appareil, par exemple un appareil de thérapie. Le support 1 en forme de calotte sphérique présente, sur son côté intérieur dirigé vers le foyer 3, un rayon RI, et sur son côté extérieur opposé au précédent, un rayon R2. Les rayons RI et R2 sont issus d'un même centre, à savoir le foyer 3 du transducteur électroacoustique. Le support 1 est équipé, aussi bien sur son côté intérieur 6 2767014 que sur son côté extérieur, d'un grand nombre d'éléments piézoélectriques 4, qui présentent une forme sensiblement cylindrique et qui sont disposés en étant espacés latéralement, de manière sensiblement non ordonnée et selon le principe de la densité d'agencement la plus élevée. Les éléments piézo- électriques 4 sont fixés, chacun avec l'une de ses faces frontales, respectivement sur le côté intérieur et sur le côté extérieur du support 1, et sont reliés à celui-ci de manière conductrice. Dans le cas du mode de réalisation représenté, les éléments 4 sont fixés de manière électriquement conductrice, à l'aide d'un adhésif époxy conducteur, renfermant de l'argent, 1o sur le côté avant et le côté arrière de la calotte sphérique de support 1. Les faces frontales libres des éléments piézo-électriques 4 sont connectées à l'aide de minces fils de cuivre revêtus d'argent, qui y sont fixés de manière électriquement conductrice et par une liaison à continuité de matière, au moyen d'un point de brasage (non représenté). Les espaces intermédiaires entre les éléments piézo-électriques 4 situés sur le côté avant et sur le côté arrière, sont remplis par un matériau d'isolation 21 résistant aux hautes tensions, qui recouvre également les éléments 4 sur leurs faces frontales libres, et qui présente, en direction du foyer, une forme de calotte sphérique, tandis qu'il se termine de manière plane vers le côté arrière (voir figure 1). En guise de masse de scellement on utilise un matériau de scellement époxy ou de polyuréthane. L'excitation des éléments piézo-électriques 4 au moyen d'impulsions haute tension, s'effectue de manière connue en soi, les éléments 4 disposés sur le côté intérieur du support 1 étant toutefois regroupés, sur le plan de la technique de commutation, en un groupe 5 (intérieur), et ceux disposés sur le côté extérieur du support 1, en un groupe 6 (extérieur), qui peuvent être excités séparément l'un de l'autre. Pour des raisons de sécurité, le support 1 forme toujours le pôle négatif des deux groupes 5 et 6 d'éléments piézo-électriques 4, et est toujours au potentiel zéro en étant connecté à la masse 7. Chacun des groupes 5 et 6 d'éléments piézo-électriques 4 est alimenté par son propre générateur d'impulsions haute tension 8 et respectivement 9. L'un des deux générateurs d'impulsions haute tension 8 et 9, à savoir le générateur d'impulsions haute tension 8 dans le cas de l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, est précédé d'un organe 7 2767014 de temps 10 (de retard). Les deux générateurs d'impulsions haute tension peuvent être déclenchés indépendamment l'un de l'autre et sont commandés par un module de déclenchement 11. Ce montage permet de délivrer les impulsions haute tension pour les groupes 5 et 6 d'éléments piézo- électriques 4, de manière synchronisée ou avec un retard dans le temps réglable pour l'un des groupes par rapport à l'autre. Il est également possible de ne mettre en circuit que le groupe avant 5 ou le groupe arrière 6. Sur la figure 2 on a représenté la courbe de pression au foyer 3, la figure 2a montrant la courbe de pression après alimentation du groupe 1o intérieur 5 avec une impulsion haute tension, la figure 2b, la courbe de pression après alimentation du groupe extérieur 6 avec une impulsion haute tension, et la figure 2c, la courbe de pression après alimentation simultanée des deux groupes 5 et 6 avec une impulsion haute tension. Il est nettement visible que l'onde de pression résultant de l'impulsion haute tension du groupe extérieur 6, présente une allure plus aplatie et est en retard par rapport à celle du groupe intérieur 5. L'amplitude moindre est due aux pertes d'amortissement plus élevées, tandis que le retard est dû à la durée de propagation plus longue des ondes sonores produites par le groupe extérieur 6, jusqu'au foyer. En effet celles-ci doivent parcourir le chemin R2 plus long que celui des ondes du groupe intérieur 5. Il en résulte la courbe de pression représentée sur la figure 2c et constituée de deux ondes de pression se succédant directement, dans le cas d'une alimentation simultanée des deux groupes 5 et 6 avec une impulsion haute tension. A l'aide de l'organe de temps 10, il est possible d'effectuer une alimentation en impulsions haute tension, différée dans le temps, du groupe intérieur 5 par rapport au groupe extérieur 6, de façon telle, que les ondes de pression engendrées par les deux groupes 5 et 6 soient synchronisées, tel que cela est représenté sur la figure 3c. Les figures 3a et 3b représentent respectivement la courbe de pression au foyer 3, que l'on obtient lorsque seul le groupe intérieur 5 ou seul le groupe extérieur 6 sont alimentés par une impulsion haute tension, les différences de durée de propagation étant déjà compensées. Comme le montre la figure 3c, il se produit dans le cas d'une synchronisation appropriée dans le temps, non seulement une addition des ondes de pression engendrées au foyer 3 par le groupe extérieur 6 et le groupe intérieur 5, mais également, en plus, une 8 2767014 augmentation de la vitesse de croissance de l'onde de pression, ce qui conduit à une augmentation énorme de la puissance par rapport à des transducteurs électroacoustiques conventionnels. En-dehors de cette densité d'énergie extrêmement élevée représentée sur la figure 3c, il est possible de régler pratiquement de manière quelconque la vitesse de croissance de l'impulsion de pression produite, en modifiant de manière appropriée l'organe de temps 10. Il est également possible de réduire pratiquement de manière quelconque, la puissance du transducteur, en excitant seulement le groupe intérieur 5 ou bien également seulement le groupe extérieur 6. Ce transducteur électroacoustique présente ainsi une plage dynamique très élevée, qui permet en outre, un réglage de la région du foyer par une excitation électrique appropriée. On obtient des densités d'énergie minimales, par exemple lorsqu'on n'excite que le groupe extérieur 6 d'éléments piézo-électriques 4, parce que les éléments piézo-électriques 4 du groupe intérieur 5 forment alors une couche d'amortissement. Sur la figure 4 on a représenté le décalage dans le temps que doivent présenter les impulsions haute tension 12, 13 (représentation idéalisée sous forme d'impulsions rectangulaires), pour obtenir une vitesse de croissance maximale de l'onde de pression au foyer 3 tel que représenté sur la figure 3c. L'impulsion haute tension rectangulaire représentée sur la figure 4a pour le groupe extérieur 6 d'éléments piézo-électriques 4, est produite plusieurs micro-secondes avant l'impulsion haute tension 13 selon la figure 4b, prévue pour le groupe intérieur 5 d'éléments piézo-électriques 4. La différence de temps correspond à la différence de durée de propagation des ondes sonores jusqu'au foyer. La figure 5 montre le mode de construction d'un générateur d'impulsions haute tension 8, 9. Le générateur d'impulsions haute tension comprend un groupe de charge haute tension 14, qui est relié à un condensateur haute tension 16, par l'intermédiaire d'une résistance de charge 15. Le condensateur haute tension 16 est chargé par le groupe de charge haute tension 14, par l'intermédiaire de la résistance de charge 15. Par l'intermédiaire d'un commutateur haute tension 17, ce condensateur haute tension 16 est relié à un groupe 5 ou 6 d'éléments piézoélectriques 4 montés en parallèle les uns par rapport aux autres, ainsi qu'à une résistance de décharge 18 montée en parallèle au groupe considéré. Le commutateur 9 2767014 haute tension 17 présente une entrée de déclenchement 19 et est réalisé sous la forme d'un commutateur à semi-conducteur, par exemple en tant que transistor haute tension ou thyristor haute tension, en vue de pouvoir effectuer de manière précise, des phases de commutation, dans le domaine des micro-secondes. La figure 6 montre une variante d'exécution qui se distingue de celle selon la figure 1, par le fait que le groupe extérieur 6 d'éléments piézo-électriques 4, est pourvu, également dans la zone de la face frontale arrière, uniquement d'une mince couche de masse de scellement 21, et est doté à cet endroit d'un corps de réflexion 20, qui est couplé sur le plan acoustique, aux éléments piézo-électriques 4, par l'intermédiaire de la masse de scellement, et qui présente une forme de calotte sphérique en direction du foyer 3, le centre de la calotte sphérique coïncidant avec le foyer 3. Le corps de réflexion 20 est réalisé en métal, dansIle cas du présent exemple de réalisation, en aluminium, mais peut toutefois également être formé directement par moulage de la masse de scellement, par exemple sous la forme d'une résine époxy enrichie de particules métalliques. Le corps de réflexion 20 augmente le rendement, notamment du groupe extérieur 6 d'éléments piézo-électriques 4. 2767014 REVENDICATIONS 1. Transducteur électroacoustique comprenant un support (1) en forme de calotte sphérique, sur le côté intérieur duquel sont placés des éléments piézo-électriques (4), caractérisé en ce que le côté extérieur est également pourvu d'éléments piézo-électriques (4). 2. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (1) est réalisé en métal, de préférence en aluminium ou en laiton, et les éléments piézo-électriques (4) sont reliés à lo celui-ci, par un côté, de manière conductrice. 3. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments piézo-électriques (4) présentent sensiblement une forme cylindrique et s'appuient avec une face frontale sur le support (1). 4. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézo- électriques (4) sont disposés des deux côtés du support (1), sensiblement de manière non ordonnée, selon le principe de la densité d'agencement la plus élevée. 5. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (1) est connecté au négatif et à la masse. 6. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézo- électriques (4) sont disposés en étant espacés latéralement les uns des autres, et en ce que les espaces intermédiaires ainsi formés sont remplis par une masse de scellement (21) isolante résistant aux hautes tensions. 7. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézo- électriques (4) disposés sur le côté extérieur du support (1) sont pourvus, côté arrière, d'un corps de réflexion (20). 8. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de réflexion (20) est formé par un corps métallique commun, qui est couplé sur le plan l 2767014 acoustique, au moyen d'une masse de scellement (21), aux éléments piézo- électriques (4) situés sur le côté extérieur. 9. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de réflexion est formé par une masse de scellement (21), de préférence une résine époxy renfermant du métal, recouvrant les éléments piézo-électriques (4) situés sur le côté extérieur. 10. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe (6) des éléments o piézo-électriques (4) situés sur le côté extérieur et le groupe (5) des éléments piézo-électriques (4) situés du côté intérieur, peuvent être excités électriquement de manière séparée. 11. Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est alimenté par au moins deux générateurs (8, 9) pouvant être déclenchés indépendamment l'un de l'autre, en vue d'engendrer des impulsions haute tension (12, 13), un générateur (8) étant affecté au groupe (5) d'éléments piézo-électriques (4) situés sur le côté intérieur, et l'autre générateur (9) étant affecté au groupe (6) des éléments piézo-électriques (4) situés sur le côté extérieur. 12. Transducteur électroacoustique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les générateurs (8, 9) peuvent être déclenchés pour une superposition visée des ondes sonores engendrées par les groupes (5, 6) d'éléments piézo-électriques (4).