Brevet FR2830468A1 — publié le 20030411

La présente invention concerne le domaine technique de la génération d'impulsions ultrasonores de très forte intensité, c'est-à-dire de l'ordre de plusieurs centaines de bars, voire du millier. La présente invention concerne des applications notamment dans le domaine du contrôle non destructif d'un matériau ou d'une structure, ou dans le domaine médical (lithotritie, destruction tissulaire par cavitation.....). Les impulsions ultrasonores sont produites dans un milieu de couplage, à l'aide d'une source comportant un transducteur de type piézo-électrique qui, lorsqu'une tension électrique lui est appliquée, produit une onde acoustique qui est généralement focalisée en vue d'atteindre des pressions élevées. A cet égard, il est à noter que le rapport qui existe entre la pression au foyer et la pression à la surface du transducteur est appelé gain d'antenne. Un tel gain d'antenne est fonction de la fréquence émise, ainsi que de l'ouverture, c'est-à-dire du rapport entre la distance focale et le diamètre du transducteur. A titre illustratif, la génération d'une onde de pression de 1 000 bars au foyer d'un lithotriteur peut être obtenue avec une source en forme de coupelle, dont le diamètre est de 45 cm approximativement et dont la pression à la surface est de 10 bars environ, avec une fréquence de 400 kHz. Il doit donc être constaté qu'une telle source de production d'impulsions ultrasonores présente un encombrement important ne permettant pas la réalisation de dispositifs portables ou semi-portables. La réduction de la taille d'une telle source passe par l'augmentation de la pression surfacique au niveau de la coupelle d'émission. Pour tenter d'atteindre cet objectif, l'art antérieur a proposé d'utiliser des matériaux de types composites, appelés piézo-composites, permettant d'augmenter la pression surfacique par un facteur de 1,5 à 2 environ, comparativement aux matériaux classiques piézo-céramiques. En effet, ce type de matériau, vibrant essentiellement en épaisseur, génère des modes latéraux dont l'amplitude est plus faible que dans le cas des matériaux piézo-céramiques classiques. Ce gain, quoique intéressant, s'avère encore insuffisant. Dans la thèse de Doctorat présentée par Luc CHOFFLET à l'Université Paris VIII sur"L'étude de l'optimisation des transducteurs ultrasonores et des structures multi-piézo-électriques empilées", il a été montré qu'il était possible d'augmenter la pression surfacique en assemblant deux transducteurs sous la forme d'un sandwich. En effet, du point de vue théorique, le gain est proportionnel au nombre de couches de l'empilement. Cependant, des études pratiques ont montré que le gain est en réalité plus faible, du fait que le transducteur frontal reçoit toute la contrainte entraînant la rupture de l'élément situé le plus en avant. Par ailleurs, si la réalisation d'un transducteur de type à empilement est déjà complexe pour un transducteur plan, elle devient extrêmement délicate lorsqu'il s'agit de réaliser une coupelle mettant en oeuvre ce principe. Dans l'état de la technique, il est aussi connu des transducteurs de type TONPILZ (champignon acoustique) conçus principalement pour générer une onde monochromatique, utilisable notamment pour les sonars de pêche ou de l'armée. Les brevets FR 2 640 455 et FR 2 728 755 décrivent diverses variantes de réalisation d'une contrainte mécanique effectuée sur le matériau piézo-électrique, afin de générer des pressions élevées. Il doit être constaté que le serrage du matériau piézo-électrique du transducteur diminue de façon drastique la fréquence de résonance de l'ensemble. Ainsi, un tel transducteur fonctionne uniquement à une fréquence de résonance de quelques dizaines de kHz au maximum, de sorte que leur application se trouve limitée aux sonars. Par ailleurs, dans la mesure où le transducteur est formé d'un empilement de couches, une telle source permet de transmettre uniquement la fréquence pour laquelle l'ensemble des couches rentre en résonance, ce qui ne permet pas de transmettre une impulsion de pression présentant un large spectre de fréquence et donc une impulsion courte. De plus, la réalisation d'un transducteur mettant en oeuvre un empilement de couches n'est pas simple à réaliser. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif adapté pour produire des impulsions ultrasonores de forte pression, tout en étant conçu pour être réalisé de façon simple. Pour atteindre un tel objectif, le dispositif de production d'impulsions ultrasonores de fortes pressions comporte : une source ultrasonore comportant un transducteur de type piézo-électrique muni d'électrodes et présentant un sens de polarisation dans une direction donnée, et des moyens d'application d'une tension électrique sur les électrodes du transducteur ultrasonore, de manière à créer un champ électrique de direction parallèle à la direction de polarisation en vue d'obtenir l'émission d'une onde ultrasonore. Selon l'invention, les moyens d'application d'une tension électrique assurent l'application d'une précontrainte électrique au transducteur. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les moyens d'application d'une tension électrique assurent, pour obtenir l'émission d'une onde ultrasonore : . l'application d'un champ électrique de sens opposé au sens de polarisation, afin de comprimer le transducteur ultrasonore piézo-électrique, l'application d'un champ électrique transitoire de même sens que celui de la polarisation, de manière à obtenir l'émission d'une onde ultrasonore de compression dans le milieu de couplage. La mise en oeuvre d'une précontrainte électrique sur le transducteur piézo- électrique permet d'éviter les problèmes inhérents à l'application d'une précontrainte mécanique. Par ailleurs, dans la mesure où le transducteur est préalablement comprimé avant d'être soumis à une extension pour créer une onde ultrasonore de forte pression, il n'apparaît aucun allongement susceptible de le rompre. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression, conçu pour éviter de dépolariser le transducteur piézo-électrique. Pour atteindre cet objectif, les moyens d'application d'une tension électrique assurent l'application d'un champ électrique de sens opposé au sens de polarisation pendant une durée d'application inférieure à celle conduisant à la dépolarisation du transducteur ultrasonore piézo-électrique. Selon une autre caractéristique, l'objet de l'invention concerne un procédé consistant à appliquer une tension électrique aux électrodes du transducteur pour appliquer une précontrainte électrique au transducteur ultrasonore. Avantageusement, le procédé consiste, pour assurer l'émission d'une onde ultrasonore : à appliquer un champ électrique de sens opposé au sens de polarisation, afin de comprimer le transducteur ultrasonore, puis, à appliquer un champ électrique transitoire de même sens que celui de la polarisation, de manière à obtenir l'émission d'une onde ultrasonore de compression dans le milieu de couplage. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. Les fig. 1 à 3 sont diverses vues schématiques d'un dispositif de production d'impulsions ultrasonores conforme à l'invention, selon différentes positions caractéristiques de fonctionnement. La fig. 4 est un chronogramme permettant d'illustrer le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 1, le dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression, représenté sous la référence générale 1, comporte un transducteur ultrasonore 2, de type piézo-électrique, formant une source de production d'une onde acoustique dans un milieu de couplage. Ce transducteur 2 comporte des électrodes 3, parallèles entre elles et reliées à des moyens 4 d'application d'une tension électrique. Le transducteur 2 n'est pas décrit plus précisément car sa constitution est bien connue de l'homme du métier. De plus, le transducteur ultrasonore 2 peut comporter, en tant qu'élément actif de génération d'une onde acoustique, tout type de matériau piézo-électrique, tel que piézo-céramique, piézo-composite, polymère piézo- électrique. D'une manière connue, le transducteur 2 présente une polarisation dont le sens est représenté par la flèche fl, dans une direction qui est perpendiculaire aux électrodes 3. Le transducteur 2 fonctionne ainsi en mode compression/extension, dans la mesure où la direction de polarisation, propre au matériau piézo-électrique, est parallèle au champ électrique créé par les électrodes 3 lors de l'application d'une tension électrique à ses bornes. La déformation du matériau piézo-électrique du transducteur se fait essentiellement dans une direction parallèle au champ électrique. Conformément à l'invention, les moyens 4 assurent l'application d'une précontrainte électrique au transducteur 2, préalablement à la production d'une onde ultrasonore de forte pression. Dans l'exemple illustré à la fig. 2, les moyens 4 sont commandés pour appliquer une tension électrique sur les électrodes 3 du transducteur 2, de manière à créer, dans le matériau piézo-électrique, un champ électrique représenté par une flèche f2, selon un sens opposé au sens de polarisation fi, afin de comprimer le transducteur 2. Ainsi, tel que cela ressort clairement de la fig. 2 en comparaison avec la fig. 1, la tension électrique V2, appliquée sur les électrodes 3, est telle que le transducteur 2 est soumis à un champ électrique de sens f2 opposé à la polarisation, de sorte que le transducteur 2 se comprime. Ensuite, les moyens 4 assurent l'application d'une tension électrique V3 permettant de créer, dans le matériau piézo-électrique, un champ électrique transitoire de même sens que celui de la polarisation. Ainsi, tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3, le transducteur 2 est soumis à un champ électrique, représenté par la flèche f3, de même sens que celui fi de polarisation. Le transducteur 2 subit, à partir de l'état précédent, une extension, de sorte qu'il émet une onde de compression 5 dans le milieu de couplage. Tel que cela ressort de la description qui précède, l'objet de l'invention est un procédé simple pour assurer l'émission d'une onde ultrasonore 5 en comprimant le transducteur 2 en lui appliquant, par l'intermédiaire d'une tension électrique, un champ électrique de sens opposé au sens de polarisation du transducteur, puis un champ électrique de même sens que celui de polarisation qui conduit à son extension. Dans la mesure où le transducteur 2 était initialement comprimé avant d'être allongé, il peut être considéré que le transducteur 2 s'éloigne peu de son état initial, tel qu'il est illustré à la fig. 1. Le transducteur 2 subit un allongement suffisamment faible pour ne pas se rompre. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les moyens 4 assurent l'application d'une tension électrique V2 permettant l'application d'un champ électrique de sens f2 opposé au sens de polarisation fi pendant une durée d'application T inférieure à celle conduisant à la dépolarisation du transducteur piézo-électrique 2 (fig. 4). Par exemple, la durée d'application T de cette tension électrique V2 assurant l'application d'un champ électrique de sens opposé au sens de polarisation est supérieure à 10 u. s et est, de préférence, de l'ordre de 100 us. Ainsi, l'application d'une tension pendant un temps limité permet de précontraindre le transducteur 2 sans le dépolariser. Selon une autre caractéristique préférée de réalisation, les moyens 4 assurent l'application d'une tension électrique Vs pour créer le champ électrique transitoire de même sens f3 que celui fi de la polarisation, pendant un temps d'application t3 compris entre 1 us et 1 s et, de préférence, de l'ordre de 100 ms. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le temps d'application t3 du champ électrique transitoire est supérieur ou égal à la durée d'application T du champ électrique de sens opposé f2 au sens fi de polarisation pour permettre la repolarisation du transducteur ultrasonore piézo-électrique 2, dans le cas éventuel où une dépolarisation minime serait apparue. Selon une autre caractéristique préférée de réalisation, les moyens 4 assurent l'application d'une tension électrique V3 assurant l'application d'un champ électrique transitoire de même sens f3 que celui fi de la polarisation, pendant un temps de montée t3m compris entre 0,1 et 20 us et, de préférence, compris entre 1 et 10 us dans le cas de la lithotritie. Le troisième chronogramme de la fig. 4 montre la forme de la tension électrique V4 aux bornes du transducteur 2. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la tension électrique V2, assurant l'application d'un champ électrique de sens f2 opposé au sens de polarisation fi, présente un temps de montée t2m supérieur au temps de montée t3m du champ électrique transitoire, de manière à minimiser l'influence d'une onde parasite, à savoir de détente. Selon une variante préférée de réalisation, ce temps de montée t2m est supérieur à au moins dix fois le temps de montée t3m du champ électrique transitoire. L'objet de l'invention permet ainsi de disposer d'un dispositif de production d'une onde ultrasonore de forte pression. Ainsi, il a été obtenu une pression maximale de 35 bars (avant détérioration) pour un transducteur ne mettant pas en oeuvre l'objet de l'invention. Avec un transducteur auquel était appliquée une précontrainte électrique, il a pu être obtenu une pression maximale de 60 bars. Bien entendu, les moyens d'application 4 des tensions électriques aux bornes des électrodes peuvent être réalisés de toute manière appropriée par un ou deux générateurs par exemple. De plus, le transducteur peut recevoir une forme quelconque, telle qu'une réalisation en forme de coupelle. REVENDICATIONS 1-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression, comportant : 'une source ultrasonore comportant un transducteur (2) de type piézo-électrique muni d'électrodes (3) et présentant un sens (fi) de polarisation dans une direction donnée, 'et des moyens (4) d'application d'une tension électrique sur les électrodes (3) du transducteur ultrasonore (2), de manière à créer un champ électrique de direction parallèle à la direction de polarisation en vue d'obtenir l'émission d'une onde ultrasonore dans un milieu de couplage, caractérisé en ce que les moyens (4) d'application d'une tension électrique assurent l'application d'une précontrainte électrique au transducteur ultrasonore (2). 2-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (4) d'application d'une tension électrique assurent, pour obtenir l'émission d'une onde ultrasonore : . l'application d'un champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation, afin de comprimer le transducteur ultrasonore (2), * puis l'application d'un champ électrique transitoire de même sens (f3) que celui de la polarisation (fi), de manière à obtenir l'émission d'une onde ultrasonore de compression dans le milieu de couplage. 3-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (4) d'application d'une tension électrique assurent l'application d'un champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation pendant une durée d'application (T) inférieure à celle conduisant à la dépolarisation du transducteur ultrasonore piézo-électrique. 4-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que la durée d'application (T) d'une tension électrique (Vx) assurant l'application d'un champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation est supérieure à 10 us et est, de préférence, de l'ordre de 100 us. 5-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (4) d'application d'une tension électrique (V3) assurent l'application d'un champ électrique transitoire de même sens (f3) que celui (fi) de la polarisation pendant un temps d'application (t3) compris entre 1 us et 1 s et, de préférence, de l'ordre de 100 ms. 6-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (4) d'application d'une tension électrique (V3) assurent l'application d'un champ électrique transitoire de même sens (f3) que celui (fi) de la polarisation pendant un temps de montée (t3m) compris entre 0,1 et 20 p. s. 7-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon les revendications 3 ou 4 et 5, caractérisé en ce que la durée d'application de la tension électrique (Vz) assurant l'application d'un champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation présente un temps de montée (t2m) supérieur au temps de montée (t3m) du champ électrique transitoire. 8-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que le temps de montée (hum) est supérieur à au moins dix fois le temps de montée (t3m) du champ électrique transitoire. 9-Dispositif de production d'impulsions ultrasonores de forte pression selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le temps d'application (t3) du champ électrique transitoire est supérieur ou égal à la durée (T) d'application du champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation, pour permettre la repolarisation éventuelle du transducteur ultrasonore (2). 10-Procédé de production d'impulsions ultrasonores de forte pression, à l'aide d'une source ultrasonore comportant un transducteur (2) de type piézo-électrique muni d'électrodes (3) et présentant un sens (fi) de polarisation dans une direction donnée, une tension électrique étant appliquée sur les électrodes (3) du transducteur ultrasonore (2), de manière à créer un champ électrique de direction parallèle à la direction de polarisation en vue d'obtenir l'émission d'onde ultrasonore dans un milieu de couplage, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une tension électrique aux électrodes (3) du transducteur pour appliquer une précontrainte électrique au transducteur ultrasonore (2). 11-Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste, pour assurer l'émission d'une onde ultrasonore : e à appliquer un champ électrique de sens (f2) opposé au sens (fi) de polarisation, afin de comprimer le transducteur ultrasonore (2), a puis, à appliquer un champ électrique transitoire de même sens (f3) que celui de la polarisation (fi), de manière à obtenir l'émission d'une onde ultrasonore de compression dans le milieu de couplage.