Conception électroacoustique

Après avoir fixé la géométrie du réseau matriciel au chapitre précédent, nous étu- dions ici la mise en place du système de transduction. On utilise des outils de simu- lation électroacoustique (KLM et éléments finis) pour la mise en place des paramètres de fabrication d’un traducteur au contact direct avec l’acier, dans des conditions de sensibilité acceptables. On choisit dans un premier temps le type de matériau piézoélectrique pour l’émis- sion dans l’acier par un élément émetteur au contact. On utilise ainsi la géométrie d’un élément émetteur tel qu’il a été défini pour comparer ses performances vibratoires avec différents matériaux actifs. La solution retenue utilise une partie active en piézocom- posite 1-3 pour un meilleur contrôle des vibrations, à laquelle il faut ajouter une lame protectrice en face avant et un backing. Pour finir, on étudie l’influence de la lame avant sur le rayonnement de l’élément émetteur, ainsi que les possibilités d’adaptation électronique en vue d’un meilleur rendement à l’émission.On justifie dans cette section le choix de la structure émettrice piézoélectrique en fonction de l’application. Un modèle simple nous permet de cerner quelques com- promis à faire pour émettre dans l’acier. Une analyse par éléments finis souligne une grande partie des difficultés dans la conception d’un élément émetteur aussi réduit (1£2mm2) par rapport à la fréquence de fonctionnement (3MHz).

Un solide est dit piézoélectrique s’il se polarise électriquement sous l’action d’une contrainte (effet direct) et se déforme si un champ électrique lui est appliqué (effet inverse). Pour cela on utilise le phénomène mis en évidence par Pierre et Jacques Cu- rie [38] qui est la conséquence d’un couplage entre les propriétés mécaniques et élec- triques d’un matériau piézoélectrique. Les matériaux ayant de telles propriétés sont des cristaux comme le Quartz (SiO2), le Niobate de Lithium (LiNbO3) ou le Tantalate de Lithium (LiTaO3). Pour des applications médicales ou pour le CND l’utilisation de céramiques polycristallines est plus courante. Par exemple, le PZT composé de plomb, de zirconium et de titane, est fabriqué par frittage de microcristaux à haute tempéra- ture en présence d’un fort champ électrique statique d’environ 20kV/cm. Par conven- tion, ce champ est orienté suivant l’axe ~L’expression de k dépend en fait de la forme de la céramique et de son mode de vibra- tion. Pour une plaque suffisamment fine suivant l’axe 3 vibrant en épaisseur, le coeffi- cient électromécanique est caractérisé par kt (t comme thickness) ; k31 pour une plaque suffisamment fine suivant l’axe 3 vibrant en cisaillement suivant l’axe 1 ; k33 pour un barreau de rayon fini suivant l’axe 3 vibrant en compression suivant l’axe 3. La figure 3.1 donne l’expression de ces coefficients d’après le standard de l’IEEE [39].

Le coefficient kt est particulièrement approprié pour caractériser des céramiques qui composent les transducteurs fonctionnant en mode épaisseur, généralement utilisés pour des traducteurs à ondes L. En CND des céramiques de type PZT sont les plus employées car elles ont un coefficient de couplage kt relativement élevé, permettant une bonne conversion du signal électrique en vibration acoustique.Le matériau de base servant à la fabrication d’un piézocomposite est une céramiquede type PZT. Dans un premier temps une plaque de céramique est découpée suivant l’épaisseur dans deux directions de façon à réaliser un réseau de barreaux. Un trait dekt a tendance à s’approcher du k33 caractéristique de la céramiquepure. La structure piézocomposite vise d’une certaine façon à imiter la résonance d’un barreau de largeur finie caractérisé par le coefficient de couplage électromécanique k33Notons que la simple fraction volumique de céramique ne peut être seule repré- sentative de tous les phénomènes de vibration d’un piézocomposite. Aussi plusieurs auteurs ont utilisé des modèles éléments finis pour analyser la structure du piézocom- posite en faisant varier la forme des barreaux de céramique [41, 42] ; on définit donc w=t le rapport largeur sur hauteur. Si la largeur est négligeable devant sa hauteur, on favorise nettement le mode barreau. On préconise donc un ratio w=t inférieur à 1=5 pour assurer que ceux-ci sont assez fins pour résonner suivant leur hauteur, c’est-à- dire selon l’épaisseur du transducteur.

Le PVDF a une grande flexibilité mécanique que l’équipe de Strathclyde Univer- sity a utilisé pour un prototype de traducteur souple [7]. Ce type de matériau a un faible coût de fabrication et permet de réaliser des traducteurs à haute fréquence (jus- qu’à 100MHz) avec des bandes passantes plus élevées que celles obtenues par d’autres matériaux. L’impédance acoustique est relativement bien adaptée à un contrôle en im- mersion, cependant le contact direct avec l’acier peut constituer un saut d’impédance acoustique très élevé. Par ailleurs, le coefficient de couplage électromécanique est de l’ordre de 30%, ce qui est relativement faible pour des applications en échographie.Le piézocomposite 1-3 a des caractéristiques intermédiaires en termes d’adaptation acoustique. Ce type de structure est souvent utilisée dans le domaine médical ou encore en CND pour des traducteurs immersion et des traducteurs contact avec sabot de type polymère. Dans ces cas, la rupture d’impédance acoustique n’est pas trop élevée par rapport au milieu de propagation. Pour un traducteur émettant directement au contact avec de l’acier, ce type de structure peut se révéler moins avantageux.