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Transducteur Piézoélectrique
Matériaux Piézoélectrique
Définition
Un matériau piézoélectrique est un matériau diélectrique capable de se polariser électriquement sous l’effet d’une contrainte mécanique et inversement, de se déformer lorsqu’on lui impose un champ électrique (Nevers, n.d.). En effet, un transducteur piézo-électrique est un appareil alimenté en électricité qui transforme une énergie électrique en énergie acoustique. L’application d’une tension alternative engendre des déformations élastiques qui induisent la production d’une onde acoustique (Moudjed, n.d.).
Classification
Il existe trois classes principales de matériaux piézoélectriques :
– Les cristaux qui furent les premiers piézoélectriques découverts par l’Homme. Pierre et Jacques Curie mirent en évidence cet effet en 1880 à l’aide de cristaux de quartz. C’est à base de ce matériau que fut mis au point le premier sonar par Paul Langevin en 1917. L’inconvénient principal de ces cristaux est leur faible rendement dû à leur mauvais couplage électromagnétique.
– Les polymères ou copolymères comme le Poly-Vynil-DiFluoridène (PVDF) qui, partiellement cristallisés, permettent d’obtenir des matériaux adaptés aux grandes déformations ou à l’acoustique sous-marine.
– Les céramiques piézoélectriques sont des céramiques cristallines de type pérovskite ou tungstène-bronze. Elles virent le jour dans les années 40, notamment le titanate de baryum (BaTiO3) qui permettait une grande augmentation du couplage électromagnétique dans les sonars, comparativement aux cristaux comme le quartz. Depuis, de nombreux autres matériaux de ce type ont vu le jour comme les titanates de plomb (PbTiO3) ou les niobates de lithium (LiNbO3) utilisés en imagerie haute résolution. Néanmoins, les céramiques de la famille des zirconotitanate de plomb (Pb(Zrx,Ti1-x)O3) ou PZT sont les plus utilisés dans l’industrie depuis leur découverte en 1954 par Takagi et ses collaborateurs à l’Université de Technologie de Tokyo (Takagi, 1954). Ils présentent en effet de nombreuses propriétés intéressantes outre la piézoélectricité telles que la ferroélectricité et la pyroélectricité. Leur structure cristalline est de type pérovskite (orthorhombique). L’inconvénient majeur des PZT est certainement leur résistance thermique moyenne. La température au-delà de laquelle le matériau perd irréversiblement ses propriétés piézoélectriques est appelée « température de Curie » ou « point de Curie » (Dauzat, n.d.; “DR S. Coequyt-Les ultrasons en medecine-2005,” n.d.; Et Taouil, 2011b; Hallez et al., 2010a).
Transducteurs
Principe
Le principe de fonctionnement de ces transducteurs piézoélectriques est basé sur un phénomène se traduisant par l’apparition de charges électriques à la surface de certains cristaux soumis à une contrainte mécanique (Anquez, n.d.). C’est un phénomène réciproque puisqu’inversement, une modification mécanique peut engendrer l’apparition de charges donc un courant électrique (Dahdouh, n.d.; Dauzat, n.d.; Garin, n.d.; Nevers, n.d.). En effet, leur composant principal est une lame mince pour les transducteurs dans la gamme du MHz et au-dessus ; à l’émission l’élément piézo-électrique est mis en vibration par un signal électrique; à la réception la vibration ultrasonore crée un champ électrique détecté sur des électrodes situées de part et d’autre de la lame. Ces transducteurs ont l’avantage d’être utilisables aussi bien à l’émission qu’à la réception (Lefebvre et al., 2004).
Classification
Selon la géométrie de l’élément sondé, les défauts cherchés et la configuration expérimentale requise, différents types de transducteurs sont utilisés :
– Les transducteurs droits ou plans fonctionnent suivant le principe décrit précédemment. L’onde se propage perpendiculairement à la face avant du transducteur.
– Les transducteurs focalisés sont utilisés afin d’augmenter la finesse de résolution du contrôle, et concentrent le faisceau ultrasonore autour d’un point. La focalisation est obtenue soit au moyen d’une lame piézoélectrique incurvée, soit par focalisation électronique ou encore grâce à une lentille acoustique.
– Les transducteurs d’angle permettent un contrôle sous incidence oblique. L’interaction d’une onde incidente longitudinale avec une interface séparant deux milieux solides génère, dans le cas isotrope et suivant l’angle d’incidence, soit deux ondes propagatrices (une onde longitudinale et une onde transversale) soit une seule onde propagatrice (onde transversale) dans le milieu de transmission. C’est ce que l’on appelle la conversion de mode. Lorsque ces transducteurs sont à angle fixe, ils sont adaptés à un matériau donné.
– Les transducteurs à ondes transversales nécessitent l’utilisation d’un couplant visqueux. En effet, l’eau, tout comme la graisse, ne permet pas la propagation d’ondes autres que longitudinales. De manière générale, il est préférable de générer des ondes transversales par conversion de mode.
– Les transducteurs à couplage par air permettent de s’affranchir de la nécessité d’un couplant entre le transducteur et la pièce à contrôler. Toute la difficulté réside dans la très grande différence d’impédance acoustique entre l’air et les matériaux couramment utilisés. Dans ce type de configuration, l’amplitude reçue par le transducteur récepteur est réduite d’un facteur très important par rapport à un couplant classique.
– Les barrettes linéaires de transducteurs sont constituées de multiples transducteurs élémentaires alignés, ce sont de véritables antennes qui permettent de focaliser le faisceau et/ou de faire des balayages électroniques très rapides (linéaires ou sectoriels) (Lefebvre et al., 2004).
Effet piézoélectrique
L’effet piézoélectrique repose sur le déplacement des charges à l’intérieur d’un matériau subissant une contrainte mécanique. Le matériau en question doit présenter un centre d’asymétrie lors d’une compression, le plus connu est le cristal quartz qui est une forme cristalline de la silice (SiO2). En effet, les contraintes mécaniques modifient le centre de gravité des charges électriques (charges positives et négatives), donnant naissance à un dipôle électrique (Et Taouil, 2011a; Garin, n.d.; Moudjed, n.d.). L’apparition de cette différence de potentiel est l’effet piézo-électrique. En absence de déformation, les barycentres des charges positives et négatives sont confondus (Figure 9) (Nevers, n.d.).
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : REVUE DE LA LITTERATURE SUR LES ULTRASONS
I. Rappels sur quelques notions d’acoustique
I.1. Définition d’une onde
I.2. Les différents types d’ondes
I.2.1. Ondes mécaniques, ondes électromagnétiques
I.2.2. Ondes longitudinales, ondes transversales
I.2.3. Ondes planes, ondes sphériques
I.2.4. Ondes progressives, ondes stationnaires
I.2.5. Ondes périodiques
I.3. Définition du son
II. Généralités sur les ultrasons
II.1. Historique
II.2. Définition des ultrasons
II.3. Classification des ultrasons
III. Production et propriétés des ultrasons
III.1. Générateur des US / Mode de génération
III.1.1. Le sifflet de Galton ou générateur mécanique
III.1.2. Transducteur piézomagnétique
III.1.3. Transducteur Piézoélectrique
III.1.3.1. Matériaux Piézoélectrique
III.1.3.2. Transducteurs
III.1.3.3. Effet piézoélectrique
III.2. Propagation des ultrasons
III.3. Atténuation
III.3.1. Absorption
III.3.2. Réflexion-Réfraction
III.3.3. Diffusion
IV. Intérêts des ultrasons
CHAPITRE II : RAPPELS SUR LES PROPRIETES MECANIQUES ET VISCOELASTIQUES DES TISSUS
I. Propriétés mécaniques des matériaux viscoélastiques
I.1. Contraintes
I.2. Courbe contrainte/déformation
I.3. Modèles mathématiques liés aux contraintes/déformations des corps
I.4. Coefficient de poisson
II. Onde de compression et onde de cisaillement
II.1. Définition
II.2. Module d’élasticité et module de cisaillement
CHAPITRE III : L’ELASTOGRAPHIE : APPLICATIONS CLINIQUES AVANTAGES ET LIMITES
I. Elastographie statique
I.1. Définition
I.2. Technique et intérêt de l’élastographie statique
I.3. Application Clinique
I.4. Avantages et limites
II. Elastographie dynamique
II.1. Technique d’élastographie dynamique
II.1.1. Elastographie par impulsion de radiation acoustique (ARFI)
II.1.2. Élastographie ultra-rapide par onde de cisaillement (Shear-Wave)
II.2. Application clinique
II.2.1. ARFI
II.2.2. Shear Wave
II.3. Avantage limites
II.3.1. ARFI
II.3.2. Shear Wave
CONCLUSION
REFERENCES
