Phénomène de « piézo-électricité »

Génération de ultrasons

Aujourd’hui, la méthode la plus communément employée pour générer et détecter des ultrasons utilise le phénomène de « piézo-électricité » décrit plus loin, néanmoins, mis à part les modes de productions organiques (dauphins, chauves-souris), il existe d’autres méthodes permettant de générer des ondes ultrasonores dont des générateurs pneumatiques (sifflets, sirène,…). L’une d’entre elles utilise les effets de l’électromagnétisme, il s’agit de l’émetteur à magnétostriction.

Le micro piézo-électrique ou céramique ou cristal

Le transducteur

La piézoélectricité, désigne la propriété que certains matériaux ont de fournir des charges électriques quand ils sont contraints mécaniquement et réciproquement de se déformer sous l’action de charges électriques. Ces propriétés sont mises à profit dans le microphone, cette fois, ce sont les ondes de pression provenant de la bouche de l’opérateur qui déforme le cristal. De même pour les transducteurs à ultrasons qui travaillent dans la bande de fréquences des ultrasons.
Ces transducteurs sont intrinsèquement à haute impédance et ne souffrent ni de l’humidité ni de la chaleur (dans certaines limites quand même). Ces capteurs piézo-électriques peuvent donc servir à capter les sons, chocs et mouvements et donner une information électrique exploitable par un montage électronique. Ce transducteur est pour les versions grand public omnidirectionnel :

Phénomène piézo-électrique
La piézo-électricité, a été mise en évidence en 1880 par les frères Pierre et Jacques Curie. Ceux-ci apportent à la fois la preuve expérimentale du phénomène et une théorie élaborée, en le reliant à la géométrie atomique des cristaux et en énonçant ses principales lois.
La piézo-électricité se traduit par l’apparition d’une polarisation électrique à la surface de certains cristaux soumis à une déformation. Inversement, certains cristaux soumis à une polarisation peuvent être déformés. Celle-ci s’accompagne d’un champ électrique entre les deux faces polarisées, tandis que la déformation est due à un phénomène piézo-électrique. Les équations fondamentales de la piézo-électricité peuvent donc relier, suivant l’usage qu’on en fait, l’une ou l’autre des grandeurs électriques à l’une ou l’autre des grandeurs mécaniques. Les variations des grandeurs électriques et mécaniques sont exactement proportionnelles et les constantes qui relient ces grandeurs l’une à l’autre sont identiques, qu’il s’agisse de l’effet direct ou de l’effet inverse. Un même système d’équations linéaires décrit donc ces deux effets.
L’effet piézo-électrique n’apparaît que sur les cristaux qui ne possèdent pas de centre de symétrie ou qui en possèdent plusieurs. Une compression ou un cisaillement dissocie les centres de gravité des particules + et des particules -. Il y a apparition d’un dipôle élémentaire, ce qui se traduit par la polarisation des surfaces du cristal. Si un cristal possède un haut degré de symétrie, les phénomènes relatifs à une face particulière se retrouveront identiques sur une face déduite par symétrie. Par contre, si la symétrie diminue, donc si le nombre d’axes de symétrie différents augmente, le nombre de constantes piézo-électriques indépendantes nécessaires à la description du phénomène est plus important. Il en faut deux pour le quartz. Ces constantes sont généralement exprimées en coulomb par newton, ou en mètre par volt (1 newton * 1 mètre = 1 joule = 1 volt * 1 coulomb). Leur valeur est très faible. Pour une lame de quartz perpendiculaire à l’axe X, métallisée sur ses deux faces principales, l’application d’une force F perpendiculaire à la lame crée une polarisation P définie par P = d*F, avec d = 2,3.1012 coulomb/newton. On déduit de la polarisation la tension électrique produite en surface par la relation V = P/C. On désigne par C la capacité inter-électrodes de la lame égale elle-même à K.(S/e ), K étant la constante (diélectrique) du corps, S la surface de la lame, e l’épaisseur. La charge P, pour une force de 1 newton, étant très infime (de l’ordre de quelques pico coulombs) ainsi que la capacité inter-électrodes (de l’ordre de quelques picofarads). La tension électrique entre les électrodes est donc de l’ordre de quelques volts. De même, une tension de quelques volts appliquée au même cristal amènera des forces importantes et des déplacements minimes. L’utilisation du phénomène de résonance permet ainsi d’accroître les rendements (une tension plus faible est alors nécessaire pour atteindre une même fréquence).

Cristal de Quartz
Le quartz est une forme cristalline de la silice (SiO2). A l’état naturel, il a la forme d’un prisme hexagonal terminé par deux pyramides complexes. Il est transparent, translucide et élastique. Sa dureté lui permet d’avoir des fréquences de vibrations élevées, ce qui est très favorable pour la précision. Le cristal possède trois axes caractéristiques:
-un axe Z ou optique: c’est un axe de symétrie parallèle à la longueur du quartz qui ne possède pas de propriétés piézo-électriques.
-un axe X ou électrique.
-un axe Y ou mécanique.
On sait désormais fabriquer des quartz artificiels en utilisant une solution alcaline à pression et température élevées.