3.4 Réalisation de l’émetteur sonore adapté à l’hélium-4 hcp
3.4.3 Caractérisation électrique
Modèle électromécanique d’un oscillateur piézoélectrique. Les pro-priétés de la céramique piézoélectrique en tant que diélectrique et élément résonant peuvent être séparées et modélisées par un circuit électrique équi-valent de Van Dyke [92], la résonance à modéliser étant ici la résonance en épaisseur de la céramique. Le circuit électrique équivalent est visible sur la figure 3.13. Il se compose d’une capacité C0 représentant le condensateur
0 0.5 1 1.5 2 x 106 0 2 4 6 8 log( |Z| ) ω ↑ ωr ↓ ωa
Figure 3.13.Circuit électrique équivalent modélisant les propriétés diélectriques et réso-nantes de la céramique piézoélectrique et aspect du module de l’impédance.
formé par les électrodes de la céramique à épaisseur bloquée, en parallèle avec un circuit RLC série, où R représente les pertes (dissipation interne et émission acoustique), L la masse effective pour le mode de vibration étudié et C l’inverse de la raideur de la céramique. L’impédance électrique Zeq de ce circuit équivalent dépend de la pulsation ω comme :
Zeq(ω) = R+ j (Lω − 1/Cω)
1 + jC0ω(Lω − 1/Cω) (3.32)
La figure 3.13 présente l’aspect typique du module de Zeq. Le circuit équi-valent possède une résonance à la pulsation ωr et une antirésonance à la pulsation ωa qui s’expriment en fonction des paramètres du circuit comme :
ωr = √1
LC ωa =
s
1/C + 1/C0
L (3.33)
Le facteur de qualité mécanique Q de l’oscillateur et le coefficient de cou-plage électromécanique effectif kef f s’expriment en fonction des pulsations à résonance et antirésonance [93] : Q= ωrL R k 2 ef f = 1 −ωr ωa 2 (3.34) Nous utiliserons ce modèle simple pour réaliser des ajustements sur le mode de résonance en épaisseur qui est le mode de plus fort couplage électroméca-nique.
53 CHAPITRE 3 : Onde ultrasonore focalisée dans l’hélium solide hcp
Mesure de l’impédance électrique des céramiques. Le montage ex-périmental utilisé pour mesuré l’impédance Zc de la céramique est schématisé figure 3.14. Un générateur de signaux5 délivre une tension sinusoïdale de
ré-Figure 3.14. Schéma du montage utilisé. Un générateur délivre un signal sinusoïdal de référence à travers une résistance R. L’oscilloscope mesure la tension de référence Ur, ainsi que la tension Us aux bornes de l’impédance Z à déterminer. Les dipôles Ce, Re et C sont respectivement la capacité et résistance d’entrée de l’oscilloscope, ainsi que la capacité parasite des câbles.
férence Ur d’amplitude V0 ≃ 5.0 V à travers une résistance R = 4.7 kΩ pour avoir un comportement de type générateur de courant. Ur est mesurée sur la voie 1 d’un oscilloscope6, et la tension Us aux bornes de la céramique est mesurée sur la voie 3. Les deux câbles coaxiaux utilisés pour alimenter et mesurer la tension aux bornes de la céramique ont une résistance R < 0.1 Ω et une capacité C = 15 pF. Les impédances d’entrée de l’oscilloscope sont réglées sur Re = 1 MΩ, en parallèle avec une capacité Ce = 20 pF. L’acqui-sition des signaux et le contrôle des appareils de mesure est effectuée par un ordinateur. Les contacts électriques avec les électrodes de la céramique sont réalisés par contact mécanique à l’aide d’un ressort appliquant une force de quelques Newton le long de l’axe de symétrie. L’impédance complexe Zc de la céramique peut alors s’exprimer comme :
Zc = RU 1
r
Us − Zp+R Zp
(3.35) où Zp est l’impédance parasite regroupant l’impédance des câbles et de l’en-trée de l’oscilloscope telle que Zp = Re/(1+jRe(Ce+2C)ω). Cette impédance en parallèle de la céramique qui vaut ∼ 3 kΩ à 1 MHz ne peut pas être né-gligée car elle est comparable à celle de la céramique à l’antirésonance. Le rapport Ur/Us est une quantité complexe obtenue en calculant les compo-santes de Fourier de Ur et Us à la fréquence ω.
Les impédances pour les deux émetteurs mesurées à T = 300 K sont représentées en rouge sur la figure 3.15. Les spectres des deux céramiques présentent jusqu’à ∼ 1 MHz une décroissance en 1/jC0ω associée à de nom-breuses résonances qui sont similaires sur les 2 céramiques. Au-delà de 1 MHz on voit apparaître une résonance très marquée se manifestant par une large variation de l’impédance, à laquelle se superposent de nombreuses petites
5. Tektronix AFG 3022 6. Lecroy Waverunner 104Xi
3.4. Réalisation de l’émetteur sonore adapté à l’hélium-4 hcp 54 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 101 102 103 104 freq (en MHz) |Z| (en Ω ) ceramique 1 mesure |Z c| ajustement |Z eq| 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 101 102 103 104 freq (en MHz) |Z| (en Ω ) ceramique 2 mesure |Z c| ajustement |Z eq|
Figure 3.15.Impédances mesurées |Zc| des céramiques 1 et 2 en fonction de la fréquence. Le tracé bleu est un ajustement par l’impédance du circuit équivalent |Zeq| défini à l’équation 3.32.
résonances qui cette fois diffèrent entre les deux céramiques. Pour la céra-mique 1 le minimum absolu de |Zc| est |Zc|min = 10.2 Ω et se trouve à
fmin = 1.213 MHz, pour la céramique 2 on trouve fmin = 1.186 MHz et |Zc|min = 8.7 Ω
L’ensemble du spectre |Zc|(ω) est ajusté par l’impédance théorique du circuit équivalent |Zeq|(ω), l’ajustement étant réalisé sur les logarithmes de ces deux quantités. Le résultat de l’ajustement est visible sur la figure 3.15 et les résultats sont récapitulés dans le tableau 3.2. Les ajustements pour les 2
Numéro C0 R L C fr fa Q kef f
céramique (pF) (Ω) (µH) (pF) (MHz) (MHz)
1 936 15.0 87.0 197 1.21 1.34 46.8 0.417 2 950 14.6 91.2 196 1.19 1.31 44.3 0.414
Tableau 3.2. Paramètres de l’ajustement de l’équation 3.32 sur les données expérimen-tales présentées figure 3.15.
céramiques sont assez similaires ce qui témoigne de la reproductibilité de la procédure de fabrication. On discute ici les valeurs des paramètres moyennés pour les deux céramiques. L’ajustement donne une fréquence de résonance fr de l’ordre de 1.20 ± 0.01 MHz pour les deux céramiques pour un coefficient de couplage électromécanique effectif kef f = 0.415 ± 0.002. Le coefficient de
55 CHAPITRE 3 : Onde ultrasonore focalisée dans l’hélium solide hcp
qualité de la résonance fourni par l’ajustement est Q = 45 ± 2, coefficient qui semble sous-estimé en faisant une appréciation à l’œil de l’ajustement.
La fréquence frproche de la fréquence prédite par l’équation 3.30 indique qu’il s’agit bien d’un mode de vibration en épaisseur de la céramique. Le fort couplage électromécanique du mode témoigne quand à lui d’un bon taux de polarisation et de la bonne orientation de celle-ci.