Conception des transducteurs

Dans un premier temps, des transducteurs mono-éléments ultrasonores à immersion sont

conçus avec deux matériaux : du Pz26 (l’équivalent du PZT 4 par la société MEGGITT

A/S, fiche de données en Annexe C) et une composition de titanate de baryum dopé

(BTCa

Co

Nb

, 1% Li

CO

). Ces transducteurs seront respectivement notés TR-Pz26

et TR-BT. On a vu dans le Chapitre 2 que ces deux matériaux avaient des caractéristiques

fonctionnelles équivalentes. On veut maintenant vérifier que les performances sont quasiment

identiques une fois les matériaux intégrés dans les prototypes.

Les transducteurs mono-éléments sont des dispositifs simples de transduction ultrasonore

comprenant un seul élément résonant sous forme de disque. La Figure 5-1(a) schématise

une coupe de ce type de dispositif et la Figure 5-1(b) présente une photographie des deux

transducteurs fabriqués.

Structure d’un transducteur mono-élément classique

De façon générale, un transducteur mono-élément est constitué de quatre éléments

princi-paux :

Une lame d’adaptation acoustique en face avant. Cette lame permet d’adapter les

impédances acoustiques entre le matériau piézoélectrique et le milieu de propagation

(pour notre cas, de l’eau) afin d’améliorer la sensibilité du transducteur. En effet,

l’impédance acoustique du matériau piézoélectrique (𝑍

) se situe aux alentours

de 30 à 35 MRa alors que celle de l’eau (𝑍

) est de 1,5 MRa. Il y a donc une forte

rupture d’impédance acoustique qui empêche une bonne transmission de l’énergie vers

le milieu de propagation. Une solution consiste alors à intercaler une (ou plusieurs)

lame adaptatrice dont l’impédance est intermédiaire entre celle de l’eau et celle du

Figure 5-1 – (a) Schéma d’un transducteur mono-élément plan classique. (b) Photographie

des deux dispositifs mono-éléments conçus

matériau. Afin d’optimiser la transmission de l’énergie vers le milieu de propagation,

la lame adaptatrice doit alors avoir une épaisseur égale au quart de la longueur d’onde,

ainsi qu’une impédance acoustique 𝑍

vérifiant [DES78] :

𝑍

=^√︁

𝑍

𝑍

𝑎,𝑒𝑎𝑢

(5.1)

Un élément résonant. Constitué d’un matériau piézoélectrique, l’élément résonant

per-met de réaliser la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique. Dans le cas

du transducteur mono-élément plan présenté, l’énergie mécanique se manifeste sous

la forme d’une onde acoustique qui est générée en exploitant le mode épaisseur du

matériau.

Un milieu arrière (backing). Lorsqu’un signal acoustique est généré par l’élément

pié-zoélectrique, une partie des ondes se propage vers sa face avant et l’autre partie, vers

sa face arrière. Le backing, collé en face arrière, permet alors l’absorption des ondes

acoustiques qui se propagent vers le milieu arrière du transducteur. Il faut donc qu’il

soit constitué d’un matériau atténuant et que son impédance acoustique soit optimisée.

En effet, une impédance acoustique du backing trop faible ou trop élevée par rapport

à celle du matériau piézoélectrique impliquerait une réflexion importante des ondes à

l’interface. Ces ondes réfléchies se propageraient alors en face avant, vers le milieu de

propagation, et auraient pour conséquence d’augmenter la quantité d’énergie

trans-mise mais aussi d’augmenter la durée de la réponse impulsionnelle du transducteur. Au

contraire, une bonne adaptation se traduit par une transmission puis une atténuation

d’une grande partie des ondes dans le backing. Cela implique alors une augmentation

de la bande passante mais aussi une diminution de la sensibilité du transducteur : un

compromis doit donc être trouvé.

Un élément d’adaptation électrique. De même que pour l’impédance acoustique,

l’impédance électrique de l’élément piézoélectrique doit être adaptée à celle du

gé-nérateur d’excitation électrique afin d’optimiser le transfert d’énergie électrique au

matériau. Cette adaptation est souvent complexe à mettre en œuvre et dépend du

transducteur fabriqué.

Fabrication des transducteurs mono-éléments

Le boîtier du transducteur est fabriqué par impression 3D avec du PLA (acide

polylac-tique). Il faut noter que ni l’adaptation électrique ni l’adaptation acoustique ne sont réalisées

dans ces transducteurs. En effet, l’objectif est de comparer les performances des matériaux,

ainsi la mise en place d’une adaptation électrique et d’une adaptation acoustique ajouterait

des paramètres supplémentaires inutiles. En revanche, tant pour la tenue mécanique que pour

l’obtention de performances significatives, nous avons réalisé et intégré un backing.

Pour le transducteur avec le Pz26, les pastilles de céramiques commandées chez MEGGITT

font 0,5 mm d’épaisseur et 20 mm de diamètre. La vitesse de phase de l’onde pour le mode

épaisseur dans le Pz26 étant d’environ 4465 m/s, la fréquence centrale du transducteur sera

aux alentours de 4,5 MHz. Afin de pouvoir comparer les transducteurs, le critère principal

que l’on se fixe est que leurs fréquences centrales soient identiques. Par conséquent, afin

d’adapter les fréquences centrales, la vitesse de phase de l’onde pour le mode épaisseur étant

d’environ 5500 m/s pour le titanate de baryum dopé considéré, les céramiques sont amincies

à une épaisseur de 0,605 mm. Enfin, le choix du diamètre s’est fait en prenant en compte la

valeur de la constante diélectrique (1300 pour le Pz26 contre 1850 pour le BaTiO

dopé) des

deux matériaux afin de rapprocher au maximum leurs impédances électriques. Un diamètre

de 17,7 mm a été choisi pour le BaTiO

dopé.

Des fils de cuivre isolés sont utilisés pour la reprise de contact sur chaque électrodes de

l’élément piézoélectrique. Le backing est ensuite coulé à l’intérieur du boîtier, sur l’élément

piézoélectrique. Il est constitué d’une résine époxy chargée avec 20% volumique de poudre de

tungstène (environ 80% massique du backing). Le backing a alors théoriquement une masse

volumique de 4765 kg.m

. Le volume de matière (backing) est calculé au préalable afin

d’obtenir une épaisseur de 20 mm environ pour les deux transducteurs. Enfin, les fils de

cuivre sont reliés à un connecteur coaxial et le boîtier est scellé pour réaliser l’étanchéité du

dispositif.