ÉTUDE DES CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES CIRCULAIRES EN RÉGIME IMPULSIONNEL PAR SONDE INTERFÉROMETRIQUE

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Submitted on 1 Jan 1990

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ÉTUDE DES CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES CIRCULAIRES EN RÉGIME IMPULSIONNEL PAR

SONDE INTERFÉROMETRIQUE

X. Jia, J. Berger, G. Quentin

To cite this version:

X. Jia, J. Berger, G. Quentin. ÉTUDE DES CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES CIRCULAIRES EN RÉGIME IMPULSIONNEL PAR SONDE INTERFÉROMETRIQUE. Journal de Physique Col- loques, 1990, 51 (C2), pp.C2-567-C2-570. �10.1051/jphyscol:19902133�. �jpa-00230428�

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplément au n°2, Tome 51, Février 1990 1er Congrès Français d'Acoustique 1990

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ÉTUDE DES CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES CIRCULAIRES EN RÉGIME IMPULSIONNEL PAR SONDE INTERFÉROMÉTRIQUE

X . J I A , J . BERGER e t G. QUENTIN

G r o u p e de Physique des Solides, Université Paris 7, Tour 23, 2 Place Jussleu, F-75251 Paris Cedex 05, France

Résumé - Les modes de vibration des céramiques piézoélectriques circulaires excités par une impulsion électrique sont étudiés grâce à une sonde hétérodyne interférométrique. En plus des vibrations en épaisseur, nous observons très clairement une onde en provenance du bord se propageant radialement vers le centre de la céramique. Pour une céramique épaisse cette onde a les caractéristiques d'une onde de surface (de type Rayleigh); pour une céramique mince, il s'agit d'une onde de plaque.

Les effets du rayonnement de ces ondes ne sont pas pris en compte dans le cadre du modèle du piston. Les résultats obtenus montrent que la détection optique permet de mieux comprendre les différents modes de vibration.

Abstract - A heterodyne interferometric probe is used to study the modes of vibration of circular piezoelectric plates excited by an electric pulse. In addition to the classical thickness vibrations one wave propagating radially from the edge towards the center of the plate has been observed experimentally.On thick plates this wave exhibits the characteristics of a surface wave (Rayleigh type); on thin plates, it is a plate wave. The ultrasonic field radiated by these waves is not explained by the piston model. Our experimental results show that the optical probe is quite helpful in identifying the various modes of vibration.

1 - Introduction

L'utilisation des transducteurs en régime impulsionnel permet en temps réel de recueillir un grand nombre d'informations concernant le milieu de propagation (CND, imagerie acoustique...). Le champ ultrasonore rayonné du transducteur est déterminé par ses modes de vibration dont la nature peut être caractérisée par différentes méthodes. Indirectement, l'exploration du champ ultrasonore rayonné permet grâce à une procédure de transformée de Fourier à 2D de reconstituer les vibrations de surface du transducteur/1,2/. La sonde hétérodyne interférométrique permet de mesurer directement les déplacements de la surface dont la cartographie a été obtenue en régime impulsionnel/3/. L'objet de ce travail est l'étude par cette méthode interférométrique des différents modes de vibration des céramiques piézoélectriques circulaires épaisses et minces. Nous présentons ici les résultats expérimentaux en nous limitant à l'étude des ondes en provenance du bord, dont le rayonnement dans l'eau n'est pas pris en compte dans le modèle du piston.

2 - Dispositif expérimental

Le schéma du dispositif expérimental est réprésenté sur la figure 1. La céramique piézoélectrique est excitée par une impulsion électrique d'amplitude 100V et de durée 600ns.

Les vibrations de la surface ont été détectées avec une sonde laser hétérodyne. Cette sonde optique, associée à une détection électronique à large bande /3/, permet de mesurer des

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902133

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déplacements mécaniques normaux à la surface avec une sensibilité de 10-4&% (soit 0,5A pour une bande passante 30MHz.). Les signaux sont numérisés et moyennés par un oscilloscope digital et enregistrés sur une table traçante.

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Les caractéristiques acoustiques d'une céramique piézoélectrique (PZT) de diamètre 40mm et d'épaisseur 20mm ont été déterminées à l'aide d'une mesure des vitesses des ondes longitudinales et transversales par la méthode des échos. Ces mesures font apparaître l'anisotropie du matériau: parallèlement à l'axe du disque se propagent une onde longitudinale à 4150mls et une onde transversale à 1700m/s; perpendiculairement on observe une longitudinale à 3 7 5 W s et deux transversales, respectivement à 1 7 W s et 2125ds.

Les figures 2a et 2b représentent respectivement le déplacement au centre de la surface d'une céramique de 20mm d'épaisseur détecté avec la sonde optique et la différence de potentiel électrique relevée entre les électrodes. La comparaison des deux enregistrements permet de reconnaître les vibrations émises par la face avant et la face amère de la céramique ainsi que leurs réflexions multiples.On reconnaît sur la figure 2a une onde supplémentaire R parvenant au centre 1 0 ~ s après l'impulsion initiale. Une onde similaire a été aussi observée sur une céramique de diamètre 25mm, d'épaisseur 20mm. Cette onde présente les caractéristiques d'une onde de surface en provenance du bord du disque. La vitesse de propagation mesurée VR=1975rn/s est en bon accord avec la vitesse de Rayleigh obtenue par la méthode de rétrodiffusion dans l'eau V~=2000m/~./4/. En dehors du centre on observe deux signaux provenant à des temps .différents des bords opposés. L'amplitude de l'onde R diminue considérablement lorsque la surface du disque est recouverte d'un matériau absorbant. D'autre part les effets de rayonnement de céramiques piézoélectriques similaires, étudiés par visualisation Schlieren et par mesure du champ ultrasonore avec un hydrophone/5,6/, ont montré l'existence "d'ondes de tête" rayonnées par des ondes radiales longitudinales et transversales et de surface provenant du bord de la céramique. L'origine physique de ces ondes se propageant radialement, non prévues dans le modèle du piston, n'est pas clairement établie.

Dans le cas d'une céramique piézoélectrique de diamètre 40mm, d'épaisseur l m , les figures 3a et 3b illustrent respectivement le déplacement au centre de la surface du disque et la tension électrique entre les électrodes. Comme dans le cas d'une céramique épaisse on peut reconnaître les vibrations en épaisseur (f=2MHz). En plus des vibrations en épaisseur la figure 3b montre l'existence du mode de vibration radial de la céramique et de ses échos pour lequel le déplacement parallèle à la surface du disque n'est pas détectable par la sonde optique (figure 3a). Cependant nous observons sur la figure 3a des impulsions supplémentaires se propageant radialement à la surface de la céramique. La dispersion de l'onde acoustique correspondante montre que les basses fréquences arrivent plus vite que les hautes fréquences. Ce type de dispersion, où la vitesse décroît avec la fréquence, est caractéristique du mode de Lamb So observé à basse fréquence sur une plaque isotrope 171. Pour une fréquence instantanée de l'ordre de 475kHz la vitesse de groupe mesurée est 3500mls. Sous réserve de justifier ceci par calcul théorique des modes de plaque dans une telle céramique, nous pensons que cette onde correspond à un mode de type Lamb symétrique. Ce mode n'interfère pas avec les vibrations radiales de la céramique.

4 - Conclusion

La détection hétérodyne interférométrique apparaît comme un moyen efficace pour l'étude des céramiques piézoélectriques en régime impulsionnel. Outre les modes de vibration en épaisseur et radiaux, nous avons pu reconnaître l'existence d'ondes en provenance du bord de

type Rayleigh à la surface d' une céramique épaisse, et que nous penson pouvoir attribuer à un mode de plaque de type Lamb symètrique dans le cas d'une céramique mince. Une étude théorique est en cours pour mieux identifier ces deux ondes acoustiques.

5 - Remerciments

Nous tenons à remercier les Professeurs E. Dieulesaint et D. Royer qui nous ont prèté la sonde interférométrique pour les expériences préliminaires.

Références

111 Higgins, F.P., Norton, S.J. et Linzer, M., J. Acoust. Soc. Am., @ (1980) 1169 121 Schafer, M.E. et Lewin, P.A., J. Acoust. Soc. Am., 85 (1989) 2202

131 Royer, D. et Dieulesaint, E., IEEE Ultrason. Symp. Proc. (1986) 527

141 de Billy, M., Quentin, G., Bolland, K. et Adler, L., Acustica, (1986) 169 151 Hayman, A. J. at Weight, J.P., J. Acoust. Soc. Am.,

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161 Baboux, J.C. Thèse d'Etat, INSA Lyon (1987)

/7/ Victorov I.A., Rayleigh and Lamb Waves, Plenum Press (1967)

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OSCILLOSCOPE DIGITAL

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TRAÇANTE

CERAMIQUE

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PIEZOELECTRIQUE

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Fig. 1 Détection du mode de vibration d' une céramique piézoélectrique par une sonde hétérodyne interférométrique.

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Fig. 2 Déplacement mesuré par la sonde optique au centre d'une céramique de diamètre 40mm, d'épaisseur 2ûmm (a) et la différence de potentiel relevée entre les électrodes (b).

Fig. 3 Déplacement détecté au centre d'une céramique de diamètre 40rnm, d'épaisseur lrnrn (a) et la tension électrique relevée entre les électrodes

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