CFA2006/27
Simulation Num´ erique du Fonctionnement en R´ eception d’un Hy- drophone Pi´ ezo-´ electrique ` a PVDF
W. Djerir, T. Boutkedjirt et H. Djelouah
Universit´e des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, Facult´e de Physique, Equipe de Recherche Physique des Ultrasons, BP 32, El-Alia, Bab-Ezzouar, DZ-16111 Alger, Algeria
djelouah [email protected]
Pour une utilisation correcte des transducteurs ultrasonores aussi bien dans les applications m´edicales que dans le contrˆole non destructif, une caract´erisation pr´ealable des champs ultrasonores rayonn´es par ces derniers est n´ecessaire. Afin d’effectuer une telle caract´erisation, diff´erentes techniques ont ´et´e d´evelopp´ees. N´eanmoins, la m´ethode la plus courante demeure l’utilisation d’un hydrophone pi´ezo´electrique comme r´ecepteur.
Parmi les types d’hydrophones utilis´es, l’hydrophone `a membrane en PVDF (polyvinylidene fluoride) est le plus recommand´e par les institutions de m´etrologie ultrasonore en raison de ses propri´et´es de transmission remarquables. En effet, ce dernier est caract´eris´e par une imp´edance acoustique caract´eristique proche de celle de l’eau qui est, le plus souvent, utilis´ee comme milieu de propagation. De plus, sa sensibilit´e pr´esente de faibles variations sur une large gamme de fr´equences.
Afin d’effectuer des mesures de champs ultrasonores avec une bonne r´esolution aussi bien axiale que lat´erale, des fr´equences de travail de plus en plus ´elev´ees sont actuellement utilis´ees. Ceci a ´et´e facilit´e, d’une part, par la possibilit´e de fabrication de transducteurs `a plus grande largeur de bande et, d’autre part, par les progr`es r´ealis´es dans l’´electronique qui ont permis d’exciter ces transducteurs par des impulsions plus br`eves (de l’ordre de la ns). Cependant, dans le cas o`u le champ acoustique rayonn´e est mesur´e `a l’aide d’un hydrophone, le signal ´electrique d´elivr´e par ce dernier est, le plus souvent, affect´e par ses caract´eristiques de transmission spatio-temporelles.
Dans cette ´etude, nous nous int´eressons uniquement aux propri´et´es de transmission temporelles de l’hydrophone.
Ces derni`eres sont obtenues en d´eterminant sa r´eponse impulsionnelle dans le domaine temporel ou sa fonction de transfert dans le domaine fr´equentiel.
Dans ce but, nous utilisons un mod`ele unidimensionnel pour d´ecrire le fonctionnement d’un hydrophone immerg´e dans l’eau et recevant une onde de pression sur sa face. L’hydrophone ´etant constitu´e d’une membrane en polym`ere (PVDF) sur laquelle sont d´epos´ees des ´electrodes m´etalliques (Au), chacune de ces couches sera caract´eris´ee par une matrice de transfert reliant les grandeurs acoustiques (pression et vitesse de vibration) d’entr´ee aux grandeurs de sortie. La couche pi´ezo´electrique pr´esente, en plus, une sortie ´electrique (tension, courant). Il est `a noter que, dans ce mod`ele, la d´ependance fr´equentielle de certains param`etres caract´eristiques du mat´eriau pi´ezo´electrique (constante di´electrique, att´enuation,..) `a ´et´e consid´er´ee.
Les relations obtenues permettent de d´eterminer la fonction de transfert de l’hydrophone en r´eception et en circuit ouvert. Le calcul de son imp´edance ´electrique, par l’utilisation du mod`ele de Mason, permet de d´eduire sa fonction de transfert pour une charge ´electrique donn´ee. A l’aide d’une transform´ee de Fourier inverse, on peut alors d´eduire la r´eponse impulsionnelle temporelle correspondante. L’´etude pr´esent´ee permet, d’une part, de connaˆıtre l’effet de chacun des param`etres de l’hydrophone sur sa fonction de transfert temporelle en r´eception. D’autre part, elle permet de d´econvoluer les effets li´es `a cette fonction afin de reconstituer le champ de pression ultrasonore re¸cu.
Mots-cl´e: PVDF - hydrophone - impulsionnelle - fonction de transfert Th`eme: Acoustique Physique, Sous-marine et Ultra-Sonore
