Génération et propagation ultrasonore appliquée au CND

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Plan du chapitre 3 - "Traducteurs ultrasonores" :

3 - Traducteurs ultrasonores 3.1 - Le phénomène piézoélectrique 3.1a - Propriétés de céramiques piézoélectrique 3.1b - Le couplage électromécanique 3.2 - Génération des ondes ultrasonores 3.2a - Traducteur ultrasonore 3.2b - Modélisation d'un transducteur à ultrasons 3.3 - Matériaux piézocomposites	3.4 - Caractéristiques du rayonnement des traducteurs à ultrasons 3.4a - Traducteurs plans 3.4b - Traducteurs focalisés 3.5 - Traducteurs multiéléments 3.5a - Balayage électronique par commutation 3.5b - Balayage sectoriel et volumique 3.5c - Retournement temporel


3.3 - Matériaux composites


$\begin{figure}\centering %% \input{figs/sch_pzcomp.eepic} \end{figure}$
Figure 6 : Paramètres d'un matériau piézocomposite 1-3.

$\includegraphics[width=0.45\textwidth]{figs/caract_transd_piezo_smith.eps}$
Figure 7 : Caractéristiques d'un transducteur en piézocomposite 1-3, en fonction de la fraction volumique de céramique.
Paramètres homogénéisés : $\bar{Z}$ impédance acoustique ; $\bar{v_L}$ la vitesse longitudinale ; $\bar{k_t}$ coefficient de couplage du mode d'épaisseur. Extrait de [10].
Le matériau de base servant à la fabrication d'un piézocomposite est une céramique de type PZT. Dans un premier temps une plaque de céramique est découpée suivant l'épaisseur dans deux directions de façon à réaliser un réseau de barreaux. Un trait de découpe de largeur constante sera appliqué suivant un pas comme illustré sur la figure 6. L'ensemble est ensuite moulé dans une résine du type époxy.
Les courbes représentées figure 7 montrent les caractéristiques acoustiques homogénéisées du piézocomposite en fonction de la fraction volumique de céramique, comme $\bar{v_L}$ et $\bar{Z}$ . On peut remarquer que le couplage électroacoustique homogénéisé $\bar{k_t}$ a tendance à s'approcher du $k_{33}$ caractéristique de la céramique pure. La structure piézocomposite vise d'une certaine façon à imiter la résonance d'un barreau de largeur finie caractérisé par le coefficient de couplage électromécanique $k_{33}$ (défini figure 2), en particulier si la résine d'imprégnation est souple [10].
Notons que la simple fraction volumique de céramique ne peut être seule représentative de tous les phénomènes de vibration d'un piézocomposite. Aussi plusieurs auteurs ont utilisé des modèles éléments finis pour analyser la structure du piézocomposite en faisant varier la forme des barreaux de céramique [11,12] ; on définit donc le rapport largeur sur hauteur. Si la largeur est négligeable devant sa hauteur, on favorise nettement le mode barreau. On préconise donc un ratio inférieur à pour assurer que ceux-ci sont assez fins pour résonner suivant leur hauteur, c'est-à-dire selon l'épaisseur du transducteur.
Ce type de structure a une impédance acoustique moins élevée qu'une structure à céramique «pure». Elle est donc souvent utilisée dans le domaine médical, ou encore en CND pour des traducteurs immersion. Dans ces cas, la rupture d'impédance acoustique n'est pas trop élevée par rapport aux 1.5MRayls de l'eau.

3.4 - Caractéristiques du rayonnement des traducteurs à ultrasons
	Bas
3.4a - Traducteurs plans
Le rayonnement d'un traducteur ultrasonore est provoqué par la vibration d'un transducteur qui va entraîner un champ de déplacement dans le milieu de propagation. Dans le cas d'une description de champ acoustique en régime harmonique, nous pouvons aussi l'exprimer par le potentiel acoustique scalaire. Comme on peut le voir sur la figure 8, on distinguera alors plusieurs zones où le champ aura des caractéristique particulières : - Le champ proche ou zone de Fresnel où on trouve beaucoup d'interférences générant des minima et des maxima locaux. - Le champ lointain ou zone de Fraunhöffer où on a une décroissance d'amplitude régulière et un faisceau divergent.

$\begin{figure}\centering %% \input{figs/sch_fresnel_fraunh.eepic} \end{figure}$
Figure 8 : Schématisation du principe de champ proche.
Pour un traducteur plan circulaire fonctionnant en mode piston dans un fluide, la distance de champ proche est donnée par
$\displaystyle L=\frac{a^2}{\lambda},$	(30)

où le rayon de l'émetteur et $\lambda$ la longueur d'onde dans le fluide. En champ lointain, la divergence du faisceau est donnée par
$\displaystyle \theta=1.22 \frac{\lambda}{2a}.$	(31)
Notons que le maximum global du champ est théoriquement atteint à la distance de champ proche . Le contrôle ultrasonore se fait autour de cette distance ou au début de la zone de Fraunhöffer en ce qui concerne les traducteurs monoéléments.

3.4b - Traducteurs focalisés
La focalisation d'un faisceau ultrasonore permet de concentrer l'énergie générée en une zone précise. Ainsi, on peut obtenir des faisceaux plus étroits de façon à améliorer la précision spatiale et le rapport signal sur bruit. Comme en optique, on peut ajouter à l'avant d'un traducteur plan une lentille. Pour obtenir un faisceau convergent, on utilise une lentille de surface sphérique, où la distance focale est déterminée par :
$\displaystyle F=R\frac{n}{n-1},$	(32)
où le rayon de courbure de la lentille et l'indice de réfraction entre la lentille et le milieu de propagation qui est généralement de l'eau. Cependant une lentille acoustique peut présenter des inhomogénéités. Une forte atténuation crée aussi une apodisation indésirable sur la surface du traducteur, aux endroits où la lentille est plus épaisse.
$\begin{figure}\centering %% \input{figs/sch_trad_lentille_misenforme.eepic} \end{figure}$
Figure 9 : Traducteur à lentille et avec transducteur mis en forme.
Une alternative à la focalisation des traducteurs ultrasonores peut être envisagée par la mise en forme d'un transducteur. Cette mise en forme peut être réalisée avec la technologie piézocomposite 1-3 en utilisant la flexibilité de la résine d'imprégnation avant réticulation. Ce type d'émetteur utilise une relativement grande surface par rapport à la longueur d'onde. La mise en forme permet donc aux ondes émises par chaque partie infinitésimale de la surface émettrice d'être en phase à son arrivée au point de focalisation. Les motifs de mise en forme peuvent donc varier suivant l'application visée. Pour focaliser dans un milieu homogène ou à travers une interface plane sans incidence, on utilise des mises en forme sphériques, où le point de focalisation est au niveau du centre de la sphère dans laquelle s'inscrit la surface du traducteur. Certaines applications en CND utilisent des mises en formes bifocales³ pour l'inspection de pièces cylindriques. On peut aussi utiliser une mise en forme en surface de Fermat. Ce type de surface est issue d'une équation de conservation de la phase entre la surface émettrice et le point de focalisation, prenant en compte les déphasages induits par les interfaces présentes dans le milieu de propagation [13].

	Haut
3 - Bifocales : Ce type de mise en forme utilise deux rayons de courbure différents suivant le plan d'incidence et suivant le plan perpendiculaire.

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