<Desc/Clms Page number 1>
TRANSDUCTEUR ULTRA-SONORE. EMETTEUR DE FAIBLE SECTION DE SORTIE,
ET SOURCE DON FAISCEAU PEU. DIVERGENT.
La présente invention est relative aux dispositifs destinés à transmettre des ondes élastiques,et notamment des ondes ultra-sonores, d'un appareil émetteur à un corps à examiner ou à traiter par ces ondes.
Ces dispositifs sont appelés ordinairement "transducteurs" ul- tra-sonores et l'invention est plus particulièrement relative aux trans- ducteurs ultra-sonores constitués d'une enceinte étanche remplie d'un li- quide conduisant bien les ondes élastiques, ce liquide étant en contact d' une part avec le dispositif émetteur de ces ondes (un cristal piézoélectrique par exemple) d'autre part, avec la surface de contact de l'enceinte avec le milieu à traiter ou à ausculter.
Un exemple particulier de réalisation de ces transducteurs ultra- sonores a été décrit dans le brevet belge n 466.988 du 31 Juillet 1946 pour "Palpeur pour examen ou traitement par ondes élastiques de corps solides" et relatif à des palpeurs "turgesents".
Les transducteurs ultra-sonores réalisés sous forme de palpeurs turgescents fonctionnent généralement bien et sont d'un emploi courant.
Il existe cependant des cas d'application pratique où les palpeurs turgescents tels que décrits dans le brevet belge, cité ci-dessus sont d'un emploi difficile sinon impossible, cela étant du notamment à leur trop grand encombrement. '
En effet, les transducteurs ultra-sonores réalisés à l'heure ac- tuelle sous forme de palpeurs turgescents sont formés en principe d'un corps creux généralement cylindrique,rempli d'un liquide conduisant bien les on- des ultra-sonores, et dont les deux bases sont respectivement constituées d' un élément capable d'émettre des ondes ultra-sonores (cristal de quartz pié-
<Desc/Clms Page number 2>
zoélectrique et d'une paroi souple,
capable de gonfler sous l'action de la pression du liquide de remplissage et de s'appliquer parfaitement sur toute portion de surface d'un corps à examiner ou à traiter, sans qu'il y ait d'in= tervalle d'air entre les deux surfaces en contact. Pour des raisons de direc- tivité, c'est-à-dire de concentration des ondes ultra-sonores en un faisceau relativement étroit dans une direction déterminée, et compte tenu de la lon- gueur des ondes émises,on est amené à utiliser un matériau émetteur de surfa- ce relativement grande,donc une pièce cylindrique de diamètre important; il en résulte un transducteur d'encombrement total appréciable et ayant une section de sortie assez grande.
La Société demanderesse réalise par exemple des transducteurs ultra-,sonores dans lesquels le diamètre du quartz émet- teur est de 20 mm, le diamètre extérieur du tube cylindrique étant de 40 mm; si on tient compte de la surface perdue pour la fixation du quartz, on ob- tient ainsi une directivité suivant l'axe du tube égale à la directivité théo- rique d'une surface vibrante de 15 mm de diamètre.
Dans ces conditions, on conçoit aisément.qu'un transducteur ultra- sonore ayant de telles dimensions ne peut s'employer dans tous les cas d'appli- cation pratique; il est notamment inutilisable lorsqu'il s'agit d'explorer ou de traiter un corps dont la surface ou une partie de celle-ci est diffi- cilement accessiblecomme par exemple un corps comportant des encoches rec- tangulaires ou trapézoidales dont une des dimensions de la section d'entrée est petite, inférieure, dans le cas envisagé, à 40 mm.
La solution qui, dans ce cas, se présente immédiatement à l'esprit est d'utiliser'un transducteur d'encombrement réduit pouvant être introduit dans les encoches de façon à réaliser un contact parfait entre le fond de ces encoches et la paroi souple du transducteur; cela conduit à l'emploi d' un quartz piézoélectrique de diamètre réduit auquel correspond une surface vi- brante équivalente très petite : il en résulte que, pour des tensions d'exci- tation et des puissances convenables, l'intensité des rayonnements émis sera très faible. De plus, la réduction du diamètre de la surface vibrante con- duit, toute autre chose égale, à une diminution notable de la directivité.
Une autre solution qui peut être envisagé consiste à utiliser, avec un cristal de quartz de dimension normale, 20 mm de diamètre par exem- ple, une pièce creuse en forme de tronc de cône au lieu de la pièce cylindri- que usuellement employée, l'axe du tronc de cône étant confondu avec celui du cristal, la poite base du cône, opposée au quartz, ayant un diamètre suffi- samment petit pour que le transducteur ainsi réalisé puisse être introduit en des endroits difficilement accessibles, comme par exemple, dans une encoche à faible section d'entrée.
On obtient ainsi un rayonnement d'intensité convenable pour une tension d'excitation et une puissance admissibles.
Cependant, des essais effectués sur des transducteurs ultra sono- res réalisés de la sorte montrent que, bien que les ondes émises par le cris- tal soient concentrées sur une petite surface à' l'extrémité opposée du tronc de cônel'énergie émise diverge fortement à la sortie de celui-ci; dans un plan parallèle au cristal émetteur, autour d'une zone centrale de grande é- nergie transmise, il y a, au delà d'une zone de plus faible intensité, une couronne circulaire de grande énergie dont la position et l'intensité sont différentes de celles correspondant au premier anneau de diffraction pré- vu par la théorie d'Huyghens.
Ceci provient de ce que la partie de l'onde ultra-sonore prove- nant de la périphérie du quartz piézoélectrique se réfléchit. sur les parois du cône et sort de celui-ci en faisant avec son axe un angle calculable par les lois générales de la réflexion en optique géométrique.
La présente invention a pour objet un transducteur émetteur d'ondes ultra-sonores caractérisé par le fait qu'il est peu encombrant à l'endroit du contact avec le corps à traiter ou à ausculter et possède une faible section de sortie, tout en n'ayant pas les inconvénients signalés ci-dessus du trans- ducteur à faible surface émettrice ou du transducteur en forme de cône con-
<Desc/Clms Page number 3>
vergento
Plus particulièrement l'invention est relative à un perfectionne- ment aux transducteurs ultra-sonores émetteurs à milieu de liaison liquide, tels que, par exemple, les palpeurs turgescents décrits dans le brevet bel- ge n 466.988,
du 31 Juillet 1946 et qui consiste en ce que l'enceinte ren- fermant le liquide destiné à conduire les ondes ultra-sonores du dispositif émetteur de ces ondes à un corps à examiner ou à traiter par les dites on- des, est constituée de deux troncs de cône creux, opposés par leur petite base, les deux bases du double tronc de cône convergent divergent ainsi cons- titué étant de sections différentes, le dispositif émetteur des ondes ultra- sonores étant disposé normalement à l'axe du double tronc de cône et du côté de sa grande base, la petite base du double tronc de cône, fermée par une pa- roi souple, constituant la section de sortie des ondes ultra-sonores hors du transducteur.
L'invention sera mieux comprise par l'examen des figures des des- sins annexés qui représentent respectivement :
Figure 1, une réalisation schématique de transducteur ultra-sonore tel que décrit dans le brevet belge n 466.988, du 31 Juillet 1946.
Figure la, la courbe de directivité du transducteur représenté sur la figure 1, courbe qui sera définie ci-dessous.,
Figures 2 et 2a, un transducteur ultra-sonore semblable à celui de la figure 1 mais de section de sortie nettement plus faible, et sa courbe de directivité.
Figures 3 et 3a, un transducteur ultra-sonore en forme de cône convergent et sa courbe de directivitéo
Figures 4 et 4a, un transducteur ultra-sonore suivant l'invention, dont le profil intérieur est en forme de double tronc de cône convergent-di- vergent, et sa courbe de directivitéo
Figure 5, un exemple non limitatif de l'emploi du transducteur ultra-sonore réalisé suivant l'invention.
Figure 6, un autre mode de réalisation de l'invention.
Sur les figures 1 à 4, on a désigné par C le cristal de quartz é- metteur d'ondes ultra-sonores, par E l'enceinte constituant le corps du trans- ducteur et contenant le liquide de remplissage bon conducteur des ondes ul- tra-sonores, et par P la paroi souple, en caoutchouc par exemple, destinée à établir un contact parfait entre le transducteur et le corps à examiner ou à traiter par les ondes ultra-sonoreso
Les transducteurs représentés sur les figures 1 à 4, ont été utili- sés pour émettre des ondes ultra-sonores et les différentes courbes de direc- tivité ont été obtenues de la façon suivante :le transducteur-émetteur et un récepteur d'ondes ultra-sonores ont été disposés dans un milieu condui- sant bien les ultra-sons (eau par exemple), à une distance convenable l'un de l'autre;
le récepteur, préalablement centré exactement dans l'axe de l'é- metteur, a été déplacé le long d'une droite contenue dans un plan perpendi- culaire à cet axe, et à chacune de ses positions sur cette droite, le récep- teur a été orienté avec précision vers l'émetteur; on a porté ensuite en or- donnée sur les diagrammes des figures la à 4a, les déviations d'un appareil mesurant l'énergie transmise au récepteur en fonction de la distance du ré- cepteur à l'axe de l'émetteur, cette distance étant mesurée dans le plan nor- mal à l'axe et portée en abcisse.
Les échelles utilisées sont les mêmes, tant en abcisse qu'en or- donnée, pour les figures la à 4a et toutes les mesures ont été effectuées avec une même tension d'excitation du quartz émetteur.
Enfin, la section du quartz émetteur est la même pour les trans- ducteurs des figures 1, 3 et 4 tandis que la section de sortie des ondes ul-
<Desc/Clms Page number 4>
tra-sonores hors du transducteur est la même pour les transducteurs des fi- gures 2, 3 et 4.
La simple considération des figures montre clairement l'avantage du transducteur représenté sur la figure 4, tant au point de vue directivité qu'au point de vue intensité du rayonnement émis, par rapport aux transduc- teurs représentés sur les figures 2 et 30
Cet avantage s'explique d'ailleurs facilement : dans le cas de la figure 2, la faible section du cristal émetteur conduit naturellement à une sensibilité moindre de ce cristal et à un éloignement des premier et second maxima latéraux prévus par'la théorie de Huyghens, par rapport à l'axe du transducteur, tandis que la directivité moins bonne du transducteur repré- senté sur la figure 3 provient du trajet suivi par la partie de:l'onde émise par la périphérie du cristàl;
on a d'ailleurs représenté, en traits mixtes, les trajets suivis par différentes parties de 1'onde. émise dans le cas des fi- gures 3 et 4 et la meilleure directivité du transducteur suivant l'invention y apparaît nettement.
La figure 5, donnée à titre d'exemple, montre un cas d'applica- tion pratique du transducteur réalisé suivant l'invention, cas ou le transduc- teur représenté sur la figure 1 est inutilisable T désigne un corps métallique à ausculter par les ondes ultra-sonores et qui est muni d'une encoche L dont la largeur est plus petite que le diamètre du transducteur représenté sur la figure 1, mais de grandeur telle que l'on peut y introduire le transducteur suivant l'invention : il est clair que dans ce cas ce 'dernier peut seul être utilisé si l'on veut réaliser un contact parfait entre le fond de l'encoche et la paroi souple du transducteur ultra-sonore.
On a jusqu'à présent décrit une nouvelle forme de réalisation de transducteur-émetteur d'ondes ultra-sonores présentant une petite surface de contact avec les corps à examiner ou à traiter par des ondes ultra-sonores.; on a également fait ressortir les avantages de ces transducteurs sur d'au- tres types de transducteurs, avantages consistant notamment en une bonne di- rectivité des ondes sortant du transducteur et une forte intensité de rayon- nement émis dans des, conditions normales d'utilisation. Il est possible d'ob- tenir les mêmes résultats en utilisant un transducteur ultra-sonore d'une au- tre forme et notamment, suivant une seconde caractéristique de l'invention, un transducteur de profil intérieur biparablolïdique.
Suivant cette caractéristique de l'invention, le transducteur ul- tra-sonore émetteur à milieu de liaison liquide, est constitué de deux para- boloides de révolution creux, de même axe et de même foyer, limités par des sections perpendiculaires au dit axe, les paramètres principaux et les lon- gueurs axiales des deux paraboloides étant tels que les dites sections sont de grandeurs différentes, les deux paraboloides étant raccordés à leur sommet par un manchon cylindrique., le dispositif émetteur d'ondes ultra-sonores é- tant disposé normalement à l'axe commun aux deux paraboloides et au niveau de la plus grande des sections limites, la plus petite de ces sections étant fer- mée par une paroi souple et constituant la section de sortie des ondes ul- tra-sonores hors du transducteur.
La figure 6 des dessins annexés représenté une coupe schématique par un plan contenant l'axe commun d'un transducteur ultra-sonore émetteur réalisé, suivant l'invention, sous la forme de deux paraboloides coaxiaux et de même foyer. On a désigné, respectivement par C, E et P le cristal piézo- électrique émetteur d'ondes ultra-sonores, l'enceinte du transducteur destinée à contenir le liquide conducteur de ces ondes et la paroi souple devant s'ap- pliquer sur la surface des corps à examiner ou à traiter par les dites ondes;
on a de plus indiqué en M le manchon de raccordement des deux parabloïdes Pl et P2 constituant l'enceinte Eo
On conçoit aisément que l'on puisse obtenir au moyen du transduc- teur réalisé de la sorte une directivité des ondes émises optimum suivant 1' axe du transducteur, tout en ayant une section de sortie et un encombrement très faibles : en effet, toutes les ondes ultra-sonores émises normalement au
<Desc/Clms Page number 5>
cristal de quartz C sont concentrées au foyer du premier paraboloide; ce foyer étant aussi celui du second paraboloïde, les ondes ultra-sonores sor- tiront finalement du transducteur parallèlement à l'axe de ce dernier.
Quant à la section de sortie du transducteur, on peut la choisir aussi faible que l'on veut en adoptant des valeurs convenables pour les paramètres princi- paux et les longueurs axiales des deux paraboloïdes, ou ce qui revient au même, des deux paraboles obtenues par la coupe des paraboloides par un plan passant par leur axe commun.
L'équation d'une parabole rapportée à son axe et à sa tangente au sommet étant Y2 = 2 px, où p représente le paramètre principal; on peut par exemple obtenir une section de sortie de diamètre égal à la moitié du diamè- tre utile du quartz émetteur en adoptant des paramètres principaux pl p2 ete des longueurs axiales Ll L2 satisfaisant à la relation piLi = 4, l'indice 1 p2L2 se rapportant à la parabole P1, l'indice 2 à la parabole P2; on pourra par ' exemple adopter P2 Pl et L2 Ll - 2 - 2 On peut ainsi réduire l'encombrement du transducteur de façon à en permettre l'emploi dans les cas d'application envisagés ci-dessus pour le transducteur en forme de double cône.