Ce carnet de bord recense les actions menées au laboratoire SATIE (ENS Cachan). Nous essayons de fabriquer un prototype de sonde échographique rotative mécanique.
Site du laboratoire SATIE
L'équipe qui participe à la construction du transducteur echOpen est composée de trois membres du laboratoire Satie.

  • Vincent L., conception, transducteurs.
  • Gérard C., électronique.
  • Patrice V., mécanique.

Contents

Année 2015

Jeudi 5 Février

Présence de Vincent, Patrice et Gérard.

Caractéristiques techniques du transducteur

Piézoélectrique concave pour focaliser l'onde acoustique.
Distance focale imposée par le constructeur.

Méthode de focalisation des ondes ultrasonores
Méthode de focalisation des ondes ultrasonores



Fréquences utiles des piézoélectriques: 3.5MHz, 5MHz et 7.5MHz.
Impulsions : ~1µs.

Propriétés acoustiques

Impédance acoustique du backing : Zb = [4;5] MRayl (choisir plutôt 4 MRayl).
Impédance acoustique du piézoélectrique : Zp = 33 MRayl.
Impédance acoustique du milieu extérieur (~eau) : Ze = 1.5 MRayl.
Impédance acoustique de la couche adaptatrice d'impédance : Za = (Zp*(Ze^2))^(1/3) donc Za = 4.2 MRayl.

Propriétés géométriques

Diamètre du piézoélectrique : [10;20] mm (choisir plutôt 20 mm).
Épaisseur du piézoélectrique : ~ 2mm.
Longueur du backing : [20;30] mm.

Circuit électronique

Schéma de principe :

Schéma de principe d'une sonde échographique à un transducteur mono-élément
Schéma de principe d'une sonde échographique à un transducteur mono-élément


Caractéristiques techniques

On décompose la partie électronique en 4.

  • Amplificateur à base de MOS (passer de 10V à 100V, tension d'alimentation du piézoélectrique).
  • Switch (pont de diode) pour l'émission/réception avec protection du circuit en cas de surtension (cf circuit TX810).
  • Amplificateur à la réception puisque le signal d'écho est de l'ordre du volt voir du millivolt. (idée d'utiliser un système d’écrêtage).
  • Module de transfert des données, via un port usb par exemple ou des ondes wifi. Nécessité d'une interface style Raspberry.

Objectifs

Expériences

Pas d'expériences réalisées lors de cette première séance.
Patrice va fabriquer un moule en téflon pour réaliser des prototypes de backing.
Ensuite on étudiera expérimentalement le backing pour l'optimiser.

Problèmes rencontrés

Théorie concernant le mélange à réaliser pour avoir un backing optimal.
Besoin d'un point de départ pour réaliser des expériences de backing (tranches fines pour étudier la propagation et l'atténuation des ondes acoustiques dans ce milieu).

Bibliographie et ressources annexes

Quelques articles, rapports et thèses intéressants:


Sites web :


Jeudi 12 Février

Présence de Vincent.

Problème du backing résolu

On sait comment faire le backing grâce à ce document : High_frequency_properties_of_passive_materials_for_ultrasonic_transducers
On se restreint à 5-7% de tungstène (en fraction volumique) dans le mélange époxy-tungstène. On trouve cette valeur en regardant le graphe de l'impédance acoustique en fonction de la fraction volumique de tungstène. On sait que l'impédance acoustique du backing doit être entre 4 et 5 MRayl. On en déduit la fraction volumique de tungstène.
Il reste à faire les expériences pour trouver le rapport optimal, on ne regardera que la tranche 5-7% en fraction volumique de tungstène.
Pour ces valeurs l'atténuation du backing varie entre 0,73 dB/mm/MHz et 0,90 dB/mm/MHz.
Si nous choisissons un backing de longueur 1 cm, l'atténuation après aller-retour de l'onde émise est comprise entre 147 dB et 180 dB, ce qui est amplement suffisant.

Graphes liant fraction volumique de tungstène dans le backing, impédance acoustique du backing et atténuation dans le backing.
Graphes liant fraction volumique de tungstène dans le backing, impédance acoustique du backing et atténuation dans le backing.



Choix de la poudre de tungstène

Nous devons choisir une poudre de tungstène adaptée à la longueur d'onde. Au vu des fréquences auxquelles nous travaillons (3,5 5 et 7,5 MHz) et de la vitesse du son dans le tungstène (5180 m/s pour les ondes longitudinales, 2870 m/s pour les ondes transversales), la longueur d'onde varie entre 2,1 mm et 0,69 mm.
Il faut choisir une poudre de tungstène de longueur caractéristique de l'ordre de la dizaine de micromètre pour obtenir l'atténuation nécessaire.

Liste de produits

La poudre de tungstène coûte cher, de l'ordre de la centaine d'euros les 500g.
Voici une liste de quelques produits trouvés sur Internet :

Jeudi 19 Février

Présence de Vincent, Gérard et Patrice

Obtention du moule pour le backing

Patrice a réalisé un moule en téflon en 2 parties amovibles serrées par des vis. La forme utile est un cylindre.
Diamètre : d = 2,0 cm.
Hauteur du cylindre : h = 1,0 cm.
Soit un volume de π =~ 3.14159 cm^3.
Nécessaire pour réaliser les premiers moulages de backing. Il faudra en faire un autre pour faire le transducteur en entier (backing+piezo+lame adaptatrice)

Moule et tungstène
Moule et tungstène


Matériel à notre disposition pour le backing

Ce jour, nous avons utilisés:

  • Araldite 2020 (2 composants à mélanger, une résine et un durcissant) : File:araldite20-20-datasheet.pdf
    • Masse volumique : rho = 1,33 g/cm^3
  • Poudre de tungstène : [1]
    • Masse volumique : rho = 19,3 g/cm^3
    • Diamètre des grains : 12µm
    • Pureté : 99,99%

Dosage des composants pour le backing

En prenant en compte l'impédance acoustique du piézoélectrique, nous avons déduit les proportions de composants nécessaires pour le backing pour plusieurs possibilités.
Il faudra tester chacune de ses possibilités si on veut optimiser le backing.
File:dosage-composants-backing.pdf

Expérience : premier essai de backing


Paillasse laboratoire SATIE
Paillasse laboratoire SATIE


Matériel

Choix d'un ratio tungstène/époxy de 3,5%.
Quantités nécessaires (on en fait toujours un peu plus puisqu'on en perd en faisant les manipulations) :

  • 5,07 g d'araldite 2020.
    • 3,9 g de résine.
    • 1,17 g de durcissant.
  • 2,668 g de poudre de tungstène.



Araldite
Araldite


Poudre de tungstène
Poudre de tungstène


Matériel nécessaire :

  • Balance de précision (~10^-4 g).
  • Pompe à vide (supprime les bulles d'air).
  • Étuve (~ 100 °C pour polymérisation rapide).
  • Bécher (ici on a utilisé un petit verre).
  • Spatules.
  • Coupelle (ici on a utilisé un morceau d'aluminium).
  • Alcool non dénaturé (pour nettoyer le matériel)


Balance de précision
Balance de précision


Protocole suivi (non concluant)

Ajouter 3,9 g de résine dans un bécher.
Ajouter 1,17 g de durcissant.
Mélanger doucement jusqu'à obtenir une phase liquide homogène. Attention, il faut introduire le moins d'air possible dans le mélange.
Ajouter petit à petit 2,6668 g de poudre de tungstène dans le mélange, tout en agitant pendant environ 5 minutes. Attention, il faut introduire le moins d'air possible dans le mélange.
Mettre le bécher sous vide et observer un dégazage. Attention, il y a des risques de débordement si beaucoup d'air a été incorporé dans la solution.
Placer le bécher 10 minutes à l'étuve.

Balance et tungstène
Balance et tungstène


Mélange de l'époxy et du tungstène
Mélange de l'époxy et du tungstène

Observations

Nous avons décelés plusieurs problèmes.

  • Sédimentation très rapide du tungstène dans la solution d'araldite 2020.

En moins d'une minute, la majorité de la poudre de tungstène se retrouve au fond du bécher, ce qui nuit bien évidemment à la qualité du backing (inutilisable en l'état).

  • Polymérisation très rapide à l'étuve.

Bien que lente à température ambiante (en 30 minutes la viscosité du mélange époxy n'a pas changé), la polymérisation du mélange est très rapide. En effet, après 10 minutes à l'étuve (120°C), le mélange était entièrement polymérisé (impossible de le retirer du bécher).

  • Note concernant l'utilisation sous vide

Après avoir terminé l'étape sous vide, il faut remettre la pression atmosphérique doucement sous peine de renversement du bécher et projections (donc perte définitive) du mélange.

Polymérisation trop rapide à l'étuve (120°C)
Polymérisation trop rapide à l'étuve (120°C)


Solutions envisagées

Utiliser une plaque chauffante tout en agitant manuellement le mélange permet de régler à la fois le problème de sédimentation ainsi que le problème de polymérisation trop rapide.

Jeudi 5 Mars

Présence de Vincent.

Troisième essai de backing

Matériaux

Mêmes quantités que la fois précédente :

  • 5,07 g d'araldite 2020.
    • 3,9 g de résine.
    • 1,17 g de durcissant.
  • 2,668 g de poudre de tungstène.

Protocole

Utilisation d'une plaque chauffante.
Permet de polymériser la résine plus rapidement (12 heures à température ambiante) tout en mélangeant correctement et de manière homogène la poudre de tungstène (on souhaite éviter le phénomène de sédimentation).
Effectivement, la fois dernière l'étuve à 120°C avait fait polymériser le mélange trop rapidement, le rendant inutilisable.

Chauffage :

  • 10 minutes à 50°C.
  • 10 minutes à 65°C.
  • 10 minutes à 80°C.
  • 2 minutes à 95°C.


Plaque chauffante
Plaque chauffante


Thermomètre et plaque chauffante
Thermomètre et plaque chauffante

Résultats

C'est un échec. La polymérisation de l'araldite 2020 est un phénomène de réaction en chaîne. Si la température est trop élevée (~90°C ici), la résine polymérise avant qu'on ne la verse dans le moule.
Il faut donc chauffer à une moindre température.

Quatrième essai de backing

Matériaux

Mêmes quantités que la fois précédente :

  • 5,07 g d'araldite 2020.
    • 3,9 g de résine.
    • 1,17 g de durcissant.
  • 2,668 g de poudre de tungstène.

Protocole

Utilisation d'une plaque chauffante.
Permet de polymériser la résine plus rapidement (12 heures à température ambiante) tout en mélangeant correctement et de manière homogène la poudre de tungstène (on souhaite éviter le phénomène de sédimentation).
Chauffage :

  • 12 minutes à 30°C.
  • 15 minutes à 45°C.
  • 5 minutes à 30°C.


Le mélange étant assez visqueux (pas de risque de sédimentation normalement), on le verse dans le moule en téflon.
On place le moule remplit dans une étude à 80°C pendant 30 minutes.

Plaque chauffante Rotamag C11
Plaque chauffante Rotamag C11


Mélange d'araldite et de poudre de tungstène
Mélange d'araldite et de poudre de tungstène

Résultats

C'est l'essai le plus concluant jusqu'à maintenant et le premier coulage dans le moule réussit. On doit attendre la polymérisation complète avant de démouler le backing.
La prochaine étape sera la découpe en tranches fines du backing pour tester ses propriétés acoustiques. On espère qu'elles répondront à nos attentes concernant l'atténuation des ondes acoustiques considérées (3.5MHz).
Ce moyen permet aussi de tester l'homogénéité du backing pour détecter notamment le problème de sédimentation (propriétés acoustiques des tranches différentes dans ce cas là).

Jeudi 19 Mars

Présence de Vincent et de Gérard.

Démoulage du backing numéro 4

Résultats

Le problème de sédimentation est toujours présent. Toute la poudre de tungstène est au fond du moule malgré le nouveau protocole que nous avons utilisé (chauffage avant moulage pour durcir préalablement l'araldite 2020).

Sédimentation du tungstène dans le backing
Sédimentation du tungstène dans le backing


Nous allons devoir utiliser une autre résine, plus visqueuse, pour éviter ce problème de sédimentation.

Le moulage est bien réalisé, la résine est très dure (comme du verre à première vue).

Backing (essai n°4) vue de dessus
Backing (essai n°4) vue de dessus


Backing (essai n°4) vue de dessous
Backing (essai n°4) vue de dessous


Un autre problème est évident, c'est la présence de bulles d'air dans le backing. Il faudra utiliser une pompe à vide pour extraire préalablement l'air avant de faire la polymérisation finale.

Cinquième essai de backing

Matériaux

On utilise une nouvelle colle (colle époxy de supermarché) : SADER colle époxy progressive bicomposante - prise deux heures.

  • 4.9898 g d'époxy.
    • 2.50771 g de résine.
    • 2,48209 g de durcissant.
  • 2,668 g de poudre de tungstène.

Protocole

D'abord, on mélange la résine et le durcissant pour obtenir une phase homogène (formation de petites bulles d'air).
On ajoute la poudre de tungstène et on mélange pour avoir une phase homogène.
Ensuite on passe le tout sous vide pendant 15 minutes.
Le mélange étant assez visqueux (pas de risque de sédimentation normalement), on le verse dans le moule en téflon.
On place le moule remplit dans une étude à 80°C pendant plus d'une heure (polymérisation complète).

Images

Matériel pour faire le vide
Matériel pour faire le vide


Faire le vide
Faire le vide


Pompe à vide
Pompe à vide


Bulles d'air (backing sous vide)
Bulles d'air (backing sous vide)

Nouvelles idées

On voudrait utiliser des billes de verre plutôt que de la poudre de tungstène. On aurait moins de problèmes de sédimentation.
On a besoin des propriétés acoustiques et mécaniques des résines que nous utilisons. Nous avons un document (base de donnée) regroupant différentes caractéristiques pour plusieurs résines et colles : File:cue_materials_database_ver1.2_aug_2005.pdf
En particulier, pour l'araldite 2020 :

Propriétés acoustiques et mécaniques de l'araldite 20-20
Propriétés acoustiques et mécaniques de l'araldite 20-20


Jeudi 9 Avril

Présence de Vincent et de Heldmuth L. Présentation du laboratoire à Heldmuth.

Caractéristiques acoustiques du backing (numéro 5)

Théorie

L'idée est de déterminer les caractéristiques acoustiques (vitesse des ondes, atténuation, impédance acoustique) du backing que nous avons créé. Le backing numéro 5 semble convenir : pas de sédimentation mais beaucoup de bulles d'air malgré un dégazage poussé la fois dernière.
On le découpe en fines tranches (5 au total ici) de moins de 2 mm d'épaisseur pour vérifier l'homogénéité du backing et détecter les problèmes éventuels de sédimentation.
On envoi un pulse (burst de sinus) acoustique et on mesure le temps nécessaire à l'onde acoustique pour faire un aller. On mesure également la masse de chaque échantillon et son volume pour déterminer sa masse volumique.
On en déduit l'impédance acoustique de l'échantillon en utilisant la vitesse de propagation de l'onde sonore et la masse volumique de l'échantillon.

Matériel nécessaire

  • Oscilloscope
  • GBF
  • Transducteurs acoustiques (un en émission, l'autre en réception)
  • Gel échographique
  • Balance de précision
  • Pied à coulisse
  • Serre-joint

Manipulation

On considère que le backing est réalisé.
D'abord, on découpe le backing en fines tranches (de l'ordre du mm). Des tranches trop épaisses empêchent le signal test de traverser l'échantillon. En revanche le son passe trop rapidement dans des tranches très fines ce qui ne permet pas une mesure précise du signal mesuré (il y a superposition entre signal émis et signal mesuré).

Backing (n°5) découpé en 5 tranches
Backing (n°5) découpé en 5 tranches


Ensuite, on ajuste les transducteurs (émission et réception) de chaque côté de la tranche à étudier. Il ne faut pas oublier d'ajouter du gel échographique entre les éléments.

Gel pour échographie
Gel pour échographie


Détermination des caractéristiques acoustiques d'un échantillon de backing
Détermination des caractéristiques acoustiques d'un échantillon de backing


Détermination des caractéristiques acoustiques d'un échantillon de backing
Détermination des caractéristiques acoustiques d'un échantillon de backing


On relie le transducteur d'émission au GBF et à l'oscilloscope. On relie le transducteur de réception à l'oscilloscope. Attention, les signaux détectés ont une amplitude bien plus faible (~mV) que les signaux émis (~10V), il faut ajuster les calibres.
On peut s'aider de la fonction moyenne de l'oscilloscope pour moyenner sur plusieurs périodes temporelles. L'ajout de filtres permet également de limiter le bruit.

Si tout ce passe bien, on observe un temps Δt de décalage entre le signal émis et le signal reçu. Ce temps est la durée de trajet du son à travers le matériau pour un aller simple.
Connaissant l'épaisseur de l'échantillon, on en déduit la vitesse du son dans ce matériau.
On trouve l'impédance acoustique de la tranche en utilisant la formule Z = ρ*v où ρ est la masse volumique de l'échantillon et v la vitesse des ondes sonores dans l'élément.

Résultats expérimentaux

On a fait l'expérience pour deux tranches d'un même backing (le numéro 5). On trouve des impédances acoustiques égales à 2,92 MRayl et 3,28 Mrayl.
Notons que les mesures sont peu précises (le son est très atténué et le signal reçu est faible) et que les résultats sont donc approximatifs.

Interprétation

Théoriquement on devrait trouver des impédances acoustiques autour de 4 MRayl selon nos calculs. Nous expliquons cette différence par l'introduction non négligeable de bulles d'air dans l'échantillon.
En effet, le matériau est très poreux et les bulles sont visibles à l’œil nu (on pourrait par ailleurs regarder la surface au microscope). On avait pourtant fait un dégazage avant de mouler le backing.
L'avantage de l'air est qu'il induit naturellement une inhomogénéité forte dans le milieu. Cette propriété est intéressante pour l'atténuation que nous recherchons (on cherche a atténuer complètement les ondes sonores passant dans le backing).
Il nous reste à étudier la reproductibilité d'un tel processus : comment obtenir toujours les mêmes bulles d'air, quelles sont les conditions de pression qu'il faut imposer lors du dégazage, de quelle manière introduire l'air etc ... Sans cela il nous est impossible de contrôler précisément l'impédance acoustique de notre backing.

Une autre solution est d'utiliser à nouveau la résine Araldite 20-20 qui est très liquide et contient peu de bulles après dégazage (on a déjà fait un backing avec mais il y a avait un problème de sédimentation non résolu). On va essayer une fois prochaine de mélanger des billes de verre creuses à de l'araldite 20-20. Les billes seront en suspension dans la résine et le problème de sédimentation pourra être évité.

Photographies

Scie circulaire pour découper le backing
Scie circulaire pour découper le backing


Oscillateur et GBF (générateur basse fréquence)
Oscillateur et GBF (générateur basse fréquence)

Jeudi 16 Avril

Présence de Vincent et de Gérard.

Cette séance nous avons testé la poudre de verre pour remplacer la poudre de tungstène. Nous voulons éviter le phénomène de sédimentation et réduire les coûts de production.
Nous avons essayé une méthode de polymérisation rapide à 120 °C (moule chaud et étuve réglée à 120° C) pour éviter le phénomène de sédimentation.

Dosage des composants pour le backing

En prenant en compte l'impédance acoustique du piézoélectrique, nous avons déduit les proportions de composants nécessaires pour le backing pour plusieurs possibilités. Les valeurs sont évidemment différentes puisqu'on utilise ici du verre et pas du tungstène.

Impédance acoustique en fonction de la fraction volumique de verre dans l'araldite 20-20
Impédance acoustique en fonction de la fraction volumique de verre dans l'araldite 20-20


File:dosage-composants-backing-verre-araldite-20-20.pdf

Sixième essai de backing

Matériaux

On utilise de l'araldite 20-20 et des billes de verre pleines de diamètre 130 µm.

  • 3,76 g d'époxy.
    • 2.63 g de résine.
    • 1,13 g de durcissant.
  • 0,79 g de poudre de verre.

Protocole

D'abord, on mélange la résine et le durcissant pour obtenir une phase homogène (formation de petites bulles d'air).
On ajoute la poudre de tungstène et on mélange pour avoir une phase homogène.
Ensuite on passe le tout sous vide pendant 10 minutes.
Le mélange n'étant pas assez visqueux (on voit la sédimentation), on a essayé de le durcir en le chauffant sur une plaque chauffante. Continuer de mélanger tout en chauffant à 80 °C.
Mettre le tout à l'étuve.

Résultats

C'est un échec. Le produit a polymérisé avant qu'on ait réussi à le couler dans le moule.
Le phénomène de polymérisation est exothermique. En chauffant le mélange on accélère le processus et une réaction en chaîne se produit. Apporter de la chaleur génère de la chaleur.
La polymérisation se fait de manière violente en moins de 10 secondes. Ceci ne laisse pas le temps de couler le mélange, ni de le dégazer. C'est une méthode non concluante.

Septième essai de backing

Après ce dernier échec nous abandonnons l'araldite 20-20 qui est trop liquide, pas assez visqueuse et engendre un phénomène de sédimentation.
Nous nous tournons vers une résine époxy industrielle de supermarché, déjà utilisée (backing n° 5) et assez concluante : SADER colle époxy progressive bicomposante - prise deux heures.

Colle époxy SADER
Colle époxy SADER


Son utilisation est très facile (50% de résine, 50% de durcissant) et elle est très visqueuse.
Voici le tableau de valeurs que nous utilisons :
File:dosage-composants-backing-verre-SADER-epoxy.pdf
Nous allons également utiliser une pompe à vide plus puissante puisque le défaut du backing n°5 était une présence trop importante et non maîtrisée de bulles d'air malgré un dégazage. Ici, nous avons fait plusieurs dégazages successifs, avant et après avoir coulé la résine dans le moule.

Montage pour le dégazage du backing 7
Montage pour le dégazage du backing 7


Montage pour le dégazage du backing 7
Montage pour le dégazage du backing 7


Matériaux

On utilise de la colle époxy SADER et des billes de verre pleines de diamètre 130 µm.

  • 3,8 g d'époxy.
    • 1,91 g de résine.
    • 1,89 g de durcissant.
  • 0,79 g de poudre de verre.

Protocole

D'abord, on mélange la résine et le durcissant pour obtenir une phase homogène (formation de bulles d'air).
Ensuite on passe le tout sous vide pendant 20 minutes (utiliser une pompe puissante). Il ne faut pas hésiter à le faire par à-coups. En effet, la colle est très visqueuse et risque de déborder. Une fois que la mousse est haute et menace de déborder, casser le vide (ceci a pour effet de supprimer la mousse) puis recommencer.

Dégazage du backing 7
Dégazage du backing 7


File:Video-degazage-backing-16-avril.mp4
Verser le mélange dans le moule.
Dégazer pendant 10 minutes. Même technique, dégazer par à-coups si besoin.
Mettre le tout à l'étuve à 80 °C jusqu'à polymérisation complète.

Résultats

Le mélange semble correct. On ne voit pas de sédimentation. Il faut étudier les propriétés acoustiques.

Autres idées

Pour lutter contre le phénomène de sédimentation on pourrait utiliser des matériaux avec une masse volumique plus faible que le tungstène ou le verre. Dans les métaux, le magnésium a une masse volumique de 1,7 g/cm3. On pourra peut-être l'utiliser pour de prochains essais.


Jeudi 23 Avril

Présence de Vincent.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 5 tranches du backing n° 7 composé de billes de verre et de résine époxy SADER.

Tranches du backing n° 7 - SADER et verre
Tranches du backing n° 7 - SADER et verre


Tranche de backing n° 7
Tranche de backing n° 7

Résultats

On numérote les tranches de 0 (haut) à 4 (bas).
Notons que les tranches 0 et 4 sont assez grossières et les faces non parallèles entre elles, ce qui induit des erreurs de mesures. Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 0 : non déterminé (mauvaise qualité).
  • 1 : 2,84 MRayl.
  • 2 : 3,05 MRayl.
  • 3 : 2,97 MRayl.
  • 4 : ~ 3,39 MRayl (valeur approximative car faces non parallèles donc mesures faussées).


Observations

Ce backing est de bonne qualité. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu. Il est très résistant et homogène. Le verre est réparti correctement (on a un léger gradient de sédimentation quand on fait les mesures d'impédance acoustique qui se traduit par une augmentation de l'impédance quand on descend au fond du backing).
L'utilisation du verre (poudre de 130 µm) semble concluante. Le verre est bon marché ce qui réduit les coûts de production du transducteur. C'est une matière première simple a obtenir même s'il est nécessaire d'avoir une machine pour broyer le verre (on veut des particules de l'ordre de la centaine de micromètre et même plus petit, si possible de l'ordre de la dizaine de micromètre).
Il reste à obtenir l'impédance voulue à savoir 4 MRayl. On va devoir ajouter plus de poudre de verre pour corriger ce défaut. Une fois les proportions volumiques de verre et de résine connues, on aura la composition exacte et précise de notre backing. Il ne reste plus qu'à couler le backing, le piézoélectrique et les lames adaptatrices d'impédance ensembles.

Photographies

Manipulation pour tester les backings (ici test du backing n° 7)
Manipulation pour tester les backings (ici test du backing n° 7)
Transducteur 20 MHz utilisé pour tester les backings
Transducteur 20 MHz utilisé pour tester les backings
Oscilloscope Lecroy utilisé pour tester les backings
Oscilloscope Lecroy utilisé pour tester les backings
Oscilloscope Lecroy utilisé pour tester les backings
Oscilloscope Lecroy utilisé pour tester les backings


Jeudi 7 Mai

Présence de Vincent.

Huitième essai de backing

Matériaux

  • 5,01 g d'époxy SADER.
    • 2,55 g de résine.
    • 2,56 g de durcissant.
  • 2,66 g de poudre de tungstène.

Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes en évitant les débordements (faire une dizaine de cycles).
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Backing n° 8 dans le moule sous cloche
Backing n° 8 dans le moule sous cloche


File:Video-degazage-backing-7-mai.mp4

Dégazage du backing 8
Dégazage du backing 8


Jeudi 21 Mai

Présence de Vincent.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015. On a utilisé un oscilloscope plus performant (LeCroy WaveRunner HRO 66Zi - 600 Mhz 12-bit).

Matériel utilisé pour l'étude du backing n° 8
Matériel utilisé pour l'étude du backing n° 8


On dispose de 5 tranches du backing n° 8 composé de poudre de tungstène et de résine époxy SADER.

Tranches du backing n° 7 - SADER et tungstène
Tranches du backing n° 7 - SADER et tungstène
Tranches du backing n° 7 - SADER et tungstène
Tranches du backing n° 7 - SADER et tungstène


Résultats

On numérote les tranches de 1 (haut) à 5 (bas).
Notons que les tranches 1 et 5 sont assez grossières ce qui induit des erreurs de mesures. Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 2,99 MRayl.
  • 2 : 3,39 MRayl.
  • 3 : 3,52 MRayl.
  • 4 : 3,56 MRayl.
  • 5 : 3,85 MRayl.


Les résultats sont détaillés dans le document suivant : File:Etude acoustique du backing numéro 8.pdf.

Impédance acoustique du backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne
Impédance acoustique du backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne


Masse volumique du backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne
Masse volumique du backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne


Vitesse du son dans le backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne
Vitesse du son dans le backing n°8 en fonction de la profondeur moyenne


Observations

Ce backing est de qualité correcte mais un léger gradient en concentration de poudre de tungstène persiste. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu, sauf sur la première tranche (bulles en surface). Il est très résistant et homogène. Le tungstène est réparti correctement malgré un gradient vertical dû à la sédimentation. Ce phénomène n'est pas forcément perturbateur pour nous vu que le gradient est faible.
Il reste à obtenir l'impédance voulue à savoir 4 MRayl. On va devoir ajouter plus de poudre de tungstène pour corriger ce défaut.

Photographies

Générateur de fonctions Agilent
Générateur de fonctions Agilent
Manipulation pour le backing n°8
Manipulation pour le backing n°8
Courbes obtenues sur l'oscilloscope au cours de la manipulation pour le backing n° 8
Courbes obtenues sur l'oscilloscope au cours de la manipulation pour le backing n° 8
Courbes obtenues sur l'oscilloscope au cours de la manipulation pour le backing n° 8
Courbes obtenues sur l'oscilloscope au cours de la manipulation pour le backing n° 8

Jeudi 28 Mai

Présence de Vincent, Patrice et Gérard.
Pas d'expériences réalisées ce jour-là.

Caractéristiques des éléments piézoélectriques

On a reçu 5 capsules piézoélectriques concaves.

  • Matériau : Pz27.
  • Focale : 100mm.
  • Diamètre : 15mm.
  • Prix : 32 euros unité.

Protocole d'assemblage du transducteur

On doit assembler 3 éléments pour fabriquer le transducteur complet : le backing, la capsule piézoélectrique et la couche adaptatrice d'impédance.
Le backing et la couche adaptatrice d'impédance sont composés de la même matière (recherches menées lors des précédentes séances). On doit aussi souder deux fils électriques (cuivre étamé) sur chaque électrode de la capsule piézoélectrique, un sur chaque côté.
Patrice est en mesure de réaliser deux nouveaux moules. Un pour le backing (20mm de profondeur) et un deuxième (0,25mm de profondeur) pour la couche adaptatrice d'impédance.
On va couler le backing et plaquer le piézo directement sur le backing pour une meilleur efficacité.
Par contre la couche adaptatrice doit être usinée à part. On la coule dans le moule en téflon puis on laisse l'époxy polymériser et refroidir. La couche étant très fine (0,25mm d'épaisseur), on la chauffe et on la déforme à l'aide d'un moule en métal épousant la forme de la capsule piézo (bon rayon de courbure), puis on laisse refroidir et durcir. Enfin, on colle la couche sur le piézo en utilisant très peu de colle.
On obtient notre transducteur acoustique.

Jeudi 4 Juin

Présence de Vincent et de Gérard.

Neuvième essai de backing

On a reçu de la poudre de dioxyde de silicium SiO2 (~verre) commandée chez Sigma-Aldrich.
Taille des grains :

  • 99% entre 0,5 et 10 µm
  • 80% entre 1 et 5 µm


Cet ordre de grandeur est largement correct puisque ce sont les bonnes dimensions que l'on recherche vu l'ordre de grandeur des longueurs d'ondes utilisées.

Dioxyde de silicium - Sigma-Aldrich
Dioxyde de silicium - Sigma-Aldrich


Dioxyde de silicium - Sigma-Aldrich
Dioxyde de silicium - Sigma-Aldrich


Matériaux

Matériaux utilisés :

  • 3,25513 g d'époxy SADER.
    • 1,60046 g de résine.
    • 1,65467 g de durcissant.
  • 0,78502 g de poudre de tungstène.


Proportions utilisées : 10% de dioxyde de silicium et 90% de colle époxy.

Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes en évitant les débordements (faire une dizaine de cycles).
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Matériaux à mélanger pour le backing 9
Matériaux à mélanger pour le backing 9


Mélange pour le backing 9
Mélange pour le backing 9


Mélange pour le backing 9
Mélange pour le backing 9

Mercredi 1 Juillet

Présence de Vincent.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 4 tranches du backing n° 9 composé de poudre de dioxyde de silicium et de résine époxy SADER.

Résultats

On numérote les tranches de 1 (bas) à 4 (haut).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 2,4065 MRayl.
  • 2 : 2,4572 MRayl.
  • 3 : 2,3937 MRayl.
  • 4 : 2,8309 MRayl.

Observations

Ce backing est de bonne qualité générale mais les impédances acoustiques ne sont pas respectées, il faut y remédier. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu, sauf sur la première tranche (bulles en surface). Il est très résistant et homogène. Le dioxyde de silicium est réparti correctement.
Il reste à obtenir l'impédance voulue à savoir 4 MRayl. On va devoir ajouter plus de poudre de dioxyde de silicium pour corriger ce défaut.

Mercredi 8 Juillet

Présence de Vincent et de Gérard.

Dixième essai de backing

Pour ce backing on décide de mettre plus de poudre de dioxyde de silicium que dans le précédent backing numéro 9.

Matériaux

Matériaux utilisés :

  • 3,15028 g d'époxy SADER.
    • 1,5554 g de résine.
    • 1,59488 g de durcissant.
  • 1,29369 g de poudre de tungstène.

Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes en évitant les débordements (faire une dizaine de cycles).
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Mercredi 22 Juillet

Présence de Vincent.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 4 tranches du backing n° 10 composé de poudre de dioxyde de silicium et de résine époxy SADER.

Résultats

On numérote les tranches de 1 (fond) à 4 (haut).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 3,18 MRayl.
  • 2 : 3,18 MRayl.
  • 3 : 3,77 MRayl.
  • 4 : 3,75 MRayl.

Observations

Ce backing est de bonne qualité générale mais les impédances acoustiques ne sont pas respectées, il faut y remédier. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu. Il est très résistant et homogène. Le dioxyde de silicium est réparti correctement.
Il reste à obtenir l'impédance voulue à savoir 4 MRayl. On va devoir ajouter plus de poudre de dioxyde de silicium pour corriger ce défaut.
On va également ajouter de la poudre de tungstène.


Jeudi 10 Septembre

Présence de Vincent et de Gérard.

Onzième essai de backing

On réalise un nouvel essai de backing en suivant le protocole habituel. Cette fois on charge le backing en verre et on ajoute de la poudre de tungstène.

Matériaux

Matériaux utilisés :

  • 3,08072 g d'époxy SADER.
    • 1,56147 g de résine.
    • 1,51925 g de durcissant.
  • 1,26306 g de SiO2.
  • 0,98754 g de poudre de tungstène.

Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes (6 cycles environ) en évitant les débordements.
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Test d'un transducteur

On a testé un transducteur industriel.

Test d'un transducteur
Test d'un transducteur

Jeudi 17 Septembre

Présence de Vincent.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 3 tranches du backing n° 11 composé de poudre de dioxyde de silicium, de poudre de tungstène et de résine époxy SADER.

Test acoustique du backing 11
Test acoustique du backing 11


Test acoustique du backing 11
Test acoustique du backing 11


Résultats

On numérote les tranches de 1 (haut) à 3 (bas).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 3,46 MRayl.
  • 2 : 3,47 MRayl.
  • 3 : 3,51 MRayl.

Observations

Ce backing est de bonne qualité générale mais les impédances acoustiques ne sont pas encore respectées, il faut y remédier. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu, sauf sur la première tranche (bulles en surface). Il est très résistant et homogène. Le dioxyde de silicium est réparti correctement. On observe quelques amas de poudre de tungstène.
Il reste à obtenir l'impédance voulue à savoir 4 MRayl. On va devoir ajouter plus de poudre de tungstène pour corriger ce défaut.
On réalise donc un nouveau backing.

Douzième essai de backing

On réalise un nouvel essai de backing en suivant le protocole habituel. Cette fois on utilise du verre et beaucoup de tungstène.

Matériaux

Matériaux utilisés :

  • 2,968 g d'époxy SADER.
    • 1,4872 g de résine.
    • 1,48075 g de durcissant.
  • 1,03598 g de SiO2.
  • 6,05836 g de poudre de tungstène.


Préparation du backing 12
Préparation du backing 12


Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes (6 cycles environ) en évitant les débordements.
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Cycles de dégazage du backing n° 12

Dégazage du backing 12
Dégazage du backing 12
Dégazage du backing 12
Dégazage du backing 12
Système de dégazage du backing 12
Système de dégazage du backing 12

File:degazage-backing-12-cycle-1.mp4
File:degazage-backing-12-cycle-2.mp4
File:degazage-backing-12-cycle-3.mp4
File:degazage-backing-12-cycle-4.mp4
File:degazage-backing-12-cycle-5.mp4

File:degazage-backing-12-moule.mp4


Jeudi 15 Octobre

Présence de Vincent et de Gérard.

Manipulations

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 2 tranches du backing n° 12 composé de poudre de dioxyde de silicium, de poudre de tungstène et de résine époxy SADER.

Test acoustique du backing 12
Test acoustique du backing 12


Résultats

On numérote les tranches de 1 (bas) à 2 (haut).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 5,62 MRayl.
  • 2 : 5,57 MRayl.

Observations

Ce backing est de bonne qualité générale et les impédances acoustiques sont élevées du fait de la forte concentration en tungstène. Néanmoins, elles ne sont pas encore respectées puisqu'on cherche à avoir un backing à 4,5 Mrayl. On ne discerne pas de bulles d'air à l’œil nu. Il est très résistant et homogène. Le dioxyde de silicium est réparti correctement.
On réalise donc un nouveau backing contenant moins de tungstène.

Treizième essai de backing

On réalise un nouvel essai de backing en suivant le protocole habituel. Cette fois on utilise du verre et du tungstène (moins de tungstène que pour le backing précédent).

Matériaux

Matériaux utilisés :

  • 3,0682 g d'époxy SADER.
    • 1,55647 g de résine.
    • 1,51173 g de durcissant.
  • 0,99483 g de SiO2.
  • 3,40021 g de poudre de tungstène.

Protocole

On mélange le tout (l'époxy SADER est très visqueuse et on ne subit plus le phénomène de sédimentation). Néanmoins, on a le problème de l'air qui reste piégé dans l'échantillon. Il faut dégazer sous vide.
Dégazer par à-coup dans le récipient pendant 20 minutes (6 cycles environ) en évitant les débordements.
Verser le mélange dans le moule et dégazer le tout par à-coup pendant 20 minutes en évitant les débordements (une dizaine de cycles).
Mettre le moule dans l'étuve à 80 °C pendant 1h30.

Première tentative d'assemblage de transducteur

On a essayé de fabriquer un premier transducteur (backing + capsule piézoélectrique).
On a rencontré un problème lors de la soudure des fils sur la capsule piézoélectrique. En effet, la soudure ne tient pas (surface spéciale).
On doit donc utiliser une colle conductrice spéciale pour fixer des fils sur la capsule piézoélectrique.

Tentative de soudure de fils sur la capsule piézoélectrique
Tentative de soudure de fils sur la capsule piézoélectrique


Jeudi 22 Octobre

Présence de Vincent.
Ce jour nous avons caractérisé les propriétés acoustiques du backing 13. Ce dernier correspondant à nos attentes (impédance acoustique de 4,5 MRayl, homogène), nous avons réalisé un premier assemblage de capsule piézoélectrique avec backing (numéro 14), backing constitué des mêmes proportions que le backing numéro 13. Nous avons fabriqué deux fois plus de backing numéro 14. Cela nous permettra de caractériser l'impédance acoustique du backing 14 (utilisé pour l'assemblage) en utilisant la méthode habituelle.

Manipulations - Test acoustique du backing n° 13

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 2 tranches du backing n° 13 composé de poudre de dioxyde de silicium, de poudre de tungstène et de résine époxy SADER.

Résultats

On numérote les tranches de 1 (bas) à 2 (haut).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 4,52 MRayl.
  • 2 : 4,57 MRayl.

Observations

Ce backing est de très bonne qualité. L'impédance acoustique est de l'ordre de 4,5 MRayl, ce que nous souhaitons. Le backing est homogène sans sédimentation.
Il convient parfaitement. Nous pouvons commencer à fabriquer des transducteurs.

Pour un compte-rendu sur les différents essais de backing, vous pouvez consulter ce document : File:Tableau de suivi des essais de backing.pdf

Protocole de caractérisation acoustique du backing

Découper le backing en lamelles

La scie circulaire étant en panne, on coupe le backing à l'aide d'une scie standard.

Découpage du backing 13
Découpage du backing 13


Découpage du backing 13
Découpage du backing 13


Poncer les lamelles

Il faut poncer les lamelles pour qu'elles soit bien plates de chaque côté.

Ponçage du backing 13
Ponçage du backing 13


Ponçage du du backing 13
Ponçage du backing 13


Observer les caractéristiques acoustiques

A l'aide d'un oscilloscope, d'un GBF et de transducteurs acoustiques, on peut mesurer la vitesse v de propagation des ondes sonores dans les tranches de backing.
On mesure l'épaisseur des tranches à l'aide d'un pied à coulisse (généralement les tranches font entre 1 et 2 mm). On connait également le diamètre du backing (2 cm). On a donc accès au volume de la tranche.
On mesure la masse des tranches à l'aide d'une balance de haute précision.
La masse et le volume de la tranche nous donne accès à la masse volumique ρ de la tranche.
On en déduit l'impédance acoustique Z de la tranche à l'aide de la formule suivante : Z = ρ*v.

Test acoustique du backing 13
Test acoustique du backing 13


Test acoustique du backing 13
Test acoustique du backing 13
Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)
Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)


Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)
Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)


Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)
Test acoustique du backing 13 (jaune : signal émis, rouge : signal reçu)


Assemblage capsule piézoélectrique et backing numéro 14

Maintenant que le backing correspond à nos besoins (impédance acoustique de 4,5 MRayl), nous allons assembler un élément piézoélectrique et un backing.
Nous fabriquons un backing en utilisant les mêmes proportions que le backing n° 13 mais en doublant les doses. En effet, la moitié sera utilisée pour l'assemblage avec le piézoélectrique tandis que l'autre moitié sera utilisée pour faire des tests acoustiques.
Il ne faut pas hésiter à bien dégazer (plusieurs cycles, casser le vide quand il y a débordement et recommencer une dizaine de fois).

Backing n° 14 après dégazage
Backing n° 14 après dégazage


Ajouter un fil sur la face convexe de l'élément piézoélectrique

Cette étape nécessite l'utilisation de colle conductrice. En effet, il n'est pas possible de souder directement un fil sur le piézoélectrique. La soudure ne tient pas.

Élément piézoélectrique avec un fil collé
Élément piézoélectrique avec un fil collé


Placer le piézoélectrique dans un moule adapté

Le diamètre intérieur du moule doit parfaitement correspondre avec celui de la capsule piézoélectrique pour éviter que cette dernière ne bouge pendant le coulage.


Moule utilisé pour le coulage du backing sur l'élément piézoélectrique
Moule utilisé pour le coulage du backing sur l'élément piézoélectrique


Moule démonté
Moule démonté


Moule démonté (vue de dessus)
Moule démonté (vue de dessus)


Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule
Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule


Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule
Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule


Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule (vue de dessus)
Capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule (vue de dessus)


Moule monté avec capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule (vue de dessus)
Moule monté avec capsule piézoélectrique dans la chambre intérieure du moule (vue de dessus)


Utiliser du scotch pour maintenir le fil en place

On graisse l'intérieur du moule et on protège le fil électrique en utilisant une fine couche de scotch.


Scotch sur le fil relié à la capsule piézoélectrique (vue de dessus)
Scotch sur le fil relié à la capsule piézoélectrique (vue de dessus)


Ajouter un peu de backing au fond du moule, contre le piézoélectrique

Cette petite couche de backing doit être parfaitement dégazée et homogène. On prend soin de dégazer plusieurs fois pour minimiser les bulles d'air.

Ajouter le backing nécessaire et dégazer

On ajoute la quantité de backing nécessaire (ici on fait un backing de 1,5 cm de hauteur). On dégaze bien plusieurs fois en évitant les débordements (casser le vide régulièrement, faire une dizaine de cycles).

Laisser polymériser à température ambiante

Il n'est pas utile de mettre le moule à l'étuve. Le backing n°13 a polymérisé à température ambiante et il est de très bonne qualité.

Backing n° 14 prêt à être coulé dans le moule contenant le piézoélectrique
Backing n° 14 prêt à être coulé dans le moule contenant le piézoélectrique


Prochaines étapes

Nous allons caractériser les propriétés acoustiques du backing n° 14 (utilisé avec le piézoélectrique). Nous devons retrouver les mêmes propriétés que le backing n°13 puisque nous avons utilisé les mêmes proportions.
Ensuite, nous allons tester notre premier transducteu, même si ce dernier ne contient pas de couche adaptatrice d'impédance du côté convexe.
La prochaine étape importante est donc la fabrication d'une couche adaptatrice d'impédance. Nous allons utiliser le même matériau que pour le backing.


Jeudi 5 Novembre

Présence de Vincent, Gérard et Patrice.
Ce jour nous avons caractérisé les propriétés acoustiques du backing 14. Ce dernier a été utilisé dans la conception du premier transducteur. Nous avons également regardé l'impédance électrique du transducteur numéro 1.

Test acoustique du backing n° 14

On a utilisé le même protocole que pour le backing n° 5 du jeudi 9 avril 2015.
On dispose de 2 tranches du backing n° 14 composé de poudre de dioxyde de silicium, de poudre de tungstène et de résine époxy SADER.

Résultats

On numérote les tranches de 1 (bas) à 2 (haut, mauvaise planéité).
Tous calculs faits, on trouve les impédances acoustiques suivantes pour chaque tranche :

  • 1 : 4,509 MRayl.
  • 2 : 5,08 MRayl (résultat faussé puisque la tranche numéro 2 n'était pas totalement plate).

Observations

Ce backing est de très bonne qualité. L'impédance acoustique est de l'ordre de 4,5 MRayl, ce que nous souhaitons. Le backing est homogène sans sédimentation.
Il convient parfaitement. Le transducteur numéro 1 est donc bien backé.

Test acoustique du backing 14
Test acoustique du backing 14

Transducteur n° 1

Ce transducteur est composé d'une capsule piézoélectrique et d'un backing. Nous cherchons une solution pour fabriquer une couche adaptatrice d'impédance de même composition que le backing, très fine (lame quart d'onde) et épousant la forme concave de la capsule piézoélectrique. Nous utilisons des capsules piézoélectriques de diamètre 1,5 cm et de distance de focalisation de 10 cm.
Nous utilisons une colle conductrice pour assembler les fils sur les deux faces du piézoélectrique.
Nous avons également caractérisé l'impédance électrique du transducteur n° 1. Il semble en état de fonctionnement.

Etude de l'impédance électrique du transducteur 1
Etude de l'impédance électrique du transducteur 1


Etude de l'impédance électrique du transducteur 1
Etude de l'mpédance électrique du transducteur 1


Etude de l'impédance électrique du transducteur 1
Etude de l'impédance électrique du transducteur 1


Etude de l'impédance électrique du transducteur 1
Etude de l'impédance électrique du transducteur 1

Jeudi 19 Novembre

Présence de Vincent, Gérard et Patrice.
Ce jour nous avons continué notre travail sur le transducteur. Nous avons ajouté un cable coaxial très fin (récupéré sur une sonde échographique multiéléments), consolidé et isolé les liaisons électriques (piégées dans de la colle époxy SADER prise rapide).
Par ailleurs, nous avons réfléchi aux différentes solutions techniques possibles pour ajouter une couche adaptatrice d'impédance acoustique très fine (dixième de millimètre) sur la face concave de la capsule piézoélectrique.
Enfin, nous avons rassemblé le matériel nécessaire pour la construction d'une manipulation dans le but de caractériser le comportement pulse-écho du transducteur. Il s'agit d'une cuve avec une plaque métallique au fond. Au dessus, un ingénieux système de rotule et d'axes 2D très précis permettent d'orienter le transducteur afin que le pulse soit orthogonal à la plaque métallique.

Montage du câble coaxial sur le transducteur
Montage du câble coaxial sur le transducteur


Soudage du câble coaxial sur le transducteur
Soudage du câble coaxial sur le transducteur


Collage du câble coaxial sur le transducteur
Collage du câble coaxial sur le transducteur

Jeudi 10 Décembre

Expérience

Nous avons caractérisé le transducteur acoustique en utilisant une méthode de pulse-écho.
La manipulation consiste à envoyer un pulse focalisé sur une plaque de métal et de mesurer le signal retourné (l'écho).
Le pulse a une largeur de 150 ns, une tension de 10 Vpp et une fréquence de 1 kHz. La distance entre le transducteur et la cible (une plaque de cuivre) est de 8 cm. L'expérience se déroule dans une cuve (ici une bassine) puisque le transducteur est conçu pour émettre des ondes acoustiques dans ce milieu.
Le signal envoyé, après être passé dans le transducteur, a une largeur de l'ordre d'une seconde.

Résultats

Nous obtenons un écho de bonne qualité, large de 30 ms et d'amplitude 0.3 Vpp.
On observe également d'autres échos qui proviennent de réflexions sur l'interface eau-air.
La fonction de transfert est calculée grâce à Matlab et disponible dans ce document : File:caracterisation-acoustique-transducteur-1.pdf.


Module de la fonction de transfert du transducteur acoustique n° 1
Module de la fonction de transfert du transducteur acoustique n° 1


Manipulation de caractérisation acoustique du transducteur n° 1
Manipulation de caractérisation acoustique du transducteur n° 1


Manipulation de caractérisation acoustique du transducteur n° 1
Manipulation de caractérisation acoustique du transducteur n° 1


Pulse et premier écho du transducteur n° 1 vu à l'oscilloscope
Pulse et premier écho du transducteur n° 1 vu à l'oscilloscope


Zoom sur le premier écho du transducteur n° 1 (moyennage sur 256 périodes)
Zoom sur le premier écho du transducteur n° 1 (moyennage sur 256 périodes)

Jeudi 17 Décembre

Maintenant que le backing est conçu et que le transducteur est fonctionnel, nous allons essayer d'améliorer l'écho en ajoutant une lame adaptatrice d'impédance en sortie de la capsule piézoélectrique. C'est une lame quart-d'onde qui doit, dans nos conditions (célérité du son de 1500 ms et fréquence centrale de 3,5 Mhz), avoir une épaisseur de 0.15 mm.
La composition de cette lame est la même que pour le backing dans les mêmes proportions (poudre de verre, poudre de tungstène et résine époxy).
Nous avons développé une technique pour fabriquer une couche fine à l'aide de ruban adhésif qui, après mesure au pied à coulisse, a une épaisseur de 0.05 mm. Trois couches permettent d'obtenir l'épaisseur souhaitée de 0.15 mm pour la lame adaptatrice d'impédance.
Nous utilisons du film étirable alimentaire pour isoler la résine époxy de la plaque de verre (plaque pour microscope). En effet, la résine époxy ne reste pas accrochée au polychlorure de vinylidène qui compose le film étirable.
Un autre essai consiste à utiliser une plaque en téflon sans film étirable. Nous comparerons les deux résultats dans les prochaines séances.


Préparation de la plaque de verre recouverte de film étirable où sera conçue la lame adaptatrice
Préparation de la plaque de verre recouverte de film étirable où sera conçue la lame adaptatrice


Lame adaptatrice d'impédance coulée sur une plaque en téflon
Lame adaptatrice d'impédance coulée sur une plaque en téflon

Année 2016

Jeudi 7 Janvier

Aujourd'hui nous devions ajouter la lame adaptatrice d'impédance sur le transducteur n° 1. Nous avons conçu la couche adaptatrice la séance précédente et nous l'avons découpée à l'emporte-pièce ce jeudi. Une des deux s'est fendue pendant le découpage mais nous en avons une autre bien circulaire.
Nous avons constaté que le fil du transducteur relié à la face extérieur est sectionné. Nous l'avons réparé à l'aide de colle conductrice. Nous collerons la lame adaptatrice la séance prochaine.


Réparation du fil sectionné du transducteur n° 1
Réparation du fil sectionné du transducteur n° 1


Colle conductrice
Colle conductrice



Nous avons commencé la construction d'un deuxième transducteur. La première étape est l'ajout d'un fil électrique sur la face convexe du piézoélectrique à l'aide de colle conductrice. Il faut préalablement nettoyer la surface de collage au papier de verre et à l’alcool afin de supprimer l'oxyde déposé sur le piézoélectrique.


Collage d'un fil sur le transducteur n° 2
Collage d'un fil sur le transducteur n°2


Collage d'un fil sur le transducteur n° 2
Collage d'un fil sur le transducteur n° 2


Jeudi 21 Janvier

Cette séance nous avons établi le protocole de collage de la lame adaptatrice et nous avons collé la lame adaptatrice sur le transducteur numéro un. Nous avons également poursuivi la construction du deuxième transducteur en ajoutant le backing au piézoélectrique. Nous avons coulé le backing numéro 15 de même composition que le backing utilisé pour le transducteur numéro 2 afin de caractériser ses propriétés acoustiques.

Collage de la lame adaptatrice du premier transducteur

La lame que nous avons préparée précédemment a été collé à l'aide d'une très fine couche de colle époxy SADER dégazée pendant 20 minutes (colle également utilisée pour la fabrication du backing).
Il faut réaliser une encoche sur la lame adaptatrice pour laisser passer la soudure sur la face du piézoélectrique (utiliser des binocles pour la précision).
C'est une étape complexe puisqu'il faut coller la lame de manière homogène sur le piézoélectrique qui est concave. Il est nécessaire d'avoir un dispositif pour appliquer une force homogène sur toute la surface du piézoélectrique.
Pour répondre à ce problème, nous avons utilisé l'assemblage suivant (dans l'ordre, de haut en bas).

  • Poids.
  • Pâte à modeler contrainte dans une section de tube fermée aux deux extrémités par du film étirable afin de maintenir la pâte à modeler.
  • Capsule piézoélectrique de même concavité que la capsule backée pour appliquer une force homogène.
  • Film caoutchouc fin (type caoutchouc conducteur).
  • Film étirable plastique (pour éviter que la lame reste collée au système de collage).
  • Lame adaptatrice prédécoupée au bon diamètre.
  • Transducteur (capsule piézoélectrique backée).


Nous laissons le dispositif au repos 24 heures pour être sûr que la polymérisation de la résine époxy est terminée.


Matériel nécessaire pour le collage de la lame adaptatrice.
Matériel nécessaire pour le collage de la lame adaptatrice.


Préparation au collage de la lame adaptatrice (noter l'encoche pour la soudure).
Préparation au collage de la lame adaptatrice (noter l'encoche pour la soudure).


Préparation au collage de la lame adaptatrice (utilisation des binocles).
Préparation au collage de la lame adaptatrice (utilisation des binocles).


Lame adaptatrice sur le transducteur n°1 (noter le ruban adhésif pour le maintien de la lame).
Lame adaptatrice sur le transducteur n°1 (noter le ruban adhésif pour le maintien de la lame).


Dispositif de collage de la lame adaptatrice sur le transducteur n°1.
Dispositif de collage de la lame adaptatrice sur le transducteur n°1.


Dispositif de collage de la lame adaptatrice sur le transducteur n°1.
Dispositif de collage de la lame adaptatrice sur le transducteur n°1.


Transducteur numéro 2

La séance dernière nous avions ajouté un fil électrique sur la face convexe d'une capsule piézoélectrique. La phase suivante dans l'assemblage d'un transducteur est l'ajout du backing. Nous l'avons réalisé de la même manière que pour le transducteur numéro 1. Le moule doit être bien graissé, la capsule piézoélectrique est placée au fond du moule de sorte que le fil électrique ressort du moule. Il faut protéger le fil électrique avec du chaterton pour éviter de la piéger entièrement dans le backing (peu pratique pour manipuler les fils après polymérisation du backing). Une première couche de backing, assez fine, est déposée dans le moule sur la face convexe du piézoélectrique puis fortement dégazée pendant 15 minutes. On ajoute ensuite le reste de backing puis on dégaze en plusieurs cycles pour éviter les débordements de backing hors du moule. On laisse polymériser à température ambiante plusieurs heures.
En parallèle, on coule un backing seul, composé du même mélange que le backing utilisé pour le transducteur, avec le protocole habituel. On pourra observer les propriétés physiques du backing et vérifier que son impédance acoustique est correcte.


Moule utilisé pour le transducteur n°2.
Moule utilisé pour le transducteur n°2.


Moule utilisé pour le transducteur n°2 (noter la capsule piézoélectrique et le fil collé au chatterton vert).Moule utilisé pour le transducteur n°2 (noter la capsule piézoélectrique et le fil collé au chatterton vert).


Moules contenant le transducteur n°2 (gauche) et le backing n°15 (droite).
Moules contenant le transducteur n°2 (gauche) et le backing n°15 (droite).

Jeudi 28 Janvier

Nous avons caractérisé le transducteur acoustique n° 1 auquel nous avons ajouté une lame adaptatrice d'impédance la semaine précédente. A notre plus grand plaisir, le transducteur est fonctionnel et beaucoup plus performant que la version sans lame adaptatrice d'impédance.

Caractérisation acoustique par la méthode du pulse-écho

Nous avons fait un test en pulse écho. Nous avons utilisé le même protocole que la fois dernière. Nous envoyons un pulse de durée 150 ns, de répétition 1 kHz et de Vpp 10 V. Nous utilisons un GBF Agilent auquel nous avons ajouté en sortie une charge de 50 Ω (nous avons fixé l'impédance de sortie du GBF à 10 kΩ). Nous utilisons une bassine remplie d'eau avec une cible en cuivre. Le transducteur est fixé sur un axe rotatif et disposé à une distance de la cible de 9 cm. Nous optimisons au maximum l'amplitude de l'écho reçu en jouant sur les axes du système et sur la distance de focalisation du transducteur.
Le temps de parcours de l'onde acoustique entre le pulse et le premier écho est de 111 µs. Le premier écho a une largeur de 2,2 µs et une amplitude Vpp de 0,512 V. Le pulse a une largeur de 1,5 µs et une amplitude Vpp de 8,06 V.
Dans les mêmes conditions expérimentales, sans la lame adaptatrice nous avions obtenu les résultats suivants. Le temps de parcours de l'onde acoustique entre le pulse et le premier écho est de 112,5 µs. Le premier écho a une largeur de 3,5 µs et une amplitude Vpp de 0,281 V. Le pulse a une largeur de 1,5 µs et une amplitude Vpp de 10,05 V.
On déduit de ces observations que la lame adaptatrice d'impédance a amélioré le transducteur.
Le rapport Vpp de l'écho sur Vpp du pulse est amélioré puisque l'on passe de 0,0280 à 0,0635 : on gagne un facteur 2,272 en amplitude.
La largeur temporelle de l'écho a diminué puisque l'on passe d'un écho de 3,5 µs à un écho de 2,2 µs pour un pulse de même largeur en entrée : on diminue la largeur de l'écho d'un facteur 0,629.


Comparaison pulse-écho du transducteur n° 1 avec et sans lame adaptatrice d'impédance
Comparaison pulse-écho du transducteur n° 1 avec et sans lame adaptatrice d'impédance


Montage expérimental de pulse-écho
Montage expérimental de pulse-écho


Montage expérimental de pulse-écho
Montage expérimental de pulse-écho


Montage expérimental de pulse-écho
Montage expérimental de pulse-écho


GBF Agilent utilisé pour le pulse
GBF Agilent utilisé pour le pulse


Oscilloscope LeCroy utilisé pour le pulse-écho
Oscilloscope LeCroy utilisé pour le pulse-écho


Impédance électrique du transducteur

Nous avons observé l'impédance électrique du transducteur numéro 1 avec lame adaptatrice d'impédance plongé dans de l'eau. Nous avons aussi mesuré l'impédance électrique d'un transducteur industriel dans les mêmes conditions.

Impédance électrique du transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance
Impédance électrique du transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance


Impédance électrique d'un transducteur commercial Imasonic
Impédance électrique d'un transducteur commercial Imasonic


Résultat final

Ce transducteur est de bonne qualité. Il est apte à être utilisé pour une utilisation en échographie.
La prochaine étape est d'améliorer la longueur du backing pour une implémentation plus facile dans la sonde échographique.

Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance
Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance


Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance
Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance


Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance
Transducteur n° 1 avec lame adaptatrice d'impédance


Schéma général du transducteur
Schéma général du transducteur


Jeudi 3 Mars

Présence de Vincent et Gérard.

Transducteur n° 2

Le transducteur est démoulé. Il est en bon état. On coupe le backing afin d'obtenir un transducteur de 1 cm de longueur (pour 1,5 cm de diamètre).
On colle un fil sur la partie concave de la capsule piézoélectrique.

Lame adaptatrice d'impédance acoustique du transducteur n° 2 - premier essai

On a coulé deux lames adaptatrices en utilisant le même mélange (résine époxy, de SiO2 et tungstène) que d'habitude. On en fait deux au cas où il y aurait un problème lors du découpage à l'emporte-pièce de la lame adaptatrice (ce qui est arrivé pour le transducteur n° 1).
Composition du mélange :

  • Durcisseur : 0,166 g
  • Résine : 0,151 g
  • SiO2 : 0,102 g
  • Tungstène : 0,35 g


Afin de couler une lame adaptatrice quart-d'onde à la bonne épaisseur (15 µm), nous utilisons du ruban adhésif. Il a une épaisseur de 5 µm donc trois couches permettent d'obtenir une épaisseur de 15 µm.
On recouvre deux lames en verre (type lame pour microscope optique) de film plastique alimentaire de manière à obtenir une surface bien plane, sans défauts de surface ni poussière, sur laquelle la résine époxy se détache facilement.
Une lame possède trois épaisseurs de ruban adhésif de chaque côté. On vient déposer la résine époxy sur cette lame. Ensuite on recouvre cette lame d'une autre lame (aussi recouverte de film plastique) mais qui ne possède pas de ruban adhésif.
On fait en sorte que la résine s'étale bien de manière homogène entre les deux plaques de verre et qu'on a bien la taille souhaitée pour la couche adaptatrice (diamètre de 1,5 cm minimum, ici on a un diamètre de 2,5 cm environ).
On recouvre le tout avec des poids et on laisse polymériser.

Schémas

Schéma d'une plaque de verre avec 3 couches de ruban adhésif
Schéma d'une plaque de verre avec 3 couches de ruban adhésif


Schéma du montage pour la fabrication de la lame adaptatrice d'impédance acoustique
Schéma du montage pour la fabrication de la lame adaptatrice d'impédance acoustique

Jeudi 10 Mars

Présence de Vincent.

Transducteur n° 2

On a essayé de démouler les lames adaptatrices fabriquées la semaine précédente mais il a été impossible de séparer les deux lames de verre. Le film étirable n'a pas joué son rôle et la résine époxy a définitivement polymérisé entre les deux lames de verre.
On décide de faire à nouveau deux lames adaptatrices en utilisant le même film étirable que la séance du jeudi 17 décembre.

Lames de verre collées par la résine époxy
Lames de verre collées par la résine époxy

Lame adaptatrice d'impédance acoustique du transducteur n° 2 - deuxième essai

On a coulé deux lames adaptatrices en utilisant le même mélange (résine époxy, de SiO2 et tungstène) que d'habitude. On en fait deux au cas où il y aurait un problème lors du découpage à l'emporte-pièce de la lame adaptatrice (ce qui est arrivé pour le transducteur n° 1).
Composition du mélange :

  • Durcisseur : 0,32 g
  • Résine : 0,32 g
  • SiO2 : 0,22 g
  • Tungstène : 0,69 g


Afin de couler une lame adaptatrice quart-d'onde à la bonne épaisseur (15 µm), nous utilisons du ruban adhésif. Il a une épaisseur de 5 µm donc trois couches permettent d'obtenir une épaisseur de 15 µm.
On recouvre deux lames en verre (type lame pour microscope optique) de film plastique alimentaire de manière à obtenir une surface bien plane, sans défauts de surface ni poussière, sur laquelle la résine époxy se détache facilement.
Une lame possède trois épaisseurs de ruban adhésif de chaque côté. On vient déposer la résine époxy sur cette lame. Ensuite on recouvre cette lame d'une autre lame (aussi recouverte de film plastique) mais qui ne possède pas de ruban adhésif.
On fait en sorte que la résine s'étale bien de manière homogène entre les deux plaques de verre et qu'on a bien la taille souhaitée pour la couche adaptatrice (diamètre de 1,5 cm minimum, ici on a un diamètre de 2,5 cm environ).
On recouvre le tout avec des poids et on laisse polymériser.

Jeudi 17 Mars

Présence de Vincent et Gérard.

Lame adaptatrice du transducteur n° 2

Les lames adaptatrices se décollent bien et on les découpe à l’emporte-pièce. On fait une encoche dans les lames afin de faire passer la soudure du fil électrique collé sur la face concave de la capsule piézoélectrique.

Essai de collage n° 1

On colle une première lame en utilisant de la résine époxy (la même que nous utilisons pour fabriquer la lame et le backing mais sans tungstène ni SiO2). C'est un échec puisque la lame n'est pas collée de manière homogène. On a oublié de polir la surface de collage, la lame s'est mal collée. Pour obtenir un bon collage il faut polir la surface et la décaper à l’alcool (pour ne pas empêcher le collage à cause de gras sur la surface). Il est aussi préférable de travailler sur une paillasse propre sans poussière. Suite à cet échec il est nécessaire de décoller les parties de la lame qui ont adhéré à la capsule piézoélectrique. Malheureusement une partie de la métallisation de la surface du piézoélectrique s'est détachée avec la lame. On espère que le piézoélectrique n'est pas trop abîmé.

Essai de collage n° 2

Cette fois on va utiliser de la colle époxy conductrice chargée en argent à la place de la résine époxy. En effet on a arraché une partie de la métallisation sur la face concave du piézoélectrique lorsque l'on a retiré la lame précédente. On pense réparer ce défaut en utilisant une colle conductrice. On enduit la lame adaptatrice et la face concave du piézoélectrique de colle conductrice après avoir poli la surface du piézoélectrique et nettoyé les surfaces en contact à l'alcool. On applique une force pendant toute la durée du collage qui dure 24 heures suivant le même protocole que le jeudi 21 janvier.

Photographies

Binocles utilisées pour le collage de la lame adaptatrice
Binocles utilisées pour le collage de la lame adaptatrice


Lame adaptatrice avec encoche, prête à être collée
Lame adaptatrice avec encoche, prête à être collée


Matériel utilisé pour le collage de la lame adaptatrice
Matériel utilisé pour le collage de la lame adaptatrice


Montage utilisé pour le collage de la lame adaptatrice
Montage utilisé pour le collage de la lame adaptatrice


Jeudi 24 Mars

Nous avons caractérisé le transducteur acoustique n° 2 auquel nous avons ajouté une lame adaptatrice d'impédance la semaine précédente. A notre plus grand plaisir, le transducteur est fonctionnel et plus performant que le transducteur n° 1.

Caractérisation acoustique par la méthode du pulse-écho

Nous avons fait un test en pulse écho. Nous avons utilisé le même protocole que la fois dernière. Nous envoyons un pulse de durée 150 ns, de répétition 1 kHz et de Vpp 19,9 V. Nous utilisons un GBF Agilent auquel nous avons ajouté en sortie une charge de 50 Ω (nous avons fixé l'impédance de sortie du GBF à 10 kΩ). Nous utilisons une bassine remplie d'eau avec une cible en cuivre. Le transducteur est fixé sur un axe rotatif et disposé à une distance de la cible de 9 cm. Nous optimisons au maximum l'amplitude de l'écho reçu en jouant sur les axes du système et sur la distance de focalisation du transducteur.
Le temps de parcours de l'onde acoustique entre le pulse et le premier écho est de 125 µs. Le premier écho a une largeur de 3 µs et une amplitude Vpp de 0,653 V. Le pulse a une largeur de 2 µs et une amplitude Vpp de 7,77 V.

Pulse et écho du transducteur n° 2
Pulse et écho du transducteur n° 2

Bibliographie

Nous recensons ici les ouvrages, articles et autres documents utilisés dans notre recherche.

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