Transducteur acoustique d'echOpen

Qu'est-ce qu'un transducteur piézoélectrique ?

Schéma d'une capsule piézoélectrique

Un transducteur est un dispositif permettant de convertir une grandeur physique en une autre. Par exemple, un haut-parleur transforme un signal électrique en ondes acoustiques.
Une sonde échographique requiert justement un transducteur électro-acoustique. Nous n'allons pas utiliser un haut-parleur mais un transducteur piézoélectrique. Le fonctionnement de ce dernier est simple.
Sous une contrainte mécanique, la capsule piézoélectrique se polarise, induisant une tension entre ses bornes (effet piézoélectrique direct). Inversement, sous l'effet d'un champ électrique la capsule piézoélectrique se déforme (effet piézoélectrique indirect).

Cahier des charges

Le transducteur doit respecter plusieurs contraintes techniques.

  • Focalisation à 10 cm.
  • Fréquence centrale de 3,5 MHz

Evidemment, un transducteur a une fréquence centrale fixée ce qui nécessite de concevoir trois transducteurs différents si l'on veut avoir trois fréquences utiles : 3,5, 5,5 et 7,5 MHz.

Solution technique retenue

Schéma d'un transducteur acoustique piézoélectrique

Pour l'instant nous ne fabriquons pas nos propres capsules piézoélectriques. Nous avons acheté des capsules piézoélectriques concaves (focalisation à 10 cm) en Pz27 chez Ferroperm. Elles ont un diamètre de 1,5 cm.

Nous venons de terminer la conception du backing pour le transducteur. Le backing est un élément essentiel du transducteur. Il permet d'éviter une résonnance néfaste des ondes acoustiques dans le cristal piézoélectrique. Sans cet élément il est impossible d'obtenir des images échographiques. Avec ce backing nous avons maintenant un transducteur fonctionnel.

La conception de cet élément nécessite du temps puisqu'il faut faire de nombreux essais expérimentaux pour obtenir un résultat concluant. Finalement, nous avons bien un backing caractérisé par son impédance acoustique de 4,5 MRayl, homogène. Notre backing est un mélange de poudre de verre, de poudre de tungstène et de colle époxy. Voici le tableau récapitulatif de nos essais : File:Tableau de suivi des essais de backing.pdf.

Afin d'améliorer la qualité de notre sonde, nous souhaitons ajouter une lame adaptatrice d'impédance acoustique en sortie du transducteur (sur la face concave). C'est un défi technologique à relever puisque cette lame a une épaisseur de l'odre de 0,1 mm et doit épouser une surface concave. Cette lame permet d'adapter l'impédance acoustique puisque la capsule piézoélectrique a une impédance acoustique de l'ordre de 33 MRayl et le milieu extérieur a une impédance acoustique de l'ordre de 1,5 MRayl.

Backing

Composition

La composition pour un backing à 4,5 MRayl homogène est la suivante.

  • Colle époxy (type SADER) : 3,0 g.
    • Durcisseur : 1,5 g.
    • Résine : 1,5 g.
  • Poudre de tungstène (grain 12 µm) : 3,4 g.
  • Poudre de verre (grain 12 µm) : 1,0 g.

Il faut respecter les proportions de chaque composants. Les masses ne sont données qu'à titre indicatif.

Processus de fabrication

Six étapes sont indispensables pour concevoir un backing fonctionnel.

  • Ajouter les composants sus-cités dans un contenant ouvert (type bécher).
  • Mélanger et homogénéiser.
  • Dégazer le mélange sous vide.
  • Couler le mélange dans un moule.
  • Dégazer le mélange sous vide.
  • Laisser polymériser (à température ambiante ou à l'étuve).


Piézoélectrique et backing

L'assemblage de la capsule piézoélectrique et du backing se fait en dix étapes.

  • Coller un fil électrique sur la face plane de la capsule.
  • Ajouter les composants nécessaires au backing dans un contenant ouvert (type bécher).
  • Mélanger et homogénéiser.
  • Dégazer le mélange sous vide.
  • Placer la capsule piézoélectrique dans un moule adapté, face concave au fond en laissant ressortir le fil électrique.
  • Couler le mélange du backing dans le moule, sur la capsule piézoélectrique.
  • Dégazer le mélange sous vide.
  • Laisser polymériser (à température ambiante ou à l'étuve).
  • Démouler.
  • Coller un deuxième fil électrique sur la face concave de la capsule.

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