Conception et modélisation d'un capteur acoustique

Chapitre 2

Différents types de transducteurs ultrasonores

Sommaire

2.1 Introduction . 30

2.2 Théorie des ultrasons .. 30

2.2.1 Définition et applications des ultrasons ... 30

2.2.2 Paramètres de l'onde ultrasonore 31

2.2.3 Interaction du faisceau ultrasonore avec la matière ... 32
2.3 Différents types de transducteurs ultrasonores et leurs principes de fonc-

tionnement .. 34

2.2.1 Transducteur piézoélectrique 34

2.2.2 Transducteur capacitif 37

2.2.3 Transducteur piézorésistif 38

2.2.4 Transducteur impulsion-écho 38

2.4 Conclusion . 39

2.1 Introduction

Ce chapitre débute par une brève description de la théorie des ultrasons. Nous présentons ensuite les différents types de transducteurs ultrasonores et leurs principes de fonctionnement, en détaillant le transducteur ultrasonore piézoélectrique, qui fera par la suite l'objet de l'étude de modélisation et simulation décrites dans ce mémoire.

2.2 Théorie des ultrasons

2.2.1 Définition et applications des ultrasons

Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes ultrasonores ont besoin d'un support matériel (i.e. les ultrasons ne se propageant pas dans le vide) car elles sont liées au déplacement des particules du matériau dans lequel elles se propagent [65,66]. Parmi les différents types d'ondes, on distingue deux modes d'ondes principaux :

· Les ondes longitudinales (ou ondes de compression) pour lesquelles les vibrations des particules ont lieu parallèlement à la direction de propagation de l'onde (cf. figure 2.1.a).

·

Compression

Compression

Compression

Direction de propagation

(a)

Direction de vibration
des particules

(c)

Direction de vibration
des particules

Direction de propagation

Expansion

Expansion

Les ondes transversales (ou ondes de cisaillement) pour lesquelles les vibrations des particules ont lieu perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde (cf. figure 2.1.b).

Les ultrasons sont de même nature que les sons audibles, mais sont inaudibles pour l'oreille humaine. Le domaine fréquentiel des ultrasons s'étend de la frontière avec l'acoustique audible, fixée arbitrairement à 16 kHz, jusqu'aux fréquences d'agitation thermiques des molécules aux environs 10¹³ Hz. On désigne aussi sous le terme d'hypersons les ultrasons dont la fréquence est supérieure à 100 GHz [19].

Les principales applications des ultrasons sont présentées dans le tableau 2.1 en fonction de la fréquence de ces derniers.

Plage de fréquence	Applications
10-50kHz	Nettoyage, soudage, usinage, collage par ultrasons, émulsification...
10-100kHz	Acoustique sous-marine, analyse des sous-sols
1-20MHz	Acoustique médicale, échographie, contrôle non destructif
100MHz-10GHz	Acousto-optique, acousto-électronique
10-1000GHz	Étude de la matière

Tab. 2.1 - Principales applications des ultrasons en fonction de leur fréquence