FR3137252A1

FR3137252A1 - Transducteur ultrasonique pour application à haute température

Info

Publication number: FR3137252A1
Application number: FR2206279A
Authority: FR
Inventors: Frédéric NAVACCHIA; Dang Chi NGUYEN; Guy FEUILLARD; Louis Pascal TRAN HUU HUE
Original assignee: INSTITUT NAT DES SCIENCES APPLIQUEES CENTRE VAL DE LOIRE; INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES CENTRE VAL DE LOIRE; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: INSTITUT NAT DES SCIENCES APPLIQUEES CENTRE VAL DE LOIRE; INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES CENTRE VAL DE LOIRE; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-12-29
Anticipated expiration: 2042-06-23
Also published as: KR20250027262A; CN119403633A; FR3137252B1; WO2023247639A1

Abstract

Dispositif de transduction acoustique, comportant un convertisseur piézoélectrique (10), interposé entre une électrode avant (11) et une électrode arrière (12), formé d’un matériau piézoélectrique ; une ouverture avant (15), disposée de telle sorte que l’électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l’ouverture avant (15) ;le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique(EW) vers l’ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique (RW) se propageant depuis l’ouverture avant ; le dispositif comportant un composant arrière (13), appliqué contre l’électrode arrière ou formant l’électrode arrière, le composant arrière formant un dos amortisseur acoustique du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière comporte un métal poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C.

Description

Transducteur ultrasonique pour application à haute température

L’invention concerne un transducteur acoustique destiné à des opérations de contrôle non destructif, de détection d’obstacles, de télémétrie etc. dans des environnements pouvant être placés sous haute température, sous haute pression par exemple dans une installation nucléaire.

ART ANTERIEUR

Le contrôle non destructif par ultrasons est bien adapté à la surveillance de structures, de façon à suivre la résistance au vieillissement et l’apparition d’éventuels défauts, ou pour des opérations de télémétrie ou de détection d’obstacles. Certaines applications sont effectuées dans des environnements à haute température et ou haute pression. C’est par exemple le cas dans le domaine des moteurs d’avion, ou de l’industrie pétrolière, ou dans des réacteurs nucléaires.

La schématise un transducteur ultrasonore 1_AAde l’art antérieur, destiné à être utilisé dans un environnement à haute température. Par haute température, on entend généralement une température supérieure à 200°C, ou supérieure à 600 °C. Les éléments actifs du transducteur sont disposés dans un boîtier 2. Les éléments actifs comprennent, un convertisseur piézoélectrique 10, formé d’un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant 11 et une électrode arrière 12. Chaque électrode est reliée à un circuit électrique 20. L’électrode avant est disposée face à une ouverture d’entrée 15 ménagée dans le boîtier 2.

Sous l’effet de l’application d’une tension alternative entre les électrodes, le convertisseur piézoélectrique génère une onde acoustique EW. L’onde acoustique émise EW se propage vers un milieu 3 extérieur à l’enceinte 2, à travers l’ouverture 15. Le transducteur peut comporter une lame 14 permettant une adaptation d’impédance acoustique entre le transducteur et le milieu extérieur 3. Le transducteur fonctionne ainsi selon un mode d’émission.

Le transducteur peut également fonctionner selon un mode de réception, au cours duquel une onde acoustique RW se propage depuis le milieu extérieur 3 vers le transducteur. L’onde acoustique reçue RW entraîne une vibration du convertisseur piézoélectrique. Il en résulte une apparition d’une tension alternative aux bornes des électrodes 11 et 12. Le transducteur fonctionne ainsi selon un mode de réception.

Pour des applications en haute température, le matériau piézoélectrique peut être le niobate de lithium, comme décrit dans le brevet US9425384.

La représente un chronogramme de l’amplitude de vibration d’un transducteur électrique de l’art antérieur, suite à une réception d’une onde acoustique. L’axe des ordonnées correspond à l’amplitude de l’onde de vibration du convertisseur piézoélectrique, telle que mesurée par le circuit électrique, tandis que l’axe des abscisses correspond au temps. L’émission est déclenchée par une application d’une tension alternative pendant quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. Cependant la vibration du convertisseur piézoelectrique s’étend selon une durée bien plus longue, de l’ordre de quelques centaines de µs (microsecondes). Il en résulte une dégradation des performances du transducteur.

Afin d’adresser ce problème, il est connu de relier l’électrode arrière avec un élément, formant un « dos amortisseur », usuellement désigné par le terme « backing element ». La fonction principale du dos amortisseur est d’atténuer, au niveau de l’électrode arrière, la vibration de l’assemblage formé par le convertisseur piézoélectrique et les électrodes. Dans l’art antérieur, le dos amortisseur d’un transducteur peut être formé d’un polymère dopé avec des particules de masse volumique élevée, par exemple des particules de tungstène ou de plomb. On parle également de composite particulaire. La répartition aléatoire des particules induit des réflexions multiples et l’onde acoustique s’atténue par interférences destructives. Cela permet de réduire la durée de l’impulsion acoustique du transducteur. Cependant, une telle composition n’est pas adaptée à une application à haute température.

La publication “Porous ceramics as backing element for high temperature transducers”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 62, n°12, pp 360-372, 2015, décrit un transducteur, destiné à une utilisation sous haute température. Le transducteur comporte un dos amortisseur, relié à une électrode, constitué d’une céramique poreuse. Le recours à une céramique permet d’être compatible avec une mise en œuvre à une température élevée. Cependant, la fabrication d’un tel transducteur nécessite un assemblage de la céramique, formant le dos amortisseur, sur l’électrode. Une incertitude subsiste quant à la tenue, dans le temps, d'un tel assemblage. La résistance de céramiques poreuses à une exposition à des fortes irradiations est également incertaine.

Les inventeurs ont développé un transducteur à ultrasons, destiné à être utilisé sous forte irradiation, et sous haute température, ou exposé à de forts gradients de température, et cela pendant une durée de fonctionnement importante, supérieure à quelques années, voire à quelques dizaines d’années.

Un premier objet de l’invention est un dispositif de transduction acoustique, comportant

un convertisseur piézoélectrique, formé d’un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant et une électrode arrière;
un boîtier, contenant le convertisseur piézoélectrique, l’électrode avant et l’électrode arrière ;
une ouverture avant, ménagée dans le boîtier, disposée de telle sorte que l’électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l’ouverture avant;

le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique vers l’ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique se propageant depuis l’ouverture avant ;

le dispositif comportant un composant arrière, appliqué contre l’électrode arrière ou formant l’électrode arrière, le composant arrière formant un dos amortisseur du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière est un matériau métallique poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C.

Le dispositif peut comporter l’une des caractéristiques suivantes, prise isolément ou selon les combinaisons techniquement réalisables.

le composant arrière forme l’électrode arrière.
la température de fusion du matériau métallique est supérieure à 600 °C.
le matériau piézoélectrique présente une température de Curie et la température de fusion du matériau métallique est supérieure à la température de Curie du matériau piézoélectrique ;
la température de Curie du matériau piézoélectrique est supérieure à 1000°C.
la fraction volumique des pores du matériau métallique poreux est comprise entre 20% et 60% ou entre 25% et 50 % ou entre 25% et 40%.
la taille moyenne des pores est inférieure à 100 µm, la taille moyenne correspondant à un diamètre moyen de chaque pore.
le matériau piézoélectrique est choisi parmi le niobate de lithium ou le titanate de baryum.
le matériau métallique comporte au moins un élément choisi parmi : Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al.
le matériau métallique est un alliage de type acier inoxydable.

Un autre objet de l’invention est une utilisation d’un dispositif selon le premier objet de l’invention pour émettre ou recevoir une onde acoustique, l’onde acoustique émise ou reçue se propageant à travers l’ouverture, le dispositif étant disposé dans un milieu dont la température est supérieure à 200°C.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

La schématise un transducteur selon l’art antérieur.

La une vibration d’un transducteur.

La représente un premier mode de réalisation d’un transducteur selon l’invention.

La représente un deuxième mode de réalisation d’un transducteur selon l’invention.

La schématise une mauvaise adaptation d’impédance entre un convertisseur piézoélectrique et un composant formant un dos amortisseur, assemblé au convertisseur.

La schématise une bonne adaptation d’impédance entre un convertisseur piézoélectrique et un composant formant un dos amortisseur, assemblé au convertisseur.

La schématise un banc d’essais, visant à déterminer une vitesse de propagation d’une onde acoustique à travers différents matériaux.

Les figures 5A et 5B montrent des échogrammes de détection obtenus avec le banc d’essai schématisé sur la , respectivement en présence et en l’absence d’échantillon étudié.

La représente la vitesse de propagation (ou célérité) d’une onde acoustique (axe des ordonnées – unité m.s^-1) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %).

La représente l’impédance acoustique d’un matériau en acier inoxydable poreux (axe des ordonnées – unité Rayls x 10⁷) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %).

La représente un coefficient d’atténuation linéaire (axe des ordonnées – unité dB/mm) en fonction de la fraction volumique des pores (axe des abscisses - %).

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La illustre un premier mode de réalisation d’un transducteur 1 selon l’invention. Comme décrit en lien avec l’art antérieur, le transducteur comporte un convertisseur 10 formé par un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant 11 et une électrode arrière 12. L’assemblage, formé par le convertisseur piézoélectrique 10, l’électrode avant et l’électrode arrière, est disposé un boîtier 2 comportant une ouverture 15. L’électrode avant 11 s’étend entre l’ouverture 15 et le convertisseur piézoélectrique 10. Le dispositif comporte de préférence une lame d’adaptation d’impédance acoustique 14, interposée entre l’électrode avant 11 et l’ouverture 15. La lame d’adaptation d’impédance est par exemple formée d’aluminium.

Le transducteur est relié à un circuit électrique 20, permettant d’appliquer ou de mesurer une tension alternative entre l’électrode avant et l’électrode arrière. Comme décrit en lien avec l’art antérieur, sous l’effet d’une application d’une brève tension alternative, une onde acoustique EW est émise à travers l’ouverture 15, et se propage à travers un milieu ambiant 3. Le milieu ambiant peut notamment être liquide ou solide. Il peut s’agir d’eau, d’un matériau liquide ou d’un matériau solide. Sous l’effet d’une réception d’une onde acoustique RW, un signal électrique alternatif est détecté par le circuit électrique 20, dont l’amplitude correspond à l’amplitude de vibration du convertisseur piézoélectrique sous l’effet de la réception de l’onde acoustique RW.

Le convertisseur piézoélectrique 10 peut prendre la forme d’un disque d’épaisseur de 1 mm, et de diamètre compris entre 5 mm et 50 mmm. Le matériau utilisé est compatible à une utilisation à haute température, par exemple entre 200°C et 700°C, voire davantage, par exemple au-delà de 1000 °C. Le matériau piézoélectrique peut être du Niobate de Lithium (LiNbO₃). La fréquence de résonance du convertisseur piézoélectrique peut être de quelques centaines de kHz jusqu’à plusieurs MHz, par exemple 4 MHz ou 5 MHz. L’épaisseur de chaque électrode peut être de l’ordre de 1 mm. Chaque électrode peut prendre la forme d’un disque, dont le diamètre correspond à celui du convertisseur piézoélectrique 10.

Le circuit électrique 20 est relié à une unité centrale 30, configurée pour commander le circuit électrique lorsque le transducteur fonctionne en mode d’émission et/ou analyser la tension mesurée entre les électrodes lorsque le transducteur fonctionne en mode de réception.

Le transducteur 1 comporte un composant arrière 13, appliqué contre l’électrode arrière 12. Le composant arrière est destiné à former un « dos amortisseur » vis-à-vis du convertisseur piézoélectrique 10. Comme évoqué dans l’art antérieur, il s’agit d’atténuer les échos de l’onde acoustique transmise vers l’arrière du convertisseur piézoélectrique. L’épaisseur du dos amortisseur est de préférence supérieure à 5 mm, voire 10 mm. Elle peut être comprise entre 10 mm et 100 mm, par exemple 40 mm.

Un aspect important de l’invention est que le dos amortisseur 13 est formé par un matériau métallique (métal pur ou alliage métallique) poreux, dont la température de fusion est supérieure à 200°C, et de préférence supérieure à 600 °C ou à 700 °C, et de préférence à 1000 °C. Il peut par exemple s’agir d’un acier, par exemple de l’acier inoxydable, ou d’aluminium, ou d’un métal choisi parmi : Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al. Il peut s’agir d’un alliage métallique tel que le bronze ou le laiton. Le dos amortisseur peut être formé du même matériau que l’électrode arrière, ce qui facilite leur assemblage.

Un avantage du matériau métallique, notamment l’acier inoxydable, est la bonne tenue à la corrosion, aux rayonnements ionisants, en particulier neutrons ou gamma, ce qui le rend compatible avec une utilisation dans une installation nucléaire.

Lorsque le dos amortisseur est formé du même matériau que l’électrode arrière, en l’occurrence un métal conducteur, on évite une phase d’assemblage du dos sur l’électrode. Inversement, lorsque le dos amortisseur est réalisé en une céramique, l’assemblage implique le recours à une colle ou à un brasage. Un tel assemblage peut ne pas être résistant, dans le temps, notamment lorsque le transducteur est soumis à de forts gradients thermiques. En effet, les coefficients de dilatation thermiques respectifs d’une céramique et d’une électrode métallique sont généralement différents l’un de l’autre. Cela peut entraîner une dégradation de l’assemblage dans le temps, notamment lors d’une exposition répétée à de forts gradients thermiques.

Le matériau formant le convertisseur piézoélectrique 10 présente une température de Curie, au-delà de laquelle on considère que le comportement piézoélectrique disparaît. Il est préférable que la température de fusion du matériau métallique formant le dos amortisseur soit supérieure à la température de Curie du convertisseur piézoélectrique. Le niobate de lithium présente une température de Curie supérieure à 1100 °C.

Le recours à un matériau métallique électriquement conducteur est avantageux. La schématise un mode de réalisation dans lequel le dos amortisseur et l’électrode arrière forment une même pièce. Ainsi, l’électrode arrière est formée du matériau métallique poreux, électriquement conducteur. Un tel mode de réalisation est particulièrement avantageux car il minimise le nombre de pièces formant le transducteur, et simplifie la fabrication, en évitant notamment l’assemblage du dos amortisseur sur l’électrode.

Le dos amortisseur 13 est configuré pour maximiser une transmission d’une onde de vibration produite par le transducteur piézoélectrique, et minimiser une réflexion de ladite onde. Sur les figures 3A et 3B, on a représenté une configuration telle que représentée sur la , dans laquelle le convertisseur piézoélectrique 10 est directement disposé au contact du dos amortisseur 13, ce dernier faisant office d’électrode arrière. Au niveau de l’interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13, on peut définir un coefficient de transmission T et un coefficient de réflexion R. Le coefficient de transmission T correspond à un ratio entre

l’amplitude d’une onde, dite onde incidente, se propageant à partir du convertisseur piézoélectrique 10 et incidente au dos amortisseur 13, cette amplitude étant notée A_isur les figures 3A et 3B ;
l’amplitude d’une onde transmise A_t, qui correspond à la part de l’onde incidente se propageant à travers le dos amortisseur.

Le coefficient de réflexion R correspond à un ratio entre :

l’amplitude de l’onde incidente A_i;
l’amplitude d’une onde réfléchie A_r, qui correspond à la part de l’onde incidente réfléchie par le dos amortisseur 13 et se propageant vers le convertisseur piézoélectrique 10.

Si Z₁et Z₂désignent respectivement les impédances acoustiques du convertisseur piézoélectrique 10 et du dos amortisseur 13, les coefficients R et T sont tels que :

La schématise une configuration selon laquelle le coefficient de réflexion est, en valeur absolue, élevé et le coefficient de transmission est faible. Il s’agit d’une configuration non adaptée : la réflexion de l’onde incidente à l’interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13 engendre la formation d’échos augmentant la durée de l’onde acoustique émise ou reçue par le transducteur. Il en résulte une dégradation temporelle de la mesure, au sens où les instants d’émission ou de réception de l’onde sont déterminés avec une précision dégradée. Lorsque le transducteur est utilisé à des fins de télémétrie, il en résulte une dégradation de la résolution spatiale de la mesure.

La figure 3B schématise une configuration selon laquelle le coefficient de réflexion est proche de 0, et le coefficient de transmission est proche de 1, ce qui correspond à un cas idéal. La formation d’échos à l’interface entre le convertisseur piézoélectrique 10 et le dos amortisseur 13 est faible. Il en résulte une onde acoustique émise (ou détectée) plus courte, ce qui favorise la résolution temporelle de la mesure. L’invention vise à se rapprocher de cette configuration. L’expression (3) montre qu’une telle configuration est obtenue si les impédances acoustiques des deux milieux contigus sont proches l’une de l’autre, autrement dit .

L’impédance acoustique du convertisseur piézoélectrique 10 est généralement de quelques dizaines de MRayls, typiquement entre 25 et 40 MRayls (Méga Rayls), à comparer avec l’impédance acoustique de l’air , qui est de 430 Rayls ou de celle de l’eau, qui est de 1.5 MRayls. La configuration représentée sur la correspond à une interface convertisseur piézoélectrique/air. La configuration représentée sur la correspond à une interface convertisseur piézoélectrique/dos amortisseur métallique poreux que l’on souhaite obtenir.

Outre un coefficient de transmission proche de 1, le dos amortisseur métallique poreux doit atténuer l’onde acoustique transmise.

L’impédance et l’atténuation acoustique du dos amortisseur 13 sont contrôlées par la taille et la fraction volumique des pores. Différents essais expérimentaux ont été effectués, de façon à définir des plages de tailles et de fractions volumiques de pores permettant d’obtenir un coefficient de transmission proche de 1 et une atténuation suffisante. Il est à noter que l’effet, sur l’impédance, de la taille des pores, et de leur fraction volumique, dépend du matériau utilisé. Les valeurs obtenues sur un matériau ne sont pas transposables à un autre matériau.

Un paramètre clef est la vitesse de propagation acoustique, à partir de laquelle l’impédance acoustique peut être calculée selon l’expression :

où est la densité du matériau métallique, exprimée en kg.m^-3et est exprimée en m.s^-1

La schématise un banc d’essai d’échométrie 100. On a disposé des échantillons métalliques 103 de différentes porosités entre un émetteur acoustique 101 et un récepteur acoustique 102. L’ensemble est immergé dans de l’eau 104.

La figure 5A représente une impulsion reçue par le récepteur acoustique 102 en l’absence d’échantillon interposé entre l’émetteur et le récepteur. correspond à un instant de détection de l’onde acoustique. L’axe des ordonnées correspond à l’amplitude et l’axe des abscisses correspond au temps. La propagation de l’onde acoustique à travers l’eau 104 est matérialisée par une flèche en pointillés.

La figure 5B montre les impulsions reçues par le récepteur acoustique 102 après qu’un échantillon 103, d’épaisseur , a été interposé entre l’émetteur et le récepteur. L’axe des ordonnées correspond à l’amplitude et l’axe des abscisses correspond au temps. La propagation de l’onde acoustique à travers l’eau 104 est matérialisée par une flèche en trait plein. Compte tenu des interfaces formées par l’échantillon 103, deux impulsions sont détectées : une première impulsion, à l’instant , correspond à l’onde s’étant propagée à travers l’échantillon, sans réflexion. Par rapport à l’instant d’émission de l’onde acoustique par l’émetteur 101, l’instant est antérieur à l’instant , du fait de la vitesse de propagation de l’onde acoustique est supérieure dans l’échantillon 103 que dans l’eau 104.

A partir de ces mesures, la vitesse de propagation acoustique (ou célérité) peut être définie :

sur la base de , en utilisant l’expression :
sur la base de , en utilisant l’expression :

Dans (5), désigne la vitesse de propagation acoustique dans l’eau.

On a testé des échantillons d’acier inoxydable de type 316L d’épaisseurs variables (5 mm ou 10 mm), présentant différentes fractions volumiques de porosité (entre 25 % et 53 %) et différentes tailles moyennes de pores (diamètre moyen compris entre 2 µm et 60 µm). Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques des échantillons testés. Chaque échantillon 103 se présentait sous la forme d’une plaque de dimension 50 mm par 50 mm.

La fraction volumique de porosité de chaque échantillon a été déterminée en mesurant la masse volumique. Les tailles moyennes des pores ont été déterminées par microscopie optique. Le tableau 1 montre les principales caractéristiques des échantillons testés.

Référence	Epaisseur moyenne (mm)	Porosité (%)	diamètre moyen des pores (µm)
02-10	10.00	25.20	1.7
05-10	10.30	36.91	7.6
10-10	10.10	34.97	10.9
15-10	9.90	44.12	13.5
25-10	9.90	45.14	26.5
40-10	10.30	52.75	39.0
60-05	5.10	52.95	59.5

Tableau 1.

La montre les vitesses de propagation de l’onde acoustique déterminées à partir de l’expression (6), en fonction de la fraction volumique de porosité. Sur la , l’axe des ordonnées correspond à la célérité (unité m.s^-1) et l’axe des abscisses correspond à la porosité (%).

La figure 6B montre l’impédance acoustique, calculée selon (4), à partir de la connaissance de la densité des matériaux testés et des célérités obtenues en mettant en œuvre l’expression (6). L’axe des ordonnées correspond à la célérité (unité m/s) et l’axe des abscisses correspond à la fraction volumique des pores (%).

On a également déterminé un coefficient linéaire d’atténuation α, (en dB/mm) à partir des amplitudes maximales des ondes détectées par le récepteur 102. L’atténuation a été mesurée en comparant les amplitudes des impulsions respectivement détectées aux instants et définis en lien avec la .

A partir des atténuations et calculées pour chaque échantillon, on a déterminé un coefficient linéaire d’atténuation, par millimètre, noté , en prenant en compte :

l’épaisseur de l’échantillon lorsqu’on considère ;
deux fois l’épaisseur e de l’échantillon lorsqu’on considère .

La figure 6C représente les coefficients d’atténuation obtenus à partir de l’expression (7). L’axe des ordonnées correspond à l’atténuation (unité dB/mm) et l’axe des abscisses correspond à la fraction volumique des pores (%).

Sur les figures 6A et 6C, chaque point correspond à une valeur mesurée. On a également tracé, en pointillés, une fonction résultant de l’interpolation de chaque point de mesure. Sur les figures 6A et 6B, l’interpolation est linéaire. Sur la , la fonction résultant de l’interpolation est polynomiale.

La permet de définir une plage de fraction volumique de porosité, exprimée en %, pour laquelle l’impédance est suffisamment proche de l’impédance du matériau piézoélectrique, c’est-à-dire dans la plage 10 – 40 MRayls. D’après la , cela correspond à une fraction volumique de porosité inférieure à 50%.

La permet de définir une plage de fraction volumique de porosité, exprimée en %, pour laquelle l’atténuation est suffisante. Par atténuation suffisante, on entend un coefficient d’atténuation α supérieur ou égal à 1 dB/mm. D’après la , cela correspond à une fraction volumique de porosité supérieure à 25%.

La plage de porosité optimale est celle pour laquelle :

l’impédance du matériau métallique poreux formant le dos amortisseur est suffisamment élevée (proche de l’impédance du matériau piézoélectrique), sachant que l’impédance décroît avec la fraction volumique de porosité : cf. ;
l’atténuation est suffisamment élevée, sachant que le coefficient linéaire d’atténuation α croît avec la fraction volumique de porosité : cf. .

On comprend de ce qui précède que l’effet d’atténuation est dû à la présence des pores, tandis que l’effet d’adaptation d’impédance est dû au métal. Les caractéristiques de porosité du métal résultent donc d’un compromis sur la fraction volumique des pores.

En ce qui concerne l’acier inoxydable de type 316L, en prenant en compte une taille (i-e diamètre moyen) de pores comprise entre 2µm et 60 µm, la plage optimale de fraction volumique de porosité est comprise entre 25% et 50%.

La plage optimale de fraction volumique de porosité peut être différente pour un autre matériau. D’une façon générale, les caractéristiques du matériau métallique poreux formant le dos amortisseur 13 du transducteur sont :

un diamètre moyen de pores inférieur à 500 µm, et inférieur à 200 µm ou à 100 µm ;
et/ou une fraction volumique de porosité comprise entre 20% et 60 %, et de préférence entre 25% et 50%, et encore de préférence entre 25% et 40 %.

Dans l’exemple de réalisation précédemment décrit, le matériau piézoélectrique formant le convertisseur est en niobate de lithium. D’autres matériaux piézoélectriques adaptés à des environnements sous haute température sont utilisables, par exemple le titanate de baryum (BaTiO₃), le titanate de bismuth(BiTiO₃) et ses dérivés (ajout de sodium par exemple), le nitrure d’aluminium (AlN), les langatates (oxyde de lanthane, gallium et tantale).

Le transducteur selon l’invention pourra être utilisé dans toute application sous haute température, à des fins de contrôle non destructif ou de diagnostic ou de télémétrie ou de détection d’obstacle ou de débitmétrie.

Claims

Dispositif de transduction acoustique, comportant
un convertisseur piézoélectrique (10), formé d’un matériau piézoélectrique, interposé entre une électrode avant (11) et une électrode arrière (12);

un boîtier (2), contenant le convertisseur piézoélectrique, l’électrode avant et l’électrode arrière ;

une ouverture avant (15), ménagée dans le boîtier, disposée de telle sorte que l’électrode avant est disposée entre le matériau piézoélectrique et l’ouverture avant (15) ;
le dispositif étant configuré pour émettre une onde acoustique (EW) vers l’ouverture avant ou pour détecter une onde acoustique (RW) se propageant depuis l’ouverture avant ;
le dispositif comportant un composant arrière (13), appliqué contre l’électrode arrière ou formant l’électrode arrière, le composant arrière formant un dos amortisseur du dispositif, le dispositif étant caractérisé en ce que le composant arrière est un matériau métallique poreux dont la température de fusion est supérieure à 200°C.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composant arrière forme l’électrode arrière.
Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la température de fusion du matériau métallique est supérieure à 600 °C.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
le matériau piézoélectrique présente une température de Curie ;

la température de fusion du matériau métallique est supérieure à la température de Curie du matériau piézoélectrique.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la température de Curie du matériau piézoélectrique est supérieure à 1000°C.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction volumique des pores du matériau métallique poreux est comprise entre 20% et 60% ou entre 25% et 50 % ou entre 25% et 40%.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la taille moyenne des pores est inférieure à 100 µm, la taille moyenne correspondant à un diamètre moyen de chaque pore.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau piézoélectrique est choisi parmi le niobate de lithium ou le titanate de baryum.
Dispositif l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel matériau métallique comporte au moins un élément choisi parmi Ni, Fe, Pd, Ag, Au, Cu, Pd, Al.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau métallique est un alliage de type acier inoxydable.
Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes pour émettre ou recevoir une onde acoustique (EW, RW), l’onde acoustique émise ou reçue se propageant à travers l’ouverture (15), le dispositif étant disposé dans un milieu (3) dont la température est supérieure à 200°C.