FR2650144A1 - Focused ultrasound transducer - Google Patents
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Abstract
Description
TRADUCTEUR ULTRASONORE FOCALISE
DESCRIPTION
L'invention se rapporte à un traducteur ultrasonore focalisé permettant Le contrôle non destructif par ultrasons des matériaux. Le principe de base est La génération d'ondes acoustiques dans Le atériau à tester et la réception des ondes réfléchies et/ou diffractées par un ou plusieurs défauts éventuels. La détection des ondes en retour permet d'effectuer un diagnostic sur La santé de La pièce et d'évalure les dimensions du reflecteur. L'objectif est donc double. II s'agit d'une part de détecter les défauts et autre part de déterminer Leurs dimensions.FOCUSED ULTRASONIC TRANSLATOR
DESCRIPTION
The invention relates to a focused ultrasonic transducer for non-destructive ultrasonic testing of materials. The basic principle is the generation of acoustic waves in the material to be tested and the reception of the waves reflected and / or diffracted by one or more possible defects. The detection of the waves in return makes it possible to make a diagnosis on the health of the part and to evaluate the dimensions of the reflector. The goal is twofold. It is a question of detecting defects and of determining their dimensions.
L'invention s'applique plus particulièrement à L'exploratiohn drune piece en profondeur selon une direction principaLe (direction du contrôle) faisant un certain angle ro avec la normale à la surface de cette pièce au point d'impact du rayon central du faisceau ultrasonore incident. Les pieces à contrôler sont par exemple des cuves de réacteur à eau pressurisée ou de surgénérateur. The invention applies more particularly to the exploration of a room in depth in a main direction (direction of control) making a certain angle ro with the normal to the surface of this room at the point of impact of the central beam of the ultrasonic beam incident. The parts to be tested are for example pressurized water reactor vessels or breeder reactor.
Pour avoir une bonne sensibilité et assurer la meilleure detection possible (d'un point de vue rapport signal/bruit), il est nécessaire de concentrer les ondes ultrasonores émises par Le. traducteur ultrasonore. Cela conduit à ne s'intéresser qu'à une zone limitée de la pièce à contrôler, appelée zone focale, pour laquelle Le champ acoustique est maximum. To have a good sensitivity and ensure the best possible detection (from a point of view signal / noise ratio), it is necessary to concentrate the ultrasonic waves emitted by Le. ultrasonic translator. This leads to concern only a limited area of the room to be controlled, called focal zone, for which the acoustic field is maximum.
Les caractéristiques de focalisation sont alors choisies en fonction de La zone de la pièce à examiner.The focusing characteristics are then chosen according to the area of the part to be examined.
On sait par ailleurs que le pouvoir de focalisation d'un traducteur en immersion dans l'eau, pour une fréquence donnée, est une fonction du rapport
F/D, F étant la distance focale dans l'eau et D la dimension du traducteur ultrasonore. Voir à cet effet le document FR-A-2 224 044.It is also known that the focusing power of a translator immersed in water, for a given frequency, is a function of the ratio
F / D, where F is the focal length in water and D is the size of the ultrasonic transducer. See for this purpose document FR-A-2 224 044.
Ainsi, pour un traducteur circulaire de diamètre D, de longueur d'onde #o dans l'eau, le diamètre d6 du champ acoustique en émission/réception, dans la zone focale (å -6 dB du maximum) est égal, en premSere approximation, à Xo.F/D, où F est la focale du traducteur dans l'eau. Cette dimension restant inchangée après passage d'une interface, le plus petit défaut mesurable, pour ce traducteur, est donc de dimension supérieure ou égale à d6. Ces résultats géneraux ne dépendent pas de la façon dont est réalisée la focalisation. Thus, for a circular transducer of diameter D, wavelength # o in the water, the diameter d6 of the acoustic field in transmission / reception, in the focal zone (å -6 dB of the maximum) is equal, in first. approximation, at Xo.F / D, where F is the focal length of the translator in water. This dimension remaining unchanged after passing an interface, the smallest measurable defect for this translator, is therefore greater than or equal to d6. These general results do not depend on the way in which focus is achieved.
La technique la plus simple apparemment pour concentrer l'énergie d'un traducteur ultrasonore consiste à mettre en forme la pastille piézoélectrique émettrice. La forme la plus simple est une coupelle sphérique, le point focal étant alors égal au centre de courbure de la coupelle. The simplest technique apparently for concentrating the energy of an ultrasonic transducer is to shape the emitting piezoelectric pellet. The simplest form is a spherical cup, the focal point then being equal to the center of curvature of the cup.
Cette technique est malheureusement limitée à des pastilles de dimensions réduites (diamètre < 1 cm). This technique is unfortunately limited to pellets of reduced size (diameter <1 cm).
D'autre part, si on désire tenir compte de la réfraction du faisceau ultrasonore sur la surface de la pièce à contrôler (dans le cas d'une incidence oblique sur la pièce ou d'un grand diamètre de traducteur), on est conduit à definir des surfaces de coupelles (surfaces équiphases dites encore surfaces de Fermat) difficiles à obtenir par mise en forme de la pastille ou par usinage, compte tenu du matériau constituant les pastilles. Ce procédé est donc limité à des coupelles sphériques de petit diamètre.On the other hand, if one wishes to take into account the refraction of the ultrasonic beam on the surface of the part to be controlled (in the case of oblique incidence on the part or of a large diameter of the translator), one is led to define cup surfaces (equiphase surfaces still called Fermat surfaces) difficult to obtain by shaping the pellet or by machining, given the material constituting the pellets. This process is therefore limited to spherical cups of small diameter.
La deuxième technique de focalisation consiste à utiliser, comme représenté sur la figure 1, une pastille émettrice plane 11 sur laquelle est accotée une lentille de focalisation 1Z, plan-concave,
la face plane 14 étant au contact de la pastille 11. La forme de La face 16 de la lentille est déterminée en appliquant les principes généraux de L'optique géométrique appliqués à L'acoustique. Cette technique
conduit generalement à l'usinage d'une Lentille torique.The second focusing technique consists in using, as represented in FIG. 1, a flat emitting patch 11 on which a 1Z planar-concave focusing lens is abutted.
the flat face 14 being in contact with the pellet 11. The shape of the face 16 of the lens is determined by applying the general principles of geometric optics applied to acoustics. This technique
generally leads to the machining of a toric lens.
Les calculs de surface de Fermat et de surface de lentille donnés ci-après supposent de se placer dans L'approximation des hautes fréquences de maniére à repousser à l'infini ta limite du champ proche donnée par une ouverture. Cette hypothèse permet de ne pas prendre en compte la limite du champ proche donnee par une ouverture qui constitue la limite maxima Le de La distance focale. L'art antérieur a montré qu'il était raisonnable de prendre en fait les deux tiers de cette valeur comme limite supérieure. The Fermat surface and lenticular surface calculations given below assume to be placed in the high frequency approximation so as to push the limit of the near field given by an opening to infinity. This hypothesis makes it possible not to take into account the limit of the near field given by an opening which constitutes the maximum limit of the focal length. Prior art has shown that it is reasonable to actually take two-thirds of this value as the upper limit.
Dans cette approximation, on peut alors appliquer les Lois de L'optique géométrique (théorie des rayons, propagation rectiligne, Lois de Descartes). In this approximation, we can then apply the Laws of Geometric Optics (ray theory, rectilinear propagation, Laws of Descartes).
Sur Les figures 2 et 3, on a représenté les éléments de détermination de la surface SF de Fermat, relative ô une interface 1-2 respectivement quelconque et plane ainsi qu'à un point de focalisation F. Cette surface SF sert à définir la forme de la Lentille 12 selon l'art antérieur (confer FR-A-2 224 044). FIGS. 2 and 3 show the Fermat SF surface determination elements relative to each other and to a plane interface F 1 and to a focusing point F. This SF surface serves to define the shape of the lens 12 according to the prior art (see FR-A-2 224 044).
Sur La figure 2, Ox est la tangente à
L'interface au point 0, entre la pièce à contrôler 2 et
Le milieu 1 couplant (eau par exemple) ; Oz correspond à la normale sortant à l'interface et contient le point
F ; OF représente la profondeur de focalisation Zo ; Oy est choisi pour, que. C,x,y,z constitue un repère orthonormé direct ; M représente un point de la surface de Fermat SF ; Mo est le point milieu de la surface
SF ; I et Io Les points d'impact des rayons acoustiques issus de M et Mo sur la surface de la pièce 2 ; He représente la hauteur de milieu couplant, c'est-à-dire la distance MoIo ; i et r représentent respectivement les angles d'incidence et de réfraction associés au point M ; io et ro sont respectivement les angles d'incidence et de réfraction associés au point Mo. In Figure 2, Ox is the tangent to
The interface at point 0, between the part to be checked 2 and
Coupling medium 1 (water for example); Oz is the normal outgoing at the interface and contains the point
F; OF represents the depth of focus Zo; Oy is chosen for, that. C, x, y, z constitutes a direct orthonormal reference; M represents a point on the Fermat SF surface; Mo is the midpoint of the surface
SF; I and Io The points of impact of the acoustic rays coming from M and Mo on the surface of the part 2; He represents the height of the coupling medium, that is to say the distance MoIo; i and r respectively represent the angles of incidence and refraction associated with the point M; io and ro are respectively the angles of incidence and refraction associated with the point Mo.
Par définition les points N doivent vérifier l'équation suivante
MI/V1 + IF/V2 = Constante (dimension d'un temps) ou V1 et V2 sont respectivement les vitesses de propagation dans les milieux 1 et 2.By definition the points N must verify the following equation
MI / V1 + IF / V2 = Constant (dimension of a time) or V1 and V2 are respectively the propagation velocities in media 1 and 2.
En introduisant l'indice de réfraction n=V2/V1 et en notant CI la constante, on obtient l'équation (1) suivante :
(1) MI + IF/n = C1 (dimension d'une distance).By introducing the refractive index n = V2 / V1 and noting the constant CI, we obtain the following equation (1):
(1) MI + IF / n = C1 (dimension of a distance).
La valeur de C1 est définie par la trajectoire du rayon particulier partant du point No. The value of C1 is defined by the trajectory of the particular ray starting from point No.
On a donc ltequation suivante : C1 = He + IoF/n ; IoF est déterminé par Zo et io (ou ro).We therefore have the following equation: C1 = He + IoF / n; IoF is determined by Zo and io (or ro).
La deuxième équation (2) est donnee par la loi de Descartes
(2) sin(r) = n.sin(i).The second equation (2) is given by the law of Descartes
(2) sin (r) = n.sin (i).
Pour compléter le système d'équations, on utilise en outre les équations (3) déduites de la géométrie. To complete the system of equations, equations (3) deduced from the geometry are also used.
La résolution des équations (1), (2) et (3) donne les coordonnées XM, YM, ZM du point M dans le repère O,x,y,z qui est défini pour chaque type d'interface. The resolution of equations (1), (2) and (3) gives the coordinates XM, YM, ZM of the point M in the frame O, x, y, z which is defined for each type of interface.
Dans Le cas d'une interface plane, tel que représenté sur la figure 3, le plan (Oxz) (partie A de la figurel correspond au plan d'incidence et le plan (Oxy > (partie B de La figure) correspond à l'interface 1-2 couplant-pièce. In the case of a plane interface, as represented in FIG. 3, the plane (Oxz) (part A of the figurel corresponds to the plane of incidence and the plane (Oxy> (part B of FIG. interface 1-2 coupler-piece.
La surface à déterminer admet une symétrie de rèvolution autour de l'axe Oz passant par F. IL suffit donc de calculer la surface SF dans le plan d'incidence (Oxy), puis de faire une rotation selon L'axe Oz. The surface to be determined admits a symmetry of revolution around the Oz axis passing through F. It is therefore sufficient to calculate the surface SF in the plane of incidence (Oxy), then to make a rotation along the axis Oz.
Dans le cas d'une interface plane (figure 3), les équations (3) déduites de la géométrie sont les suivantes :
<tb> <SEP> XM=Xf+Z.tg(i) <SEP> tg(r)=Xi/Zo
<tb> (3)
<tb> <SEP> IoF=Zo/cos(ro), <SEP> MI=ZM/cos <SEP> (i) <SEP> et <SEP> IF <SEP> = <SEP> Zo/cos(r). <SEP>
<tb> <tb><SEP> XM = Xf + Z.tg (i) <SEP> tg (r) = Xi / Zo
<tb> (3)
<tb><SEP> IoF = Zo / cos (ro), <SEP> MI = ZM / cos <SEP> (i) <SEP> and <SEP> IF <SEP> = <SEP> Zo / cos (r) . <September>
<Tb>
Xi, Yi et Zi étant les coordonnées du point d'impact I.Xi, Yi and Zi being the coordinates of the point of impact I.
A L'aide des équations (1) à (3) et en effectuant une rotation d'angle 8 autour de l'axe Oz, (O correspondant à L'angle entre OIoMo et La droite
OIM) on obtient Les équations (4) de La surface de
Fermat SF, suivantes
XM=f(i).sin(i).cos(e)
YM=f(i).sin(i).sin(e)
ZM=g(i).cos(i) avec e dans L'ihntervalle [- #/2, #/2] ,et
Zo n2 - 1 Zo
f(i) = He + -------------- + (------)------------------------
n.cos(ro) n [1 - nz.sin(i)]#
(4)
Zc 1 Zo
g(i) = ç + -----------
n.cos(re) n [1 - n.sin(i)]#
Les caractéristiques de la lentille et en particulier ses deux rayons de courbure RI et R2 dans le plan d'incidence (Oxz) et dans le plan défini par les droites MOy et MoIo, peuvent alors être déduites de celles de La surface de Fermat en utilisant certaines approximations - d'une part, l'approximation de la surface de Fermat à
son tore tangent en son centre Mo. Cette
approximation n'est vraie qu'autour de la position
centrale. Elle est d'autant plus fausse que la
courbure de la surface varie rapidement quand on
s'éloigne du centre du traducteur. Cela conduit donc
à une limitation des dimensions du traducteur ; - d'autre part, l'approximation des lentilles minces
cette approximation est justifiée si on limite les
surfaces de focalisation à celles ayant de grands
rayons de courbure.Cela conduit à une Limitation du
pouvoir de focalisation des traducteurs ; - enfin, l'approximation de la surface de la lentille
par une surface présentant une symétrie axiale autour
de l'axe MoIo, ce qui n'est bien entendu pas le cas
sauf pour un traducteur défini pour un contrôle en
incidence normale.Using equations (1) to (3) and rotating angle 8 around the Oz axis, (O corresponding to the angle between OIoMo and the right
IOM) the equations (4) of the surface of
Fermat SF, next
XM = f (i) · sin (i) cos (e)
YM = f (i) · sin (i) · sin (e)
ZM = g (i) .cos (i) with e in the ihntervalle [- # / 2, # / 2], and
Zo n2 - 1 Zo
f (i) = He + -------------- + (------) -------------------- ----
n.cos (ro) n [1 - nz.sin (i)] #
(4)
Zc 1 Zo
g (i) = ç + -----------
n.cos (re) n [1 - n.sin (i)] #
The characteristics of the lens and in particular its two radii of curvature R1 and R2 in the plane of incidence (Oxz) and in the plane defined by the lines Moy and MoIo, can then be deduced from those of the Fermat surface using some approximations - on the one hand, the approximation of Fermat's surface to
his tangent torus in his center Mo. This
approximation is only true around the position
Central. It is all the more wrong since the
curvature of the surface varies rapidly when one
away from the translator's center. This leads therefore
a limitation of the dimensions of the translator; - on the other hand, the approximation of thin lenses
this approximation is justified if we limit the
focusing surfaces to those with large
radii of curvature.This leads to a limitation of
focusing power of translators; - finally, the approximation of the surface of the lens
by a surface presenting an axial symmetry around
of the MoIo axis, which is of course not the case
except for a translator defined for a control in
normal incidence.
On obtient alors R1=F1.n1/(n1-1) et
R2=F2.n1(n1-1) où F1 et F2 représentent les rayons de courbure au point Mo de la surface de Fermat SF dans Le plan (Oxz) et le plan défini par les droites NOy et
MoIo, c'est-à-dire définissant le tore tangent à la surface SF. We then obtain R1 = F1.n1 / (n1-1) and
R2 = F2.n1 (n1-1) where F1 and F2 represent the radii of curvature at the Mo point of the Fermat surface SF in the plane (Oxz) and the plane defined by the straight lines NOy and
MoIo, that is, defining the torus tangent to the surface SF.
F1=Zo/cos(ro).n.(cos(io)/cos(ro)) + He
F2 = Zo/cos(ro).n + He
n = V1/V2 n = V3/V1, où V3 est la vitesse de propagation dans La Lentille.F1 = Zo / cos (ro) .n. (Cos (io) / cos (ro)) + He
F2 = Zo / cos (ro) .n + He
n = V1 / V2 n = V3 / V1, where V3 is the speed of propagation in the lens.
Sur la figure 1, on a schématisé le rayon de courbure R1 et La focale correspondante F1 ainsi que le centre de courbure Cr et le point focal Cf correspondants. In FIG. 1, the radius of curvature R1 and the corresponding focal length F1 as well as the center of curvature Cr and the corresponding focal point Cf are schematized.
Le résultat est donc, dans Le cas général, une surface de lentille torique de rayons de courbure
R1 et R2, c'est-à-dire une Lentille bifocale de focales F1 et F2.The result is therefore, in the general case, a toric lens surface of radii of curvature
R1 and R2, that is to say a bifocal lens of focal lengths F1 and F2.
L'ensemble des approximations ci-dessus conduit alors, soit à une limitation des caractéristiques des traducteurs, soit à des phénomènes d'aberration quand celLes-ci ne sont plus respectées. All of the above approximations then lead either to a limitation of the characteristics of the translators or to phenomena of aberration when these are no longer respected.
Le premier type d'aberration se rencontre, pour les systèmes centres (focalisation sphérique, cylindrique ou torique), chaque fois que La dimension du traducteur focalisé est trop grande par rapport à la valeur de la distance focale (rapport F/D petit). En pratique, il convient de respecter la limitation F/D#10 pour les traducteurs en incidence normale. Dans le ces des incidences obliques, le phénomène d'aberration est amplifié compte tenu de la perte de symétrie. The first type of aberration occurs, for the center systems (spherical, cylindrical or toric focusing), whenever the dimension of the focused transducer is too large compared to the value of the focal length (small F / D ratio). In practice, the limitation F / D # 10 should be respected for translators in normal incidence. In these oblique incidences, the phenomenon of aberration is amplified given the loss of symmetry.
Le deuxième type d'aberration est lié à 'inclinaison du faisceau par rapport à la normale à
L'interface. Le passage du: dioptre que constitue la surface de la pièce provoque des aberrations d'astigmatisme. Cette aberration peut être corrigée par l'utilisation d'une lentille bifocale. Il subsiste alors les aberrations liées à l'approximation de la surface de Fermat par son tore tangent.The second type of aberration is related to the inclination of the beam relative to the normal to
The interface. The passage of the diopter that constitutes the surface of the piece causes aberrations of astigmatism. This aberration can be corrected by the use of a bifocal lens. There then remains the aberrations related to the approximation of Fermat's surface by its tangent torus.
Aussi, les techniques actuelles de définition des traducteurs ultrasonores restent limitées à la conception de traducteurs focalisés de petites ouvertures (grand rapport F/D). En première approximation, le domaine de validité de la technique actuelle est donné par l'inégalité F/D > 10. Also, the current techniques for defining ultrasonic translators remain limited to the design of focused translators of small openings (large F / D ratio). As a first approximation, the domain of validity of the current technique is given by the inequality F / D> 10.
En dehors de ce domaine de validité, les résultats sont dégradés compte tenu des aberrations existantes. Il en résulte une moins bonne définition du champ acoustique dans la région focale, préjudiciable à une détection et une caractérisation optimale des défauts. Dans le pire des cas, le cumul des erreurs liées aux approximations successives peut conduire à une non focalisation du faisceau ultrasonore. Outside this area of validity, the results are degraded given the existing aberrations. This results in a poorer definition of the acoustic field in the focal region, detrimental to optimal detection and characterization of defects. In the worst case, the accumulation of errors related to successive approximations may lead to non-focusing of the ultrasound beam.
Par ailleurs, cette limitation imposée sur l'ouverture des traducteurs conduit, pour une longueur d'onde donnée, à une limitation de la dimension du plus petit défaut mesurable. La résolution d'un traducteur est en effet égale à Ao.F/D. Pour améliorer la résolution, la seule solution consiste alors à diminuer la longueur d'onde (augmenter la fréquence). La marge de manoeuvre est cependant tres limitée car l'atténuation des ultrasons croit avec la fréquence. Moreover, this limitation imposed on the opening of the translators leads, for a given wavelength, to a limitation of the dimension of the smallest measurable defect. The resolution of a translator is indeed equal to Ao.F / D. To improve the resolution, the only solution is then to reduce the wavelength (increase the frequency). The room for maneuver is, however, very limited because the attenuation of ultrasound increases with frequency.
Ainsi, dans certains cas de contrôle (aciers austénitiques à zones fondues par exemple), il est nécessaire d'abaisser la fréquence de l'onde ultrasonore pour limiter à un niveau tolérable le bruit de structure.Thus, in some cases of control (austenitic steels with melted zones for example), it is necessary to lower the frequency of the ultrasonic wave to limit to a tolerable level the structure noise.
Selon les- mêmes principes précédemment décrits, il I existe ' également - des traducteurs ultrasonores concentrant l'énergie dans la pièce, non pas en un point, mais selon un segment normal à la pièce (voir le document FR-A-2 337 589). Dans cette
configuration les surfaces de focalisation sont alors
toriques ou coniques. Ces traducteurs présentent alors
l'avantage de supprimer une partie des problèmes lies
aux grandes ouvertures ou à L'inclinaison du faisceau
sur La normale à la surface de la pièce à contrôler.According to the same principles previously described, there are also ultrasonic transducers concentrating the energy in the room, not at a point, but according to a segment normal to the room (see document FR-A-2 337 589). ). In this
configuration the focusing surfaces are then
toric or conical. These translators then present
the benefit of removing some of the related problems
at large openings or inclination of beam
On the normal to the surface of the piece to be controlled.
Ils ont cependant l'inconvénient majeur de ne pas
concentrer L'énergie du faisceau en un point, mais
seulement d'assurer une cohérence en phase du faisceau
sur un segment de droite.However, they have the major disadvantage of not
focus the beam energy at one point but
only to ensure coherence in the beam phase
on a line segment.
Il existe donc actuellement une limite
technologique à La definition de traducteurs
ultrasonores de grandes dimensions et à forte
focalisation.So there is currently a limit
to the definition of translators
ultrasonic large and strong
focusing.
La présente invention a pour but de remédier
aux inconvénients des différents 'dispositifs cités plus
haut et notamment de permettre l'exploration de pièces,
en profondeur, selon une direction de contrôle
déterminée, sans qu'il soit nécessaire de limiter le
traducteur ainsi obtenu à des dimensions réduites ou
pour une profondeur de contrôle donnée, à une ouverture
réduite. Le traducteur acoustique proposé permet la
compensation integrale des aberrations de grandes
ouvertures et d'astigmatisme.The present invention aims to remedy
disadvantages of the various devices mentioned above
high and in particular to allow the exploration of parts,
in depth, according to a control direction
determined, without it being necessary to limit
translator thus obtained to reduced dimensions or
for a given depth of control, at an opening
scaled down. The proposed acoustic translator allows the
full compensation of large aberrations
openings and astigmatism.
L'invention a donc pour objet un traducteur
ultrasonore focalisé pour le contrôle d'une pièce
placée dans un milieu de couplage acoustique,
comportant une Lentille acoustique de focalisation et
une pastille piX20electrique plane, caractérisé en ce
que la lentille est plan-concave et accolée par sa
surface plane à La pastille, sa surface de sortie étant
telle que le faisceau ultrasonore incident, issu de la pastille, soit perpendiculaire au plante celle-ci et
se réfracte sur ladite surface de sortie de façon que
le faisceau réfracté engendré dans le milieu -de
couplage, se réfractant à son tour sur la surface de la pièce, converge exactement au point de contrôle de celle-ci.The invention therefore relates to a translator
focused ultrasound for control of a room
placed in an acoustic coupling medium,
having an acoustic focus lens and
a plane piX20electric chip, characterized in that
that the lens is plane-concave and contiguous by its
flat surface to the pellet, its exit surface being
such that the incident ultrasonic beam coming from the pellet is perpendicular to the plant and
refracts on said exit surface so that
the refracted beam generated in the middle -de
coupling, refracting in turn on the surface of the piece, converges exactly at the point of control thereof.
Autrement dit ce traducteur, contrairement à ceux de l'art antérieur, prend en compte directement, dans la procédure de définitiori de la Lentille, c'est å-dire dans les équations de propagation, l'épaisseur de la lentille traversée, tout en rejetant les approximations des techniques antérieures, de façon que le résultat se présente sous la forme d'une équation paramétrique de surface. In other words, this translator, unlike those of the prior art, takes into account directly, in the procedure of defining the lens, that is to say in the propagation equations, the thickness of the crossed lens, while rejecting the approximations of the previous techniques, so that the result is in the form of a parametric surface equation.
Par lentille "plan-concave", il faut comprendre une lentille de forme genérale plan-concave, la face de sortie de la lentille pouvant être, en certains points, convexe. By "plano-concave" lens, it is necessary to understand a generally planar-concave lens, the exit face of the lens being convex in certain points.
Il pressente en outre une surface de sortie de focalisation optimale au sens de L'optique géométrique pour le domaine de focalisation F/D < 10, correspondant aux grandes ouvertures, et corrigeant tous les phénomènes connus d'aberration qui limitent actuellement les performances des traducteurs ultrasonores. Bien entendu, cette surface de focalisation est aussi valide pour le domaine F/D > 10. It furthermore presupposes an optimal focusing output surface in the sense of the geometrical optics for the F / D <10 focal area, corresponding to the large apertures, and correcting all the known phenomena of aberration which currently limit the performance of the translators. ultrasonic. Of course, this focusing surface is also valid for the F / D domain> 10.
La prise en compte directe de l'épaisseur de la lentille permet d'une part, de s'affranchir de certaines limitations physiques des traducteurs actuels et de certaines hypothèses contraignantes et d'approximation plus ou moins justifiees, et, d'autre part, d'accroître pour une fréquence donnée, le pouvoir de résolution des traducteurs ultrasonores. Le domaine d'application du traducteur ultrasonore de l'invention embrasse les grandes ouvertures, les fortes focalisations, ainsi que les compensations pour les incidences obliques. The direct taking into account of the thickness of the lens makes it possible, on the one hand, to free oneself from certain physical limitations of the current translators and of certain constraining and approximative hypotheses more or less justified, and, on the other hand, to increase for a given frequency, the resolving power of ultrasonic translators. The field of application of the ultrasound transducer of the invention embraces large openings, high focusing, as well as compensations for oblique incidences.
Dans certains cas, les traducteurs monolithiques obtenus avec cette méthode présentent des lentilles dont L'épaisseur admet de grandes variations entre le centre et la périphérie, variations qui résultent des catculs d'optimisation de La lentille. In some cases, the monolithic translators obtained with this method have lenses whose thickness admits large variations between the center and the periphery, variations which result from optimization of the lens.
Sachant que L'atténuation de l'onde acoustique dans la lentille croit rapidement avec l'épaisseur de celle-ci, il en résulte une atténuation de l'émission acoustique des zones périphériques du traducteur. De fait, cette atténuation conduit à une diminution de l'ouverture du traducteur (apodisation d'amplitude à l'émission).Knowing that the attenuation of the acoustic wave in the lens increases rapidly with the thickness thereof, it results in attenuation of the acoustic emission of the peripheral zones of the translator. In fact, this attenuation leads to a decrease in the opening of the translator (amplitude apodization on transmission).
Afin de conserver le pouvoir de focalisation du traducteur optimisé seLon l'invention, on utilise de préférence une pastille piézoélectrique constituée d'un ensemble d'éléments piézoélectriques plans disposés en matrice. Dans ce cas, une électronique permet d'exciter tous les éléments composant la surface émettrice piézoélectrique simultanément (de façon synchrone) mais l'amplitude de L'excitation appliquée à chaque élément est inversement proportionnelle à l'atténuation provoquée par la lentille en ce point. Ainsi, La variation d'atténuation de L'émission liée à La variation de ('épaisseur de la lentille est Intégralement compensée. In order to maintain the focusing power of the optimized translator according to the invention, a piezoelectric pellet consisting of a set of flat piezoelectric elements arranged in a matrix is preferably used. In this case, an electronics makes it possible to excite all the elements composing the piezoelectric emitting surface simultaneously (synchronously) but the amplitude of the excitation applied to each element is inversely proportional to the attenuation caused by the lens at this point. . Thus, the attenuation variation of the emission related to the variation of the thickness of the lens is fully compensated.
Ce système a l'avantage de ne pas nécessiter une électronique sophistiquée, contrairement aux systèmes à focalisation électronique. Ce dispositif de compensation des atténuations dans la lentille peut également s'appliquer, en émission comme en réception, à la compensation des atténuations résultant des variations entre Les différents trajets acoustiques dans la mi lieu couplant (l'eau en général) ou le matériau. This system has the advantage of not requiring sophisticated electronics, unlike electronically focussed systems. This compensation device of the attenuations in the lens can also be applied, in transmission as well as in reception, to the compensation of the attenuations resulting from the variations between the different acoustic paths in the coupling medium (water in general) or the material.
Ce principe d'excitation à amplitude variable des éléments piézoélectriques peut également s'appliquer b la réception des ondes ultrasonores issues de ta pièce à contrôler. Les signaux reçus sur chaque élément piézoélectrique de la matrice de récepteurs sont alors amplifiés inversement proportionnellement à l'atténuation existant sur le trajet acoustique considéré, notamment dans la lentille avant sommation pour produire le signal final. This principle of variable amplitude excitation of the piezoelectric elements can also be applied to the reception of ultrasonic waves coming from the part to be controlled. The signals received on each piezoelectric element of the matrix of receivers are then amplified inversely proportionally to the attenuation existing on the acoustic path considered, in particular in the lens before summation to produce the final signal.
Cette électronique composée d'atténuateurs ou d'amplificateurs à gain fixe peut étre intégrée dans le traducteur. Les circuits de compensation de l'atténuation des signaux, à l'émission et à la réception des ondes, peuvent etre identiques ou différents. This electronics composed of attenuators or amplifiers with fixed gain can be integrated in the translator. The compensating circuits of attenuation of the signals, at the emission and at the reception of the waves, can be identical or different.
Dans le cas particulier d'utilisation d'une matrice d'éléments piézoélectriques, la lentille du traducteur selon l'invention peut etre "fictive", la focalisation étant alors assurée électroniquement par un système électronique d'excitation retardée des éléments piézoélectriques ; le retard à l'excitation (par rapport à une référence), applique sur chaque élément est égal au temps de propagation du faisceau acoustique dans les zones correspondantes de la lentille réelle équivalente. In the particular case of using a matrix of piezoelectric elements, the lens of the translator according to the invention can be "fictitious", the focusing being then ensured electronically by a delayed electronic excitation system of the piezoelectric elements; the excitation delay (relative to a reference) applied to each element is equal to the propagation time of the acoustic beam in the corresponding zones of the equivalent real lens.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés. Other features and advantages will become more apparent from the description which follows, given by way of illustration and without limitation with reference to the accompanying drawings.
La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un traducteur selon l'art antérieur. Figure 1, already described, schematically shows a translator according to the prior art.
Les figures 2 et 3, déjà décrites, donnent les éléments de détermination de la surface de Fermat
SF relative à un point de' focalisation et à une interface respectivement quelconque et plane, permettant la détermination de la surface de focalisation d'un traducteur selon l'art antérieur.FIGS. 2 and 3, already described, give the Fermat surface determination elements.
SF relating to a focal point and to an interface, respectively arbitrary and flat, allowing the determination of the focusing surface of a translator according to the prior art.
Les figures 4 et 5 donnent les éléments de détermination de la surface de sortie d'un traducteur selon l'invention, dans le cas d'une pièce à contrôler respectivement de surface quelconque et de surface plane. Figures 4 and 5 give the elements for determining the output surface of a translator according to the invention, in the case of a test piece respectively of any surface and flat surface.
Les figures 6 et 7 donnent un exemple de réalisation d'un traducteur selon l'invention dans le cas d'une pièce plane à contrôler. Figures 6 and 7 show an embodiment of a translator according to the invention in the case of a flat part to be controlled.
La figure 8 donne les éléments de détermination de la surface de sortie d'un traducteur selon l'invention, dans le cas d'une piece à contrôler cylindrique. FIG. 8 gives the elements for determining the output surface of a translator according to the invention, in the case of a piece to be cylindrically controlled.
La figure 9 donne une variante de réalisation d'un traducteur selon l'invention dans le cas d'une piece plane à contrôler. FIG. 9 gives an alternative embodiment of a translator according to the invention in the case of a flat part to be checked.
Le traducteur selon l'invention comporte, comme représenté sur ta figure 4, une pastille piézoélectrique plane uniforme 21, associée à une lentille de focalisation 22 de forme générale planconcave, la face plane 24 de la lentille est accolée à la pastille 21. L'originalité de ce traducteur réside dans la forme de la face de sortie 26 de la lentille. The translator according to the invention comprises, as shown in FIG. 4, a uniform flat piezoelectric pellet 21, associated with a focussing lens 22 of generally plankoncave shape, the flat face 24 of the lens is contiguous with the pellet 21. The originality of this translator lies in the shape of the exit face 26 of the lens.
De façon connue, une source d'alimentation 28 du type oscillateur permet d'exciter la pastille piézoélectrique via une métaltisation de la surface externe et un détecteur 29 (D), du type amplificateur à large bande et à haute fréquence, permet de détecter L'onde acoustique réfléchie par la piece 2 à contrôler.In a known manner, an oscillator-type power supply 28 makes it possible to excite the piezoelectric pellet via a metaltization of the external surface and a detector 29 (D), of the broadband and high frequency amplifier type, makes it possible to detect L acoustic wave reflected by the piece 2 to be controlled.
Sur les figures 4 et 5, on a représenté les éléments de détermination de la-surface de sortie 26 de la lentille conforme à l'invention, pour le contrôle d'une pièce 2 de surface respectivement quelconque et plane, en un point F donné à l'intérieur de la pièce 2. FIGS. 4 and 5 show the elements for determining the exit surface 26 of the lens according to the invention, for the control of a piece 2 of any arbitrary surface and plane at a given point F. inside room 2.
Les éléments de détermination de cette surface 26 identiques ou similaires à ceux de l'art antérieur (figures 2 et 3) porteront les mêmes références.The elements of determination of this surface 26 which are identical or similar to those of the prior art (FIGS. 2 and 3) will bear the same references.
Conformément à l'invention, c'est la surface 24 de la lentille 22 du traducteur qui se trouve être une surface de Fermat relative à un point de focalisation F, de coordonnées O,O,-Zo, qui se trouve être le point à contrôler de la pièce 2, c'est-à-dire également la pastille piézoélectrique. La surface 26 de la lentille est alors définie de la façon suivante : c'est l'ensemble des points de l'espace, tel que le temps de parcours sur le chemin acoustique joignant un point de la pastille P au point de focatisation F soit constant.On suppose alors une propagation en mode "piston" dans la lentille (c'est-å-dire une propagation collimatée et perpendiculaire à la surface 24), suivie d'une réfraction sur l'interface lentille-couplant 22-1 puis d'une propagation dans le couplant 1 (eau ou hui(e), suivie d'une réfraction sur l'interface couplant-pièce 1-2 à contrôler et d'une propagation jusqu'au point de focalisation F. According to the invention, it is the surface 24 of the lens 22 of the translator which happens to be a Fermat surface relative to a point of focus F, of coordinates O, O, -Zo, which happens to be the point to control of the part 2, that is to say also the piezoelectric pellet. The surface 26 of the lens is then defined as follows: it is the set of points of the space, such as the travel time on the acoustic path joining a point of the pellet P at the focal point F is constant.It then assumes a propagation in "piston" mode in the lens (that is to say a propagation collimated and perpendicular to the surface 24), followed by a refraction on the lens-coupling interface 22-1 and then a propagation in the coupling 1 (water or oil), followed by a refraction on the coupling-piece interface 1-2 to be controlled and a propagation up to the focusing point F.
Sur les figures 4 et 5, M est un point courant sur la surface de sortie 26 de la lentille ;
Mo est le point central de la lentille et P de coordonnées XP,YP,ZP est un point courant de la pastille, c'est-à-dire un point courant sur la surface 24 de la Lentille.In Figures 4 and 5, M is a current point on the exit surface 26 of the lens;
Mo is the central point of the lens and P of coordinates XP, YP, ZP is a common point of the pellet, i.e., a point running on the surface 24 of the lens.
Par définition, les points P, M, 1 et F doivent verifier la relation suivante :
FI/V2 + IM/V1 + MP/V3 = Constante (dimension d'un temps) où V2, V1 et V3 sont respectivenent les vitesses de propagation dans la pièce 2 à contrôler, le couplant 1 et la lentille 22.By definition, the points P, M, 1 and F must verify the following relation:
FI / V2 + IM / V1 + MP / V3 = Constant (dimension of a time) where V2, V1 and V3 are respectivenent the propagation velocities in the part 2 to be controlled, the coupling 1 and the lens 22.
En introduisant les indices de réfraction n=V2/V1 et nl=V3/V1 et en notant C1 la constante, on obtient l'équation (5) suivante. By introducing the refractive indices n = V2 / V1 and n1 = V3 / V1 and noting C1 the constant, we obtain the following equation (5).
(5) FI/n + IM + MP/n1 # C1 (dimension d'une distance)
La valeur de Cl est déterminée par la
trajectoire du rayon acoustique issu de Mo. Soit
C1 = He + 10F/n + MoPo/n1
En pratique, on prend MoPo=0 (épaisseur de la
lentille nulle au centre).(5) FI / n + IM + MP / n1 # C1 (dimension of a distance)
The value of Cl is determined by the
trajectory of the acoustic ray from Mo.
C1 = He + 10F / n + MoPo / n1
In practice, we take MoPo = 0 (thickness of the
zero lens in the center).
L'équation (5) fait clairement apparaître la
prise en compte de l'épaisseur de la lentille dans la
détermination de la surface de La lentille 26.Equation (5) clearly shows the
taking into account the thickness of the lens in the
determination of the surface of the lens 26.
L'épaisseur de La lentille au point P est notée W et
est egale à la distance MP. The thickness of the lens at point P is denoted W and
is equal to the distance MP.
La deuxième équation (6) définissant la
surface de la lentille est donnée par la loi de
Descartes sur l'interface 1-2 couplant/pièce.The second equation (6) defining the
lens surface is given by the law of
Descartes on the 1-2 interface coupling / piece.
(6) sin(r) e n.sin(i)
; et r étant respectivement les angles d'incidence et
de réfraction associés au point I.(6) sin (r) e n.sin (i)
; and r being the angles of incidence and
refraction associated with point I.
La troisième équation (7) définissant la
surface 26 est donnée en écrivant que P appartient au
plan de la pastille. Par définition, ce plan est
perpendiculaire à la direction définie par io et
contient l'axe MoY.The third equation (7) defining the
surface 26 is given by writing that P belongs to the
plan of the pellet. By definition, this plan is
perpendicular to the direction defined by io and
contains the MoY axis.
La quatrième équation (8) est obtenue en
écrivant que te point n appartient à la droite perpendicuLaire au plan de La pastille et passant par
P.The fourth equation (8) is obtained in
writing that the point n belongs to the line perpendicular to the plane of the pellet and passing through
P.
La cinquième relation (9) est obtenue en
écrivant que les points F, I et M sont dans un plan
perpendiculaire au plan tangent à L'interface en I. The fifth relation (9) is obtained in
writing that the points F, I and M are in a plane
perpendicular to the plane tangent to the interface in I.
La résolution du système d'équations (5) à (9) permet de calculer point par point la surface 26 de la lentille. The resolution of the system of equations (5) to (9) makes it possible to calculate the surface 26 of the lens point by point.
Le calcul donne les coordonnées XM,YM,ZM et U,V,W du point M dans deux repères respectivement
O,x,y,z et Mo,u,v,w. Le repère O,u,v,w a l'avantage d'être lié à la surface 26 à déterminer. C'est le repère dans lequel on effectue l'usinage du traducteur : l'axe Mow coîncide avec le rayon MoIo ;
L'axe Mou est perpendiculaire à l'axe Mow ; le plan (u,w) correspond au plan d'incidence ; l'axe Mov complète le reperde pour avoir un trièdre direct et le plan (v,w) correspond au plan perpendiculaire au plan (u,w). Le passage du repère O,x,y,z au repère Mo,u,v,w s'effectue par une translation de vecteur OMo suivie d'une rotation d'un angle égal à l'angle entre les droites Oz et IoMo.Les formules de changement de repère (10) sont alors les Suivantes, dans le cas d'une interface 1, 2 plane :
O, x, y, z and Mo, u, v, w. The reference O, u, v, wa has the advantage of being linked to the surface 26 to be determined. This is the reference point in which the translator is machined: the axis Mow coincides with the radius MoIo;
The Mou axis is perpendicular to the Mow axis; the plane (u, w) corresponds to the plane of incidence; the Mov axis completes the reperde to have a direct trihedron and the plane (v, w) corresponds to the plane perpendicular to the plane (u, w). The passage of the reference O, x, y, z to the mark Mo, u, v, w is effected by a vector translation OMo followed by a rotation of an angle equal to the angle between the straight lines Oz and IoMo. The reference change formulas (10) are then the following, in the case of a flat interface 1, 2:
<tb> <SEP> U <SEP> U <SEP> = <SEP> (X <SEP> - <SEP> XMo).cos(io) <SEP> - <SEP> (Z <SEP> - <SEP> ZMo).sin(io)
<tb> (10) <SEP> V <SEP> = <SEP> Y
<tb> <SEP> W <SEP> = <SEP> -(X <SEP> - <SEP> XMo).sin(io) <SEP> - <SEP> (Z <SEP> - <SEP> ZMo).cos(io)
<tb>
La méthode directe de détermination de la surface 26 de la lentille de focalisation, conformément à L'invention, ne necessite aucune approximation particulière et permet ainsi d'envisager des traducteurs à fort pouvoir de focalisation et de grandes dimensions.<tb><SEP> U <SEP> U <SEP> = <SEP> (X <SEP> - <SEP> XMo) .cos (io) <SEP> - <SEP> (Z <SEP> - <SEP> zMO) .sin (io)
<tb> (10) <SEP> V <SEP> = <SEP> Y
<tb><SEP> W <SEP> = <SEP> - (X <SEP> - <SEP> XMo) .sin (io) <SEP> - <SEP> (Z <SEP> - <SEP> ZMo). cos (io)
<Tb>
The direct method of determining the surface 26 of the focusing lens according to the invention does not require any particular approximation and thus makes it possible to envisage translators with high focusing power and large dimensions.
Dans le cas d'une interface 1-2 plane (figure 5), la surface à déterminer admet une symétrie par rapport au plan d'incidence (Ozx) (partie A de la figure 5). Mais on ne peut pas déduire comme précédemment (figure 3) l'équation générale de la surface de focalisation à partir de l'équation dans le plan d'incidence. In the case of a plane 1-2 interface (FIG. 5), the surface to be determined has a symmetry with respect to the plane of incidence (Ozx) (part A of FIG. 5). But we can not deduce as previously (Figure 3) the general equation of the focusing surface from the equation in the plane of incidence.
D'après la figure 5 et la relation (9), les points I et M sont repérés par l'angle e entre La droite Ox et la droite OI. On a donc
Xi = Zo.tg(r).cos(#) ; Yi = Zo.tg(r).sin(#), et
Zi = O pour le point d'impact I sur l'interface 1-2, et
XM = (Zo.tg(r) + ZM.tg(i)).cos(#) ;
YM = (Zo.tg(r) + ZN.tg(i)).sin(e), et ZM pour le point
M.From Figure 5 and the relation (9), the points I and M are marked by the angle e between the line Ox and the line OI. So we have
Xi = Zo.tg (r) .cos (#); Yi = Zo.tg (r) .sin (#), and
Zi = 0 for the point of impact I on the interface 1-2, and
XM = (Zo.tg (r) + ZM.tg (i)) cos (#);
YM = (Zo.tg (r) + ZN.tg (i)) sin (e), and ZM for the point
Mr.
Dans le cas d'une interface 1-2 plane les équations (7) et (8) sont les suivantes :
(7 > ZP - ZMo + tg(io).(XP-XMo) = O (8) XP = XM + tg(io).(ZP-ZM) et YP = YM
La relation (8) conduit également à écrire que :
XP e XN + W.sin(io) et ZP = ZM # W.cos(io)
En utilisant ces expressions (7) et (8), les expressions de In et IF des équations (3) et les coordonnées de N, on obtient, tous calculs faits, les expressions suivantes des coordonnées de P :: X@=(Zo.tg(r)+(H@+Zo/n.cos(ro) - Zo/n.cos(r) - W/n1.sin(i)].cos(#)+W.sin(io)
Yp=[Zo.tg(r)+(He+Zo/n.cos(ro) - Zo/n.cos(r) - W/n1.sin(i)].sin(#)
Zp=*S@ + Zo/n.cos(r@) - Zo/n.cos(r) - W/n@).cos(i) + W.cos(io)
En remplaçant les coordonnées de P par leur expression en fonction - de i, r et W dans la relation (7), on obtient l'expression de W en fonction de i, r et e ou de i et e seulement si on utilise conjointement la relation (6).En remplaçant l'expression de W ainsi trouvée dans les coordonnées de
M et en posant
(11) G(r) = He + Zo/n.cos(ro) - Zo/n.cos(r)
On obtient, tous calcules faits, Les equations (12) suivantes
(7> ZP - ZMo + tg (io). (XP-XMo) = O (8) XP = XM + tg (io). (ZP-ZM) and YP = YM
The relation (8) also leads to writing that:
XP e XN + W.sin (io) and ZP = ZM # W.cos (io)
Using these expressions (7) and (8), the expressions of In and IF of the equations (3) and the coordinates of N, we obtain, all calculations made, the following expressions of the coordinates of P :: X @ = (Zo .tg (r) + (H @ + Zo / n.cos (ro) - Zo / n.cos (r) - W / n1.sin (i)] cos (#) + W.sin (io)
Yp = [Zo.tg (r) + (He + Zo / n.cos (ro) - Zo / n.cos (r) - W / n1.sin (i)]. Sin (#)
Zp = * S @ + Zo / n.cos (r @) - Zo / n.cos (r) - W / n @) cos (i) + W.cos (io)
By replacing the coordinates of P by their expression as a function of i, r and W in relation (7), we obtain the expression of W as a function of i, r and e or i and e only if we use jointly the relation (6). By replacing the expression of W thus found in the coordinates of
M and posing
(11) G (r) = He + Zo / n.cos (ro) - Zo / n.cos (r)
We obtain, all calculated calculations, the following equations (12)
Si on compare les équations (4) et (12), on constate que les fonctions f(i) et g(i) des équations (4) ont ete remplacées par des fonctions beaucoup plus complexes dans lesquelles apparaissent l'indice n1 de la Lentille et l'angle e, traduisant à la fois
L'absence de symétrie axiale de la surface définie par (12) et la prise en compte de l'épaisseur de La lentille dans Le processus de définition.If we compare equations (4) and (12), we find that the functions f (i) and g (i) of equations (4) have been replaced by much more complex functions in which the index n1 of the Lens and angle e, translating both
The absence of axial symmetry of the surface defined by (12) and the taking into account of the thickness of the lens in the process of definition.
En appLiquant alors les formules de changement de repère (10), on obtient les equations (13)
<tb> <SEP> U <SEP> = <SEP> (XM <SEP> - <SEP> Zo.tg(ro)).cos(io) <SEP> - <SEP> ZM.sin(io)
<tb> (13){V <SEP> = <SEP> TM
<tb> <SEP> W <SEP> = <SEP> - <SEP> (XM <SEP> - <SEP> Zo.tg(ro)).sin(io) <SEP> - <SEP> ZM.cos(io) <SEP> + <SEP> He
<tb>
Tous calculs faits, on obtient Les équations (14) de La surface 26 de la lentille
<tb> (13) {V <SEP> = <SEP> TM
<tb><SEP> W <SEP> = <SEP> - <SEP> (XM <SEP> - <SEP> Zo.tg (ro)). sin (io) <SEP> - <SEP> ZM.co ( io) <SEP> + <SEP> He
<Tb>
All calculations done, we obtain the equations (14) of the surface 26 of the lens
A l'aide de l'équation de Descartes (6), il est possibLe d'exprimer Les coordonnées U, V, W des points M uniquement en fonction de i et 6. Ces équations (14) paramétriques font apparattre les constantes He, n, nl, ZO et les angles io et ro d'incidence et de réfraction moyens, qui définissent complètement les conditions de contrôle de la pièce 2. Using the Descartes equation (6), it is possible to express the coordinates U, V, W of the points M only as a function of i and 6. These parametric equations (14) show the constants He, n, nl, ZO and the angles io and ro of average incidence and refraction, which completely define the control conditions of the workpiece 2.
A partir des equations (14), on peut déterminer L'épaisseur W de la lentille en chaque point
M.From equations (14), it is possible to determine the thickness W of the lens at each point
Mr.
L'usinage de la lentilLe se fait à L'aide d'une résolution numérique point par point des équations (14) et ne pose aucun probleme pour L'homme de l'art. The machining of the lens is done using a point-by-point numerical resolution of equations (14) and poses no problem for those skilled in the art.
Contrairement à l'art antérieur, Les rayons de courbure dans le plan d'incidence (u,v) et dans Le plan perpendiculaire (v,u) ne sont pas constants et varient pour chaque point M de la surface 26 de la lentille. Unlike the prior art, the radii of curvature in the plane of incidence (u, v) and in the perpendicular plane (v, u) are not constant and vary for each point M of the surface 26 of the lens.
Un exemple de variation d'épaisseur de La lentille du traducteur selon l'invention est donné sur les figures 6 et 7. L'exemple présenté correspond à la surface de focalisation d'un traducteur de 100 mm de diamètre, une hauteur d'eau (He) de 100 mm, un point de focalisation F situé à 35 mm sous L'interface 1-2 et une direction de contrôle en ondes longitudinales de 500. La figure 6a donne La variation de l'épaisseur W de la lentille dans le plan d'incidence (u,v) qui est celui de la figure. An example of variation in thickness of the translator lens according to the invention is given in FIGS. 6 and 7. The example presented corresponds to the focusing surface of a 100 mm diameter translator, a water height (He) of 100 mm, a focal point F located at 35 mm under the interface 1-2 and a direction of control in longitudinal waves of 500. Figure 6a shows the variation of the thickness W of the lens in the plane of incidence (u, v) which is that of the figure.
Outre une évidente dissymétrie, l'étude de La surface 26 fait ressortir la forte variation du rayon de courbure de la surface dans ce plan (u,v) (figure 6b) qui passe d'une valeur de 450 mm sur une extrémité du traducteur à une valeur de 4500 mm sur L'autre extrémité. On peut également constater que la position du centre de courbure (figure 6c) ne se situe sur l'axe du traducteur (0w) qu'en un seul point de la surface (Le centre Mo de la lentilLe). In addition to an obvious dissymmetry, the study of the surface 26 shows the strong variation of the radius of curvature of the surface in this plane (u, v) (Figure 6b) which passes from a value of 450 mm on one end of the translator at a value of 4500 mm on the other end. We can also see that the position of the center of curvature (Figure 6c) is located on the axis of the translator (0w) in a single point of the surface (the center Mo of the lentilLe).
La figure 7a donne La variation d'épaisseur W de la lentille dans le plan (v,w) perpendiculaire au plan d'incidence. La variation de la courbure de la
Lentille dans ce plan (rayon de courbure et position du centre. de courbure) est illustrée sur les figures 7b et 7c.Figure 7a shows the thickness variation W of the lens in the plane (v, w) perpendicular to the plane of incidence. The variation of the curvature of the
Lens in this plane (radius of curvature and position of center of curvature) is illustrated in FIGS. 7b and 7c.
Contrairement à ce que prétendait l'art antérieur, les centres de courbure en chaque point M de
La lentille n'appartiennent pas à l'axe Mow de la lentille sauf pour Mo. Contrary to what was claimed in the prior art, the centers of curvature at each point M of
The lens does not belong to the axis Mow of the lens except for Mo.
Le procédé de calcul ci-dessus de détermination de la surface de sortie d'un traducteur selon L'invention, peut être étendu aux interfaces cylindriques, correspondant au contrôle par l'intérieur ou l'entérieur d'une piéce cylindrique, le résultat étant dans tous Les cas une équation paramétrique. The above calculation method for determining the output area of a translator according to the invention can be extended to the cylindrical interfaces, corresponding to the control of the inside or the inside of a cylindrical piece, the result being in all cases a parametric equation.
A cet effet, on a représenté sur la figure 8
Les éléments de détermination de la surface 26 de la lentille 22 du traducteur selon L'invention, relative à une Interface cylindrique pour le contrôle par
L'extérieur d'un tube, dans un plan perpendiculaire à son axe de révolution. On note Rp le rayon de ce tube.For this purpose, it is shown in Figure 8
The elements for determining the surface 26 of the lens 22 of the translator according to the invention, relating to a cylindrical interface for the control by
The outside of a tube, in a plane perpendicular to its axis of revolution. We denote by Rp the radius of this tube.
Le repere O,x,y,z est tel que l'axe Oy concide avec L'axe du cylindre, l'axe Oz, co;ncide avec la normale à la surface contenant Le point de iocalisation F et l'axe Ox coincide avec La tangente à la surface au droit du point de fàcalisation. Le point
O est sur l'axe du cylindre.The reference O, x, y, z is such that the axis Oy concides with the axis of the cylinder, the axis Oz, coincides with the normal to the surface containing the point of localization F and the axis Ox coincides with the tangent at the surface to the right of the point of footing. Point
O is on the axis of the cylinder.
La détermination de La surface 26 de la lentille 22 se fait comme précédemment (figures 4 et 5) tout en nécessitant néanmoins un paramétrage particulier des équations de plans et de droites déduites de la géométrie. The determination of the surface 26 of the lens 22 is as before (FIGS. 4 and 5) while nevertheless requiring a particular parameterization of the equations of planes and straight lines deduced from the geometry.
Dans le repère O,x,y,z, r (partie A de la figure 8) représente l'angle de réfraction et est mesure dans le plan défini par Les points F, I et la normale au cylindre au point I ; b est l'angle entre l'axe Oz et la droite OJ, J étant la projection orthogonale de I sur le plan Oxz (partie B de la figure 8) et bo l'angle entre l'axe Oz et La droite OIo ; O est L'angle entre Ox et la droite FK (partie B de la figure 8), K étant La projection orthogonale de I sur le plan Oxy. In the frame O, x, y, z, r (part A of FIG. 8) represents the refraction angle and is measured in the plane defined by points F, I and the normal to the cylinder at point I; b is the angle between the axis Oz and the line OJ, where J is the orthogonal projection of I on the Oxz plane (part B of FIG. 8) and bo the angle between the axis Oz and the line OIo; O is the angle between Ox and the line FK (part B of FIG. 8), K being the orthogonal projection of I on the Oxy plane.
La détermination de la forme de la surface 26 de la lentille est obtenue à l'aide des relations (5), (6), (8) et (9) ci-dessus et des équations ci-dessous découlant de la géométrie. En particulier l'équation (7) reLative au plan de la pastille s'écrit :
(ZP-ZMo) + tg(io+bo).(XP-XMo) = 0.The determination of the shape of the lens surface 26 is obtained using the equations (5), (6), (8) and (9) above and the equations below derived from the geometry. In particular equation (7) relative to the plane of the pellet is written:
(ZP-ZMo) + tg (io + bo). (XP-XMo) = 0.
L'angle (io+bo) correspond à l'inclinaison de la droite Molo par rapport à l'axe Oz. En outre, Les angles i, r, b et e sont reliés par L'équation (15) suivante :
(15) tg(r) = Sin(b).[ (Rp - Zo) + Rp.tg(8)]#/Rp - (Rp - Zo).cos(b)
Comme précédemment, la résolution des équations (5) à (9) permet d'obtenir les coordonnées XM, YM, ZM et U, V, W du point M dans les deux repères
O,x,y,z et Mo,u,v,w en fonction des paramètres, i, r, e et b ou i, 6, et b en tenant compte de L'équation (6).The angle (io + bo) corresponds to the inclination of the line Molo with respect to the axis Oz. In addition, angles i, r, b, and e are related by Equation (15):
(15) tg (r) = Sin (b). [(Rp - Zo) + Rp.tg (8)] # / Rp - (Rp - Zo). Cos (b)
As previously, the resolution of the equations (5) to (9) makes it possible to obtain the coordinates XM, YM, ZM and U, V, W of the point M in the two reference marks
O, x, y, z and Mo, u, v, w depending on the parameters, i, r, e and b or i, 6, and b taking into account equation (6).
La déteraination de L'épaisseur W de La lentille en chaque point n se fait en résolvant numériquement le système d'équations U=h(i,#,b) ;
V=j(i,e,b) ; W=k(i,e,b) et en utilisant l'équation (15). The thickness of the lens at each point n is deduced by solving numerically the system of equations U = h (i, #, b);
V = j (i, e, b); W = k (i, e, b) and using equation (15).
Dans les expressions (6) et (15) Les domaines de variation sont sous-entendus, et dépendent des dimensions de la pastille émettrice 21. In the expressions (6) and (15) the domains of variation are implied, and depend on the dimensions of the emitting pellet 21.
L'usinage de la lentille se fait à L'aide d'une résolution numérique du système d'équations donnant W pour chaque couple U.V fixé. Pour avoir par exemple une déternination réguliére de t'épaisseur W de la lentille, on utilise un pas régulier d'échantillonnage pour U et V. The machining of the lens is done using a numerical resolution of the system of equations giving W for each pair U.V fixed. For example, to have a regular skew of the thickness W of the lens, a regular sampling step is used for U and V.
L'intérêt et L'originalité de L'invention sont donc la prise en compte directe dans La définition du traducteur de la variation d'épaisseur W de la lentille. Ceci permet alors de s'affranchir de certaines hypothèses contraignantes et d'approximations plus Ou moins bien justifiées de l'art antérieur. Elle est optimale au sens de L'optique géométrique appliquée ô L'acoustique. The interest and the originality of the invention are therefore the direct consideration in the definition of the translator of the thickness variation W of the lens. This then makes it possible to overcome certain constraining hypotheses and more or less well-justified approximations of the prior art. It is optimal in the sense of applied geometric optics.
Dans certains cas, Les traducteurs monolithiques de L'invention, tels que représentés sur la figure 4, présentent des Lentilles 22 dont
L'épaisseur admet de grandes' variations entre le centre et la périphérie (voir par exemple figures 6a et 7a? résuLtant des calculs d'optimisation de la lentille.In certain cases, the monolithic translators of the invention, as represented in FIG. 4, have Lenses 22 of which
The thickness has large variations between the center and the periphery (see, for example, FIGS. 6a and 7a, resulting in optimization calculations of the lens.
Or, sachant que L'atténuation de L'onde acoustique émise par ta pastille 21 dans la lentille 22 croit rapidement avec L'épaisseur W de celle-ci, il en résulte une atténuation de L'onde acoustique dans Les zones périphériques du traducteur qui conduit à une diminution de L'ouverture du traducteur (apodisation d'amplitude à l'émission).However, knowing that the attenuation of the acoustic wave emitted by your pellet 21 in the lens 22 increases rapidly with the thickness W thereof, this results in attenuation of the acoustic wave in the peripheral zones of the translator. leads to a decrease in the opening of the translator (amplitude apodization on transmission).
Aussi, afin de conserver le pouvoir de focalisation des traducteurs optimisés conformes à l'invention, on remplace, comme représenté sur la figure 9, la pastille émettrice uniforme plane 21, cidessus, par une matrice 31 d'élements piézoélectriques 33 plans, situés dans un même plan. Ces éléments sont en particulier rectangulaires. Also, in order to maintain the focusing power of the optimized translators in accordance with the invention, the planar uniform emitting patch 21, above, is replaced by a matrix 31 of piezoelectric elements 33 planes, as shown in FIG. the same plan. These elements are in particular rectangular.
La lentille 22 précédemment définie est adjointe à la matrice 31 d'éléments. Le principe de focalisation optimisée est donc conservé. The lens 22 previously defined is attached to the matrix 31 of elements. The principle of optimized focusing is therefore preserved.
Une électronique relativement simple permet de compenser l'atténuation de L'onde acoustique, aussi bien à l'émission qu'à la réception, par la lentille 22. A relatively simple electronics makes it possible to compensate the attenuation of the acoustic wave, both on transmission and on reception, by the lens 22.
Selon l'invention, il est possible, dans Le cas de l'émission, soit d'amplifier le signal électrique délivré par L'émetteur 28 proportionnellement à l'atténuation (donc à l'épaisseur) provoquée localement par La lentille, soit d'attenuer le signal électrique issu de L'émetteur 28 de façon inversement proportionnelle à l'atténuation locale provoquée par la lentille. According to the invention, it is possible, in the case of transmission, either to amplify the electrical signal delivered by the transmitter 28 in proportion to the attenuation (thus to the thickness) caused locally by the lens, or attenuating the electrical signal from the transmitter 28 inversely proportional to the local attenuation caused by the lens.
Aussi, cette électronioue se compose, à l'émission essentiellement d'un ensemble de circuits 35 amplificateurs ou atténuateurs connectés entre l'émetteur 28 et les éléments piézoélectriques 33, avec un circuit 35 associé à chaque élément piézoélectrique. Also, this electronioue is composed, at the emission essentially of a set of circuits 35 amplifiers or attenuators connected between the transmitter 28 and the piezoelectric elements 33, with a circuit 35 associated with each piezoelectric element.
L'excitation électrique des éléments 33 est assurée de façon synchrone, via les circuits 35. En pratique, ces circuits 35 sont plutôt des atténuateurs du type pont-diviseur à base de résistances, bien connus de L'homme de l'art. The electrical excitation of the elements 33 is ensured synchronously via the circuits 35. In practice, these circuits 35 are rather attenuators of the bridge-splitter type based on resistors, well known to those skilled in the art.
A la réception, L'électronique de compensation de l'atténuation Locale par La lentille, du faisceau ultrasonore réfléchi par le point de contrôle F se compose de circuits 37 amplificateurs ou atténuateurs, connectés entre Les éléments piézoélectriques 33 et le récepteur 29, via un sommateur 39, avec un circuit 37 par élément piézoélectrique. En pratique, ces circuits 37 sont plutôt des amplificateurs, bien connus de L'homme de l'art. At reception, the compensation electronics of the local attenuation by the lens, of the ultrasonic beam reflected by the control point F consists of circuits 37 amplifiers or attenuators, connected between the piezoelectric elements 33 and the receiver 29, via a summator 39, with a circuit 37 per piezoelectric element. In practice, these circuits 37 are rather amplifiers, well known to those skilled in the art.
Sur la partie A de La figure 9, les circuits de compensation ô L'émission 35 et à la réception 37 de L'onde acoustique sont distincts. Il est toutefois possible d'utiliser les mêmes circuits à L'émission et à La réception, comme représenté sur la partie B de La figure 9. In part A of FIG. 9, the compensation circuits δ The emission 35 and the reception 37 of the acoustic wave are distinct. However, it is possible to use the same circuits for transmission and reception as shown in part B of FIG. 9.
Le but recherché par l'utilisation d'une matrice 31 d'éléments piézoélectriques 33 et d'une électronique de compensation associée est d'obtenir, en sortie de la Lentille, des contributions acoustiques égales en amplitude. Ce dispositif de compensation peut également être utilise pour corriger' les variations d'atténuation resultant des variations de longueur entre tes différents trajets acoustiques dans le milieu de couplage et dans le matériau. The goal sought by using a matrix 31 of piezoelectric elements 33 and an associated compensation electronics is to obtain, at the output of the lens, acoustic contributions equal in amplitude. This compensation device can also be used to correct the attenuation variations resulting from the length variations between the different acoustic paths in the coupling medium and in the material.
Les transducteurs ultrasonores focalises de
L'invention peuvent être utilisés dans de nombreuses appLications de contrôle nécessitant une grande résolution.Focused ultrasound transducers
The invention can be used in many control applications requiring high resolution.
Ainsi, ces traducteurs peuvent être utilisés pour de L'imagerie haute résotution dans des mi lieux
Liquides (application à La profilométrie sous eau ou à L'imagerie sous sodium par exemple). En effet, la possibilité d'obtenir des petits diamètres de zones focales, compte tenu des grandes ouvertures, permet d'envisager des applications intéressantes en profilométrie, suivi de contours et positionnement par ultrasons.Thus, these translators can be used for high-resolution imaging in mid-locations
Liquids (application to profilometry under water or to sodium imaging, for example). Indeed, the possibility of obtaining small diameters of focal areas, given the large openings, allows to consider interesting applications in profilometry, contour tracking and ultrasound positioning.
En outre, l'utilisation de ce type de traducteur pour le système d'holographie ultrasonore décrit dans le document FR-A-2 545 238 conduit à des améliorations de performance. Un tel système nécessite en effet un traducteur focalisé en émission. Par ailleurs, le système de réception est composé d'un nombre de traducteurs d'autant plus faible que le diamètre de la zone focale de L'émetteur est petit. In addition, the use of this type of translator for the ultrasound holography system described in FR-A-2 545 238 leads to improvements in performance. Such a system indeed requires a focused transmitter in transmission. Moreover, the reception system is composed of a number of translators which is smaller as the diameter of the focal zone of the transmitter is small.
L'utilisation d'un traducteur optimisé à grande ouverture en émission, selon L'invention, conduit donc à une simplification du système de réception, ainsi qu'a une amélioration du rapport signal/bruit en réception. The use of an optimized wide-aperture transmitter, according to the invention, therefore leads to a simplification of the reception system, as well as to an improvement of the signal-to-noise ratio in reception.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8909709A FR2650144B1 (en) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | FOCUSED ULTRASONIC TRANSLATOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8909709A FR2650144B1 (en) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | FOCUSED ULTRASONIC TRANSLATOR |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2650144A1 true FR2650144A1 (en) | 1991-01-25 |
| FR2650144B1 FR2650144B1 (en) | 1991-09-27 |
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ID=9383923
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8909709A Expired - Lifetime FR2650144B1 (en) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | FOCUSED ULTRASONIC TRANSLATOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2650144B1 (en) |
Cited By (2)
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Also Published As
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|---|---|
| FR2650144B1 (en) | 1991-09-27 |
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