Les performances des matériels liés aux progrès de l’électronique, les outils de conception et la meilleure connaissance des matériaux offrent aujourd’hui de nouvelles perspectives d’utilisation des ultrasons dans l’industrie.
Effet piézoélectrique : définition et origine
Les ultrasons peuvent être générés selon de nombreux principes, mais les transducteurs ultrasons utilisent essentiellement l’effet piézoélectrique pour leur fonctionnement en convertissant l’énergie électrique en un déplacement mécanique.
L’effet piézoélectrique a été mis en évidence par Pierre et Jacques Curie en 1880 sur un échantillon de quartz. Leurs travaux ont révélé que certains matériaux, comme le quartz, se chargent électriquement lorsqu’ils sont soumis à une contrainte de compression. Une découverte fondamentale dont le processus est par ailleurs réversible. En effet, à l’inverse, une tension électrique appliquée sur le quartz induit une déformation du cristal, raison pour laquelle on parle d’effet piézoélectrique inverse.
Transducteur piézoélectrique : que sont les transducteurs à ultrasons
La production d’ultrasons est réalisée par des transducteurs piézoélectriques. Ces transducteurs permettent la conversion d’une énergie électrique en une énergie mécanique et réciproquement. Il est préférable de spécialiser les transducteurs à ultrasons en fonction de leur utilisation :
- En émission : les propriétés recherchées seront le rendement et la capacité d’émettre un signal de fort niveau,
- En réception : la sensibilité et le rapport signal / bruit seront les caractéristiques déterminantes de la performance du transducteur piézoélectrique.
Il est possible d’utiliser un transducteur ultrasonore en émission / réception, notamment pour les systèmes de mesure ou les techniques de contrôle. Dans ce cas, le transducteur doit être un compromis entre les critères décrits ci-dessus. Il existe de nombreux types de transducteurs à ultrasons pouvant répondre à la plupart des applications, et ce, dans la gamme de fréquence des ultrasons, à partir de 16KHZ comme évoqué sur la page des principes de l’ultrason. Ils peuvent cependant être classifiés en fonction de leur utilisation et / ou de leur gamme de fréquence. Deux technologies complémentaires sont mises en œuvre, en basse fréquence et en haute fréquence.
Utilisation du transducteur piézoélectrique ultrason en basse fréquence
Les transducteurs ultrasonores sont réalisés par un empilement de céramiques maintenues entre deux pièces métalliques qui assurent un serrage de l’ensemble (transducteur de Langevin) ou sont réalisés à partir d’un disque qui exploite l’effet de Poisson.
Le transducteur de puissance est associé à deux éléments pour adapter le transfert de l’énergie au milieu :
- La sonotrode qui transmet la vibration mécanique au milieu et dont la géométrie est déterminante pour adapter l’amplitude de vibration produite par le transducteur.
- Le booster, optionnel, se situe entre le transducteur et la sonotrode. Son rôle est d’assurer une amplification vibratoire mécanique.
Utilisation du transducteur piézoélectrique à ultrasons en haute fréquence
Les transducteurs sont composés d’une céramique unique réalisée à partir d’un matériau homogène ou piézo-composite. Pour la mesure, des couches d’adaptation permettent d’optimiser le transfert de l’énergie dans le milieu de propagation, l’ensemble du transducteur est ensuite protégé par une membrane acoustiquement transparente au signal.
Les transducteurs de hautes fréquences en puissance se développent pour toutes les applications médicales thérapeutiques.
L’Électronique
Ultrasons de puissance
Un dispositif ultrasons est composé d’une électronique de puissance qui est adaptée au transducteur. L’alimentation du générateur s’effectue à partir d’une alimentation réseau. Pour des puissances moyennes, certains de nos générateurs sont alimentés par des tensions aussi basse que 24 VDC.
Le générateur a deux rôles majeurs :
- La conversion d’une tension réseau en une tension adaptée au transducteur (qui peut dépasser 1kV). Le contrôle de cette tension permet de maîtriser la puissance délivrée au transducteur. De nombreuses stratégies sont possibles pour réaliser un asservissement correct de l’équipement, elles sont très dépendantes de l’application. Nos générateurs sont en mesure de s’adapter aux différentes problématiques posées par l’application.
- La conversion de la fréquence du réseau à la fréquence de résonance du transducteur. Le transducteur fournit sa puissance optimale lorsqu’il est à sa fréquence de résonance (ou d’antirésonance). L’électronique doit donc être en mesure d’asservir la fréquence du transducteur que l’environnement fait varier en fonction du milieu. De nombreuses stratégies sont possibles pour réaliser un asservissement correct de l’équipement, elles sont très dépendantes de l’application.
Nos générateurs de puissance fonctionnent dans une gamme de puissance comprise entre quelques W et 5KWatts. Les transducteurs de puissance pour une application de type soudage sont souvent limités à 3kW à 4kW, pendant des temps d’excitation très courts. Dans les applications en milieu fluide, comme le nettoyage, les transducteurs sont montés en groupe pour fournir des puissances pouvant atteindre plusieurs dizaines de Kwatts.
Nos équipements actuels de la gamme NexTgen sont totalement numériques, les fonctions de contrôles sont développées pour une efficacité de fonctionnement supérieure. En particulier, leur mode « remote control » permet une prise de contrôle à distance pour assurer un diagnostic et un ajustement des réglages par notre équipe de SAV.
Références Bibliographiques sur la technologie ultrason
Power ultrasonics : Applications of high-intensity Ultrasound:
Gallego-Juarez and Karl F.Graff – WOODHEAD PUBLISHING
Handbook on Application of Ultrasound – Sonochemistry and Sustainability:
Dong Chen, Sanjay K. Sharma, Ackmez Mudhoo – CRC Press
Sonochemistry: From Basic Principles to Innovative Applications
Juan Carlos Colmenares, Gregory Chatel – Springer
Ultrasonics: Fundamentals, Technologies, and Applications, Third Edition:
Dale Ensminger, Leonard J.Bond
La cavitation acoustique : O. Louisnar – École des Mines, IMT Albi-Carmaux
