Transducteur ultrasons
Transducteurs électro-acoustiques piézoélectriques et magnétostrictifs
Le choix de Fisa pour la maintenance de moules : les transducteurs magnétostrictifs alvéolaires.
Une action mécanique assez énergique et efficace peut être obtenue en introduisant dans le liquide nettoyant des ondes acoustiques de forte intensité. De même qu'il existe un haut-parleur qui est un transducteur électro-acoustique capable de transformer une énergie électrique en énergie sonore, pouvant se propager dans le moyen élastique air, il existe d’autres transducteurs électro-acoustiques, optimisés pour la génération de sons à énergie élevée dans les liquides avec des fréquences au-dessus de la limite de l’audibilité pour l’homme.
Afin de comprendre comment une onde acoustique ultrasonore peut exécuter utilement l’action de lavage dans une cuve, prenons l’exemple du schéma suivant où est représenté un récipient avec des parois métalliques, contenant du liquide, et dans le fond, un transducteur électromécanique capable de distribuer une puissance acoustique d'une certaine fréquence.
Transducteur ultrasons
L’onde acoustique se propage dans le liquide, à la vitesse du son, qui pour l’eau, est d’environ 1500 mètres par seconde.
Ce phénomène comporte une vibration des molécules du liquide qui apportent des variations de pression tout autour et qui à leur tour, provoquent d’autres déplacements des molécules du liquide et ainsi de suite.
Il en ressort que, si nous considérons ce qui se passe sur un point de la cuve, nous observons une vibration des molécules avec une fréquence égale à celle qui est introduite par le transducteur, et de la même façon, une oscillation de la valeur instantanée de la pression avec la même fréquence.
La valeur moyenne de la pression sera la même que la valeur qu’on obtient en absence d’onde sonore, c’est-à-dire que celle de la pression atmosphérique additionnée à celle de la colonne d’eau alors que la valeur instantanée oscillera, elle, entre une valeur minimum et une valeur maximum.
Il faut se rappeler que l’état physique du liquide ou de la vapeur dépend de la température et de la pression. Par exemple l’eau bout à 100°C si la pression atmosphérique est de 1Bar, mais elle se transforme en vapeur avec une température inférieure si la pression est suffisamment faible.
Si l’intensité de l’onde acoustique est assez grande, au moment où la pression arrive à la valeur critique, une bulle de vapeur se crée, et augmentera de volume en emmagasinant de l’énergie potentielle en fonction de la longueur du temps Tb.
A la fin de cet instant infinitésimal, quand la pression remontera, l’état de vapeur ne sera plus possible et la bulle de vapeur implodera sur un point très petit qui, virtuellement a des dimensions nulles et restituera alors l’énergie précédemment accumulée.
L’énergie distribuée par l’implosion d’une seule bulle, même si elle est très petite, éclate en un seul instant, d’où une poussée d’énergie très élevée.
Par analogie, prenons l’exemple du marteau qui est capable d’accumuler de l’énergie et de la transmettre en un instant en produisant des valeurs de pression énormément amplifiées.
Quelle fréquence faut-il choisir pour l’onde acoustique?
D’après ce qu’on a pu voir ci-dessus, on peut déduire que l’intensité de la poussée d’énergie fournie par chaque bulle de vapeur quand elle éclate, grâce à un phénomène appelé cavitation et son ampleur est calculée en fonction de l’intensité de l’onde acoustique appliquée et du temps Tb de croissance de la bulle de cavitation. Tb se résume en fait à l'augmentation de la valeur de la fréquence.
Afin d’obtenir le maximum de l’énergie fournie par chaque bulle, on choisira donc la fréquence la plus basse possible : la limite inférieure est constituée
Pour certaines applications comme par exemple le nettoyage des moules, une fréquence de travail autour de 19 kHz est optimale.
Les éléments utilisés afin de générer des ondes acoustiques ultrasoniques ont normalement la forme d’une bague ou plus précisément d’un disque qui a l’épaisseur de quelques millimètres et un diamètre de quelques centimètres. Il y a un trou central qui permet le passage sans aucun contact d’un boulon de blocage.
Chaque transducteur piézoélectrique est normalement constitué de plusieurs parties comme sur le schéma ci-après.
Chaque transducteur est réalisé en réunissant les deux céramiques piézoélectriques en sandwich entre les deux parties métalliques d’aluminium et d’acier et serrées avec une vis. L'ensemble est calculé de façon à constituer une structure mécanique avec une propre fréquence d'oscillation égale à celle de l'onde acoustique désirée.
On obtient ainsi un système résonant capable d’amplifier l’étendue du mouvement des faces des céramiques piézoélectriques, quand on appliquera à ces dernières le champ magnétique alterné, normalement une tension de quelques centaines de volts et dont la fréquence coïncide avec celle de la résonance mécanique.
Chaque transducteur réalisé de cette façon est capable de développer une puissance ultrasonore de 50W. Afin de réaliser une plaque radiante de 600W comme celle représentée ci-dessous, il est nécessaire d’appliquer 12 éléments, reliés électriquement en parallèle.
Pourquoi a-t-on besoin de deux céramiques piézoélectriques ?
Parce que le boulon, nécessaire afin de serrer fortement les deux parties, est en métal et provoquerait un court-circuit entre les deux faces de la céramique.
Si on monte deux céramiques, en ayant soin de mettre face à face deux polarités égales, on a résolu le problème.
Pourquoi de l’acier sur le côté éloigné de la paroi de la cuve et de l’aluminium sur celui qui est proche de la paroi ?
Parce que nous désirons que le transfert des céramiques vers la cuve soit maximum et en revanche que celui de la partie opposée, c’est-à-dire l’air, soit minimum.
Avec l’utilisation de l’aluminium, nous réalisons au mieux l’adaptation d’impédance acoustique entre la céramique et le liquide.
Au contraire, avec l’acier, nous avons un maximum de réflexion par rapport à l’air.
Comment obtient-on la polarisation des céramiques piézoélectriques ?
La fabrication des céramiques nécessite une formulation, un dosage et un mélange de différents éléments.
On part d’un type spécial de sable qui est comprimé dans des moules spécifiques qui reproduisent la forme finale. Une longue exposition dans un four à haute température en provoque la cristallisation.
On obtient l’aspect normal de la céramique. On a ensuite une série de travaux mécaniques comme la rectification des surfaces planes et la métallisation de celles-ci.
La dernière phase correspond au processus de polarisation : on l’obtient en appliquant un potentiel électrique constant de quelques centaines de volts aux électrodes (faces planes métallisées) de la céramique tandis que cette dernière est plongée dans un bain d’huile diathermique à une température de quelques centaines de degrés centigrades.
Enfin, on laisse les céramiques refroidir en gardant toujours la tension.
A ce stade, la céramique est polarisée.
Il arrive souvent, même si c’est contre notre gré, d’obtenir un ronronnement causé par la vibration des lamelles dans les transformateurs d’énergie alimentés par le réseau de distribution électrique.
C’est par contre un phénomène utile employé pour la réalisation des transducteurs ultrasoniques.
Le meilleur matériau pour cette application est le nickel en raison des caractéristiques suivantes :
Un transducteur est constitué par une ou plusieurs rangées de lames de nickel en forme de E, sujettes au champ électromagnétique fourni par une bobine parcourue par le courant à la fréquence désirée.
Les lamelles, moulées et travaillées de manière opportune, ont une forme telle que l’on peut les figer de façon axiale et ainsi garantir une distance régulière et précise entre deux lamelles adjacentes,
de même qu’une hauteur permettant de résonner mécaniquement à la fréquence désirée.
La distance qui les sépare est calculée de façon à réaliser une densité apparente pour laquelle l’impédance acoustique correspond approximativement à celle de l’eau,
optimisant le transfert d’énergie du transducteur vers le liquide.