Etude des pertes d'origine piézoélectrique dans les matériaux piézoélectriques et les transducteurs ultrasonores

= Investigations on the Piezoelectric Losses in Piezoelectric Materials and Ultrasonic Transducers

• Auteur / Autrice : Benoit Zug
• Direction : Paul Gonnard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impédance acoustique

Transducteurs piézoélectriques

Piézoélectricité

Résumé

De l'ensemble des pertes des matériaux piézoélectrique~ les pertes piézoélectriques sont les plus mal maîtrisées. Quelquefois introduites dans les modèles, leur influence sur le comportement d'un transducteur autour de sa fréquence de résonance a rarement été explicitée, et leurs méthodes de détermination sont soit difficiles à mettre en œuvre, soit peu fiables. L'objectif de ce travail a été d'évaluer ce type de pertes dans le cas d'un transducteur sonar basse fréquence de type Tonpilz mono-gamme sous sollicitation mécanique nominale. Dans ce but trois axes de recherches complémentaires ont été explorés : le premier a été la caractérisation en termes de pertes du matériau actif du Tonpilz, et nous a conduit à proposer une méthode de détermination des pertes piézoélectriques, simple non itérative et fiable, basée sur l'analyse de la résistance motionnelle d'un barreau piézoélectrique vibrant en mode longitudinal. Un second axe de recherches a consisté à étudier le fonctionnement d'un transducteur de type barreau à courant motionnel constant. Ce deuxième volet de travaux nous a permis d'une part, une approche différente des pertes piézoélectriques en introduisant un modèle prenant en compte les pertes aux joints de grains, et d'autre part, de mettre en évidence l'influence du niveau de sollicitation mécanique sur ces mêmes pertes. Le troisième et dernier axe a été la caractérisation fine du Tonpilz autour de la résonance en bas niveau puis sous sollicitation mécanique constante. Menées conjointement, l'expérimentation et la modélisation ont conduit à une diminution sensible des pertes dans l'air à vitesse nominale et à une évaluation cohérente de l'ensemble des pertes du matériau actif.

Amongst the various losses in piezoceramcis, the piezoelectric losses are the worst know. They were inserted in some models, but their influence on the behaviour of a transducer around its resonance frequency has been rarely explained. Moreover the usual methods of determination of these losses are either hard to implement or not very reliable. The purpose of this work is to evaluate this type of losses in a low frequency device (Tonpilz type transducer), under high mechanical solicitations. With this object three kinds of investigations have been made : Firstly, the losses of the active material have been characterized, that led us to propose a simple method for the determination of the piezoelectric losses. This method, reliable and non iterative is based on the analysis of the motional resistance of a piezoelectric rod vibrating in longitudinal mode. Secondly, the working conditions of a monoelement transducer excited at constant motional current, have been investigated. By this way piezoelectric losses may be taken into account with the help of a model based on the grain boundary losses. The influence of mechanical solicitation on these losses has been shown off. Thirdly, an accurate characterization of the Tonpilz around the resonance has been carried out at low level and then at constant mechanical solicitation. Both experimentation and modelisation led us to obtain a noticeable reduction of the losses in air at nominal velocity. Finally a coherent evaluation of all the losses of the active material is possible.