Développement des transducteurs ultrasonores élémentaires en vue de réduire la dimension des générateurs d'ondes de choc

par Jean-Pierre Sferruzza

Thèse de doctorat en Images et systèmes

Sous la direction de Dominique Cathignol.

Soutenue en 2001

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) .

mots clés

• Lithotritie

Résumé

Les lithotriteurs piézo-électriques possèdent des avantages indéniables sur les technologies electro-hydrauliques et électromagnétiques. Cependant, leurs dimensions en font des machines peu modulaires, ce qui est un inconvénient majeur. Afin de réduire ces dimensions, la pression de surface doit augmentée. Dans ce but, l'objectif de ce travail est d'améliorer la tenue des transducteurs à la génération d'ondes de pression de fortes amplitudes. Des mesures du champ acoustique émis par trois lithotriteurs de technologies différentes ont permis de préciser les objectifs de pression à atteindre. Les matériaux piézo-électriques utilisés actuellement ne permettent pas d'augmenter la pression générée. Cependant, de nouveaux matériaux ont depuis été développés. Une étude expérimentales de comparaison de plusieurs matériaux céramiques et composites a permis de distinguer deux matériaux composites qui semblent prometteurs. Auparavant, devant la complexité de la détermination des éléments du circuit électrique de décharge spécifique de chaque matériau, un modèle des transducteurs piézo-électriques a du être développé. Enfin, différentes conceptions de transducteurs ont été proposées pour améliorer leur tenue à la génération d'ondes de pression de fortes amplitudes. Le report des électrodes sur une surface inactive a donné des résultats très prometteurs. Une application à des maquettes de coupelles a montré que ces améliorations devraient permettre d'atteindre les objectifs fixés. Par ailleurs, des empilements de deux transducteurs ont également été étudiés. Ceux-ci sont excités avec un intervalle de temps relatif tel que les ondes générées par chaque couche s'ajoutent à la surface. Après une validation théorique de ce principe, plusieurs conceptions différentes d'empilements ont été testées. En mode impulsionnel, des pressions beaucoup plus élevées qu'avec des transducteurs monocouches sont atteintes.

Titre traduit

= Improvements of piezoelectric transducers in order to reduce the dimension of shock-waves generators

Résumé

Piezoelectric lithotripters have advantages on electro-hydraulic and electromagnetic technologies. However, these machines have a poor modularity since their dimensions are very high. In order to reduce the dimensions, the pressure generated at the surface of the transducers have to be increased. The aim of the work is to improve the ability of piezoelectric transducers to generate high power pressure waves. Measurements of the acoustic field emitted by three lithotripters of different technologies permitted to define the pressure to be generated. Piezoelectric materials used on current machines are not able to generate higher pressure waves. However, new materials were recently developed. An experimental study of comparison of several ceramic and composite materials showed that two composite materials could be used for a significant increase of the pressure. Previously, as the electrical elements of the driving circuit depend on the piezoelectric material to be excited, a simulation method was developed in order to help this determination. Then, various designs of transducers were proposed for the generation of high power pressure waves. By creating a non-vibrating zone electrically connected to the transducer, on which connected wires can be soldered, the performances of transducers were significantly improved. A small-scale focused transducer showed that these improvements should permit to reach our goals. Furthermore, stacked transducers were also studied. These transducers are excited with a time delay which is calculated so that the waves generated by each layer constructively add at the surface of the stack. After a theoretical study of such transducers, various designs of stacks were built. Pressures higher than the maximum pressure wave generated by a single-layer transducer were obtained with these stacks.