Présentation
Auteur(s)
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Eugène DIEULESAINT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité (ESE) - Professeur émérite à l’université Pierre-et-Marie-Curie (Paris 6)
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Daniel ROYER : Ingénieur de l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI) - Professeur à l’université Denis-Diderot (Paris 7)
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La compréhension du principe et la définition du domaine de fonctionnement des dispositifs acousto-électroniques décrits dans l’article Dispositifs acousto-électroniques requièrent une analyse de la propagation des ondes élastiques dans les solides, isotropes et anisotropes, et de leur génération par effet piézoélectrique. Ces deux points sont examinés dans les deux cas principaux qui sont :
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les ondes planes dans un milieu de dimensions latérales grandes par rapport à celles du faisceau d’ondes élastiques (ondes de volume) ;
-
les ondes guidées par la surface libre d’un milieu semi-infini (ondes de surface).
Avant d’aborder ces deux cas, nous décrivons intuitivement les principaux types d’ondes élastiques aptes à se propager dans les solides. Les grandeurs caractéristiques des champs mécanique et électrique associés à ces ondes sont ensuite définies. Puis les relations entre ces grandeurs et les équations d’état d’un matériau piézoélectrique ainsi que les tableaux des constantes élastiques et piézoélectriques des principaux cristaux sont présentés.
La propagation des ondes de volume aboutit à la caractérisation d’un cristal par une surface des lenteurs et aussi par un coefficient de couplage électromécanique si ce cristal est piézoélectrique. Leur génération se fait à l’aide d’une plaquette piézoélectrique. Cette plaquette, comme tout transducteur piézoélectrique, se présente comme un dispositif à une entrée électrique et à deux sorties élastiques (on dit aussi acoustiques) dont une seule est, en général, utilisée. La puissance acoustique qu’elle émet est naturellement fonction du coefficient de couplage électromécanique.
Pour la propagation des ondes guidées, principalement des ondes de surface (ondes de Rayleigh), l’analyse est plus complexe que celle relative aux ondes de volume puisqu’elle impose la prise en compte de conditions aux limites mécaniques et électriques, si le cristal est piézoélectrique. La notion de permittivité de surface en simplifie l’approche. Les ondes guidées par une plaque, appelées ondes de Lamb, et par une couche, appelées ondes de Love, sont présentées bien qu’elles ne donnent lieu à des applications que dans le domaine des capteurs. La génération des ondes de Rayleigh par transducteurs à électrodes interdigitées est exposée à l’aide de la méthode de la réponse impulsionnelle.
La présentation des dispositifs acousto-électronique, c’est-à-dire des composants électroniques à ondes élastiques, fait donc l’objet d’un deuxième article Dispositifs acousto-électroniques.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1983 par Eugène DIEULESAINT, Daniel ROYER
- Version courante de mai 2021 par Alexandre REINHARDT, Thierry LAROCHE
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Principaux types d’ondes élastiques5. Ondes guidées
Une onde plane est en fait une représentation idéalisée de la réalité physique. La dimension latérale w du faisceau acoustique est toujours limitée. Celui-ci s’élargit au cours de la propagation ; l’angle de diffraction est de l’ordre de λ /w dans un milieu isotrope. Ces phénomènes de diffraction, qui sont l’origine de pertes élevées lorsque le chemin à parcourir est long, sont évités si les ondes sont astreintes à se déplacer entre des parois.
Un guidage selon une seule des deux dimensions latérales apporte une amélioration très sensible puisque, loin de la source engendrant l’onde, la décroissance est en r – 1 au lieu de r – 2. Une onde élastique peut être guidée, comme nous l’avons dit au paragraphe 1, simplement sur la surface d’un solide semi-infini (onde de Rayleigh), dans une plaque (ondes de Lamb), dans un milieu stratifié (ondes de Love). Un autre avantage du guidage réside dans l’accessibilité en tout point de la frontière, du champ élastoélectrique. Cette propriété est mise à profit, dans les transducteurs à électrodes imbriquées déposées sur la surface, pour détecter (et aussi pour engendrer) simplement les ondes de Rayleigh, dans les convoluteurs pour effectuer des produits, dans certaines lignes dispersives où les ondes se réfléchissent sur des sillons gravés à la surface, dans le coupleur à réseau pour translater ou comprimer un faisceau. Ces opérations sont expliquées en [Dispositifs acousto-électroniques...
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