USE OF PIEZOELECTRIC AND FERROELECTRIC MATERIALS IN ULTRASONIC TRANSDUCERS

Résumé
Après un rappel des travaux initiaux de Langevin sur l'utilisation du quartz, l'étude porte sur les matériaux qui ont été ensuite utilisés à cet effet. Après la magnétostriction, sont étudiées en détail les propriétés de cristaux piézoélectriques : le sel de Rochelle et l'ADP (phosphate d'ammonium). Les points de Curie, les coefficients de couplage et les circuits équivalents sont fournis. Dans le cas de l'ADP, plusieurs kilowatts d'énergie acoustique ont pu être obtenus en impulsions d'environ 10^-4 s. L'étude aborde ensuite l'utilisation des matériaux ferroélectriques et tout d'abord du titanate de baryum. Les conditions d'obtention de monocristaux ou de céramiques sont décrites. Les coefficients piézoélectriques, les constantes diélectriques et les coefficients de dilatation sont étudiés en fonction de la température. L'expression thermodynamique de l'énergie libre est donnée. Les qualités et limitations de ce matériau comme transducteur sont étudiées. Etude analogue des solutions solides de titanate et de zirconate de plomb. Le diagramme de phase est donné, montrant le rôle critique de la concentration de 52 % du PbTiO₃. Le rôle de certaines impuretés est étudié. Il est possible, grâce à un dispositif décrit, d'utiliser ces céramiques dans le domaine de fréquence des kilohertz. Dans le fonctionnement en impulsion, des puissances de l'ordre du mégawatt ont été atteintes. Pour produire des fréquences très élevées (au-dessus de 100 MHz), on utilise des monocristaux ferroélectriques de niobate et de tantalate de lithium ou de niobate de baryum et de sodium (Ba₂NaNb₃O₁₅). Finalement pour les fréquences supérieures à 500 MHz, il convient de recourir aux films obtenus par évaporation ou par pulvérisation cathodique (oxyde de zinc et sulfure de cadmium).

Abstract
After recalling Langevin's first works with quartz transducers, this paper describes transducer materials which have been developed later. The piezoelectric parameters, such as Curie temperature, or electromechanical coupling factor of Rochelle salt and ADP (ammonium dihydrogen phosphate) are exposed. Using ADP, many kilowatts of acoustic energy have been obtained in 10^-4 s duration pulses. Ferroelectric materials are described, starting with barium titanate. The preparation of the material is described. Piezoelectric, dielectric and expansion constants are studied as a function of temperature leading to the limitations of such a material for transducer work. A similar description is given for lead titanate-lead zirconate solid solutions. The phase diagram shows the existence of a critical concentration of PbTiO₃. The influence of some impurities is investigated. Using such ceramic transducers operating in pulses peak power of megawatts can be obtained in pulsed work. For very high frequencies (above 100 MHz) single crystals of lithium niobate or lithium tantalate can be used. Barium sodium niobate has been used as a non-linear crystal. Finally, operation above 500 MHz requires evaporated or sputtered thin film transducers.