Développement des transducteurs ultrasonores élémentaires en

N° d'ordre 01 ISAL 0031 Année 2001
THESE
présentée
DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Images & Systèmes.
ECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique.
PAR
JEAN-PIERRE SFERRUZZA
DEVELOPPEMENT DES TRANSDUCTEURS ULTRASONORES
ELEMENTAIRES EN VUE DE REDUIRE LA DIMENSION DES GENERATEURS
D'ONDES DE CHOC.
Soutenue le 14 Septembre 2001 devant la Commission d'Examen
Jury MM. Mathias FINK Rapporteur
Frédéric PATAT Rapporteur
Paul GONNARD
Dominique CATHIGNOL Directeur
François LACOSTE

Remerciements
Je tiens tout d'abord à remercier Dominique Cathignol qui m'a accueilli au sein de l'unité 281
de l'INSERM et qui fut mon directeur de thèse. C'est avec une constance et une droiture exemplaires
qu'il su me soutenir dans mes efforts et notamment dans les moments les plus difficiles. Ce travail
ne serait pas ce qu'il est sans sa bienveillance et sa disponibilité à faire bénéficier ses étudiants de
ses conseils éclairés et de son expérience.
J'adresse également de sincères remerciements à Alain Bire pour son aide irremplaçable dans
l'élaboration des systèmes électriques et le déroulement des expérience, pour son soutien moral et sa
sympathie. J'ai énormément appris en travaillant à ses côtés durant quatre ans. Je souhaite remercier
Adrien Matias pour sa disponibilité et les nombreux services qu'il m'a rendu, ainsi qu'Yves Theillère
pour son aide dans la confection des pièces mécaniques. Je remercie Rémi Souchon pour ses
conseils précieux en informatique et pour son aide dans sa mise au point du système d'acquisition,
ainsi que Françoise Chavrier pour son aide précieuse dans le développement du modèle de
transducteur. Je souhaite par ailleurs remercier Jean-Louis Mestas pour l'aide qu'il m'a apporté
chaque fois que j'en avais besoin. Enfin, je tiens à saluer le reste du personnel du laboratoire, en
particulier Jean-Yves Chapelon et l'ensemble des stagiaires et étudiants, que je ne citerai pas de peur
d'en oublier.
Je remercie très vivement la société EDAP-Technomed qui fut mon employeur durant les
trois années de thèse et tout particulièrement François Lacoste, Frédérique Tardy et Patrick
Villemagne.

2
SOMMAIRE
INTRODUCTION 6
CHAPITRE 1 : GÉNÉRATION ET DÉTECTION DES ONDES DE CHOC 9
1 La lithiase urinaire et la lithotritie 9
2 Les principaux lithotriteurs 13
2.1 Les générateurs d'ondes de choc 13
2.2 Le générateur électro-hydraulique 14
2.3 Le générateur électromagnétique 16
2.4 Le générateur piézo-électrique 17
2.5 Avantages et inconvénients des différentes technologies de générateurs 17
3 Les générateurs piézo-électriques 24
3.1 Le LT-02 24
3.2 Le Piezolith 2501 26
3.3 Le générateur 274 éléments de l'INSERM 28
4 Les hydrophones 31
4.1 Les hydrophones PZT 32
4.2 Les hydrophones PVDF 32
4.3 Les hydrophones à fibre optique 34
CHAPITRE 2 : MESURES DU CHAMP ACOUSTIQUE DE DIFFÉRENTS
GÉNÉRATEURS D'ONDES DE CHOC : VERS UN OBJECTIF DE NOUVEAU
GÉNÉRATEUR PIÉZO-ÉLECTRIQUE 37
1 Introduction 37
2 Les générateurs 38
2.1 Le lithotriteur électro-conductif EDAP-Technomed Sonolith Praktis 38
2.2 Le lithotriteur électromagnétique Dornier Lithotripter S
40
2.3 Le lithotriteur piézo-électrique EDAP-Technomed LT-02
41
3 Mesure de la répartition de pression sur une coupole équivalente 42

3
3.1 Distance entre le point focal et l'hydrophone 42
3.2 EDAP-Technomed Praktis 43
3.3 Dornier Lithotripter S 44
3.4 EDAP-Technomed LT-02 45
3.5 Exploitation des résultats de mesure 46
4 Résultats 47
4.1 Maxima de pression en fonction de l'angle 47
4.2 Pression maximale équivalente en fonction de la puissance 49
4.3 Formes temporelles de la pression 50
5 Discussion et Conclusion 53
CHAPITRE 3 : MODÉLISATION TEMPORELLE D'UN TRANSDUCTEUR
ULTRASONORE EXCITÉ PAR DÉCHARGE CAPACITIVE 58
1 Introduction 58
2 Rappel des équations régissant le fonctionnement d'un transducteur mince 59
3 Méthode d'analyse 61
4 Vérification expérimentale 65
4.1 Matériel et méthodes 65
4.1.1 Transducteur 65
4.1.2 Excitation électrique 66
4.1.3 Mesures 67
4.1.4 Modélisation de l'exemple proposé 67
4.2 Résultats 68
4.2.1 Loi R(t) décrivant l'état du commutateur 68
4.2.2 Résultats de la modélisation 69
5 Discussion 71
6 Conclusion 73

4
CHAPITRE 4 : DÉTERMINATION EXPÉRIMENTALE D'UN MATÉRIAU PIÉZO-
ÉLECTRIQUE 74
1 Introduction 74
2 L'excitation électrique des transducteurs 75
2.1 Introduction 75
2.2 Principe 76
2.3 Vérification expérimentale – matériel et méthodes 79
2.4 Résultats et discussion 81
2.5 Conclusion 83
3 Matériel 84
3.1 Matériaux testés 84
3.2 Epaisseur des transducteurs 85
3.3 Générateur d'impulsions électriques 86
3.4 Montage mécanique des transducteurs et mesures de pression 89
4 Méthodes 90
4.1 Etude de la tenue en tension des différents matériaux 90
4.2 Distribution de la pression à la surface des transducteurs 92
4.3 Etude de la tenue en tension pour 2 fréquences de résonance différentes 92
4.4 Influence des modes latéraux 93
5 Résultats 93
5.1 Etude de la tenue en tension des différents matériaux 93
5.2 Distribution de la pression à la surface des transducteurs 95
5.3 Etude de la tenue en tension pour 2 fréquences de résonance différentes 96
5.4 Influence des modes latéraux 97
6 Discussion 97
7 Conclusion 100