57 - Société Française d`Acoustique

Les thèmes scientifiques actuels de l’acoustique et leur devenir
ÉLECTROACOUSTIQUE
L
e terme « électroacoustique » recouvre en fait beaucoup
de thèmes variés. La base est évidemment constituée des
transducteurs électroacoustiques, mais la tendance est assez naturellement à un élargissement à des sujets dont le centre
est l’utilisation de ces transducteurs. Pour ces raisons, les transducteurs pour les fréquences audibles et les transducteurs ultrasonores sont souvent étudiés par des spécialistes différents,
d’autant que les transducteurs pour la reproduction sont à « large
bande » (de fréquence), alors que les transducteurs ultrasonores
sont souvent à bande étroite, ce qui les différencie nettement .
C’est pourquoi ce chapitre est divisé en deux sous-chapitres.
1. Électroacoustique et reproduction
sonore
Comme le suggère son étymologie, l’électroacoustique est avant
tout un assemblage de connaissances, qui prend tout son sens
dans l’étude des transducteurs, dont le noyau dur concerne les
conversions d’énergie entre diverses formes : électrique, mécanique et acoustique. Historiquement, l’électroacoustique a cependant recouvert bien d’autres notions, essentiellement au travers
d’analogies entre la propagation acoustique et la propagation
électromagnétique, étayées par des notions communes fondamentales comme l’impédance ou la réciprocité.
Dans notre société hyper-médiatisée, l’importance des outils de
communication a motivé une évolution extrêmement rapide de
la technologie des transducteurs, qui tend à occulter les aspects
fondamentaux liés à l’électroacoustique, aujourd’hui souvent
considérée comme un outil de résolution efficace de problèmes
d’ingénierie. Il suffit ainsi de discuter rapidement avec quelques
scientifiques pour constater que peu de personnes revendiquent
l’électroacoustique comme une spécialité, au point que bien des
congrès d’acoustique n’ont plus de session sur ce thème. Force
est donc de constater qu’il est ambigu, recouvrant tant de facettes que presque tout le monde utilise des notions historiquement
liées à l’électroacoustique, mais sans les considérer comme telles.
1.1 De profondes racines
Il est ainsi intéressant de donner quelques repères dans l’histoire
parallèle de l’électricité et de l’acoustique. Un exemple est basé
sur la bouteille de Leyde, a priori simple curiosité de salon au milieu du XVIIIe siècle : Franklin l’a utilisée pour faire osciller une balle
entre deux électrodes (vibreur électrostatique), qui ont été par la
suite modifiées pour en permettre la résonance, donnant naissance à un « clavecin électrique » vers 1861, ou un « télégraphe
électrostatique » vers 1774. La première de ces applications peut
ainsi être vue comme un ancêtre de nos synthétiseurs, alors que
la deuxième serait à l’origine des moyens de télécommunication
caractéristiques de ce début de siècle.
C’est la création d’un générateur électrochimique par Volta, vers
1800, qui a permis l’essor de l’électricité. Il a ouvert la voie à de
nombreuses découvertes, pour aboutir à la renaissance d’un ancien concept : le télégraphe, sous forme cette fois électromagnétique (1831). Le rapport entre l’électricité et l’acoustique s’est ainsi
atténué dans le télégraphe, jusqu’à ce que C. Bourseul suggère en
1854 qu’une future version pourrait reproduire la voix humaine.
Effectivement, un premier prototype de téléphone est apparu
vers 1860, puis a été amélioré par Gray puis Bell, dont le principal
brevet date de 1876. C’est à cette époque que « l’électroacoustique » est devenue un domaine d’étude spécifique, du fait des
bouleversements de la société auxquels elle a été associée.
Le sujet d’intérêt majeur à cette époque était la mise au point
de transducteurs à haut rendement, faute de moyens d’amplification. De très nombreux mécanismes de transduction ont ainsi été
étudiés, parmi lesquels les couplages magnétostrictif (Page, 1837),
magnétodynamique (Siemens, 1874), résistif (Bell, 1876), électrostatique (Dolbear, 1877), piézoélectrique (Curie, 1880), thermoacoustique (Preece, 1880), en enfin électrodynamique (Cuttriss et
Redding, 1881). Mais cette deuxième moitié du XIXe siècle a aussi
connu une avancée gigantesque sur le plan théorique : c’est vers
1873 que Maxwell a publié la théorie de l’électromagnétisme, et
vers 1877 que Lord Rayleigh a publié les bases de l’acoustique.
Des bases théoriques essentielles sont ainsi communes aux deux
domaines que sont l’électromagnétisme et l’acoustique : la plus
universellement utilisée est la théorie de la propagation, dans
laquelle la nature physique des phénomènes est quasiment occultée par l’étude spatio-temporelle de « signaux » porteurs d’information. Elle est donc utilement complétée par une description
des échanges d’énergie associés, formalisée par la notion d’impédance (aussi bien mécanique qu’électrique), qui caractérise la
réaction d’un milieu face à une sollicitation. L’étude du couplage
entre différentes formes d’énergie (transduction) a enfin conduit
à mettre en évidence un « effet inverse » (Villari, 1864), traduisant
le caractère éventuellement bidirectionnel du couplage entre les
grandeurs électriques et mécaniques, ce qui illustre une troisième
notion fondamentale commune : la « réciprocité ».
« Électroacoustique » est ainsi un terme qui peut désigner aussi
bien l’histoire commune aux domaines de l’électricité et de
l’acoustique, qu’un domaine d’application commun, ou un ensemble de propriétés fondamentales partagées qui suggèrent
des méthodes de travail communes.
1.2 Microphones, écouteurs et haut-parleurs
Aujourd’hui, l’étude des transducteurs est un des rares thèmes qui
est systématiquement associé au terme «électroacoustique», mais
elle est plutôt perçue comme un secteur d’application et non un
domaine scientifique. Omniprésents, les transducteurs sont utilisés dans la plupart des laboratoires, dans de nombreux systèmes
industriels, mais surtout dans toutes les applications multimédia
actuelles, sous l’appellation générique « audio ». Ces marchés gigantesques imposent une logique de développement très rapide, à base d’avancées technologiques orientées essentiellement
vers la maîtrise des coûts, qui occultent un travail scientifique qui
se poursuit à sa cadence propre.
Les technologies dominantes (mais pas exclusives) sont les technologies électrodynamiques pour les écouteurs, les haut-parleurs
et les microphones de scène, et les technologies électrostatiques
pour les microphones de mesure, de studio ou de communications. Un dialogue constant a permis aux scientifiques et aux in-
Le livre blanc de l’acoustique en France en 2010 - 57
dustriels de faire progresser les concepts théoriques nécessaires à
la compréhension du fonctionnement de ces transducteurs, mais
aussi et surtout leur technologie. La bonne qualité de certains
produits à très bas coût commercialisés aujourd’hui ne pouvait
probablement pas être envisagée il y a seulement vingt ans, et
de nouveaux brevets concernant les transducteurs sont déposés
chaque mois.
Pourtant, même les meilleurs produits souffrent encore de nombreuses limitations, et les travaux de recherche continuent donc
dans certains laboratoires. Ainsi, en restant dans le cadre des sources sonores audibles, des exemples encore « d’actualité » sont par
exemple le transducteur ionique (Klein, 1946) où le couplage
avec des particules ionisées est lié à la viscosité et à la conduction thermique de l’air, ou la source « paramétrique » (Westervelt, 1951) dans laquelle deux champs ultrasonores de grande
amplitude interagissent non-linéairement pour créer une source audible au sein d’un volume d’air distant. Le caractère « immatériel » de telles sources permet de réaliser des géométries
de volume source très particulières, conduisant à des propriétés
inhabituelles (sources directionnelles, etc.). Ces deux exemples
assez caractéristiques relèvent aujourd’hui plutôt du domaine
de « l’acoustique physique », bien qu’ils soient tout à fait dans
la lignée des travaux autrefois classifiés dans la spécialité « électroacoustique ». De tels principes sont par ailleurs plutôt expérimentaux et leur dynamique est limitée, ce qui les cantonne
encore dans les laboratoires comme leurs prédécesseurs l’ont
été pendant longtemps autrefois.
Les technologies « classiques » restent donc encore largement les
plus répandues, leur évolution étant liée à la fois à la demande du
marché et à des avancées dans d’autres domaines. Cette évolution ne doit pas être sous-estimée : la technologie électrostatique
doit beaucoup de son succès au principe de « prépolarisation »,
par exemple par un film électret (Sessler, 1962), qui a permis la
production de masse de capsules microphones à très faible coût
– le flambeau pouvant être repris par les MEMS. Dans le même
esprit, le développement de films piézoélectriques (PVDF) porte
de grands espoirs, que l’industrie pourra éventuellement concrétiser si un marché suffisant se manifeste. Même le vétéran des
haut-parleurs alimente encore la recherche, car un des principaux
points faibles du haut-parleur électrodynamique s’avère être son
comportement magnétique, longtemps ignoré par une description principalement électrique. De nouvelles structures de moteurs basées sur des matériaux modernes (aimants néodyme, ferrofluides) ont ainsi permis de réduire significativement plusieurs
sources de non-linéarité majeures, ouvrant la voie à une reproduction sonore a priori plus fidèle.
Les travaux effectués en ce sens relèvent de multiples spécialités
(science des matériaux, magnétisme, etc.). Leurs avancées alimentent aussi une réflexion scientifique à plus long terme : la réponse
à un besoin du marché justifie un investissement technologique,
qui conduit à des configurations nouvelles (c’est à dire miniature),
faisant éventuellement émerger un nouveau problème scientifique à résoudre. Cependant, les résultats de tels développements
technologiques ne sont pas toujours diffusés rapidement car les
acteurs du domaine cherchent souvent à valoriser au préalable
des investissements importants. Schématiquement, on peut ainsi
estimer que le dynamisme technologique actuel en matière de
transducteurs « audio » est en partie responsable d’une diminution de l’intérêt de la communauté scientifique. Ceci devrait par
contre être passager, et même annoncer un regain d’intérêt pour
ces transducteurs lorsque la propriété industrielle associée se sera
éteinte – comme cela a déjà été le cas dans le passé.
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1.3 La reproduction sonore
Parmi les applications « audio », la reproduction sonore représente une part très importante des marchés actuels. Mais c’est
aussi un domaine où la recherche scientifique est très active, avec
de nombreux partenariats entre laboratoires et entreprises. Une
des raisons de ce dynamisme est l’engouement actuel pour la reproduction spatiale du champ, qui passe de la stéréophonie aux
différentes variantes du « multicanal ». Là encore, une des raisons
est la disponibilité des technologies, à la fois en termes de transducteurs (à la fois petits et fidèles) et de moyens de traitement
audionumérique. Par contre l’émergence de ce thème résulte
aussi de raisons plus profondes : il permet la cristallisation autour
d’un même sujet de nombreuses spécialités scientifiques, parmi
lesquelles la vibroacoustique, l’acoustique des locaux, le contrôle actif, le traitement du signal, la perception, etc. Il ne s’agit
pas d’une simple application, mais bien d’un thème scientifique
transverse – comme l’était l’étude des transducteurs au temps de
« l’électroacoustique ».
Un aspect critique de la reproduction sonore spatiale est celui de
la représentation des champs : dans un problème spatial audio
3D, il est impossible de respecter rigoureusement les critères
d’échantillonnage usuels, compte tenu de la très large gamme
des fréquences audio (3 décades). La discrétisation spatiale du
problème acoustique ne peut donc être que très imparfaite, et
il est d’autant plus important de bien choisir et respecter les caractéristiques jugées essentielles dans le champ à reproduire (ce
qui définit des paradigmes tels que WFS, HOA, etc.). Il s’agit bien
là d’un problème fondamental d’acoustique, mais qui ne correspond par contre pas (encore ?) à une « spécialité » reconnue.
Deux écoles coexistent depuis longtemps en ce domaine : soit
une synthèse rigoureuse basée sur une représentation compacte
du champ, soit une approche créant plutôt une illusion sonore,
basée elle aussi sur des méthodes rigoureuses, mais relevant
autant d’une dimension artistique que scientifique. L’arbitrage
entre les deux relève de l’étude de la perception, qui n’a pas encore produit de modèles suffisants pour orienter les choix. Cependant le scientifique se heurte aussi à la réalité économique :
les formats commerciaux actuels constituent une norme de fait,
que les partenaires industriels ne peuvent pas ignorer, alors que
l’expérimentation dans ce domaine nécessite des moyens que
peu de laboratoires peuvent dégager sans partenariat. Heureusement, le dialogue reste aujourd’hui assez ouvert sur ce thème,
permettant d’identifier progressivement les problèmes scientifiques à aborder.
Parmi ceux-ci, l’interaction entre les transducteurs avec leur environnement sonore prend de l’importance quand leur nombre
augmente, ce qui renforce les couplages entre objets adjacents.
Les transducteurs réels ont une réponse qui dépend de leur
charge acoustique, ce que l’on peut négliger tant que celle-ci
reste mineure comparée à leur impédance mécanique propre.
Cette dernière est en général minimisée dans les transducteurs
très performants, qui s’écartent ainsi paradoxalement de sources
idéalisées, en ce sens que leur « entrée » comporte alors deux
degrés de libertés indépendants (tension et courant), là où l’utilisateur n’en pilote en général qu’un seul. Ceci pose des problèmes
nouveaux et très intéressants en termes de stratégies de synthèse
de champ, mais aussi de modélisation et de mesure de transducteurs agissant simultanément dans de petits locaux.
De multiples concepts visent à traiter les parois d’un local d’écoute pour améliorer la restitution sonore, soit par des méthodes
classiques (traitements absorbants, etc.), soit par des méthodes
actives ou semi-actives. Au contraire, le concept des « line-arrays1 »
maintenant omniprésent en sonorisation cherche à contrôler la
directivité de sources à grand nombre de transducteurs, de manière à concentrer le champ à reproduire sur l’assistance en évitant autant que possible les parois. À (très ?) long terme, une convergence entre les dispositifs de correction de l’environnement
et ceux de reproduction sonore pourrait donc conduire à une
« paroi intelligente », assurant une reproduction sonore différenciée dans chaque local.
À l’inverse, la tendance du marché actuel est à « l’écoute individuelle », maintenant intégrée dans de très nombreux produits.
La solution usuelle est de faire appel à des écouteurs, qui apportent des problèmes spécifiques, notamment de métrologie : ils
ne rayonnent pas dans un espace extérieur, mais dans une partie
de l’oreille, qui constitue une charge confinée très variable d’un
individu à l’autre. Là encore, le problème pratique de la caractérisation de la reproduction sonore débouche sur un problème fondamental ardu, qui va de l’acoustique physique à la perception.
Ces quelques exemples illustrent la richesse des questions posées par la reproduction sonore, et leur caractère scientifique
et fondamental, bien que transversal aux spécialités actuellement identifiées. À ces questions vont inévitablement s’ajouter celles liées à la raréfaction des ressources et de l’énergie, et
donc du rendement énergétique des systèmes de traitement
audionumérique et de reproduction sonore. C’est déjà un enjeu
majeur dans les applications dites « nomades », qui préfigurent
les besoins à venir : efficacité énergétique et compacité sont
probablement deux propriétés qui devront être étudiés dans
les prochaines années, et qui nécessiteront que les modèles
prennent en compte globalement l’ensemble du problème de
la reproduction sonore, depuis le système de pilotage jusqu’aux
oreilles de l’auditeur. L’esprit général reviendra ainsi un peu à
celui de l’électroacoustique : une approche basée sur la description énergétique couplée de phénomènes majeurs, mais abandonnant les hypothèses lourdes de linéarité ou d’invariance, et
augmentée de la dimension spatiale du champ rayonné dans
un environnement loin de l’anéchoïcité.
2. Capteurs et transducteurs
ultrasonores
2.2 Historique
L’évolution technologique des capteurs et transducteurs ultrasonores est étroitement liée au développement des méthodes
acoustiques comme moyen d’investigation. En 1880, la découverte de la piézoélectricité par les frères Pierre et Jacques Curie
ouvre la perspective de la génération et la détection des ondes
ultrasonores. En 1916, Paul Langevin réalise la première expérience d’émission-réception d’ondes ultrasonores dans l’eau.
L’utilisation des sonars durant la seconde guerre mondiale marque réellement le développement des transducteurs ultrasonores. Depuis, la technologie a constamment évolué, intégrant de
nouveaux matériaux tels que les céramiques PZT dans les années
50, les composites piézoélectriques dans les années 80 et plus
récemment les monocristaux à coefficient de couplage pouvant
atteindre 90 %. Les développements technologiques s’accompagnent également d’une augmentation de la fréquence de fonctionnement des transducteurs ouvrant la voie à de nouvelles applications. Les années 50 voient le développement des premiers
capteurs pour l’imagerie médicale et le contrôle non-destructif
(CND) a gamme du MHz. À partir des années 70, les progrès en
électronique et l’intégration des systèmes permettent le développement d’appareils commerciaux d’échographie médicale reposant sur l’utilisation de transducteurs multiéléments (barrettes)
et de systèmes Doppler. En parallèle, la possibilité de générer et
détecter des modes guidés sur substrat par peignes interdigités
permet, par méthodes acoustiques, de réaliser des fonctions de
filtrage en électronique à des fréquences de plusieurs centaines
de MHz. Les méthodes de contrôle non-destructif et d’acoustique
sous-marine, intègrent également les avancées technologiques
conduisant dans ces domaines à une augmentation de la résolution des systèmes.
2.3 Méthodes/technologies
La fonction de conversion d’énergie réalisée par le transducteur
est faite le plus souvent par des matériaux piézoélectriques.
Grâce à la nature réciproque du phénomène de piézoélectricité,
ceux ci peuvent être utilisés comme émetteur ou comme récepteur. À titre d’exemple les monocristaux de niobate de lithium,
des céramiques comme le titanate zironate de plomb ou le titanate zirconate de barium, certains polymères et copolymères
comme le polyvinylidine difluoride (PVDF) ou le poly(vinylidène
fluoride-trifluoroéthylène) P(VDF-TrFE) et les piézocomposites
2.1 Introduction
Les capteurs ou transducteurs ultrasonores effectuent la conversion électromécanique qui permet d’engendrer et/ou de
détecter des ondes dont les fréquences dépassent en général
20 kHz (sauf pour l’acoustique sous-marine qui s’intéresse également aux plus basses fréquences). Éléments principaux et
indispensables à l’ensemble des procédés et expériences utilisant des ultrasons, ils s’intègrent dans de nombreux thèmes de
l’acoustique. Ils sont employés dans les sonars actifs et passifs,
comme hydrophones en acoustique sous-marine, pour le contrôle et l’évaluation non destructifs de matériaux et structures,
pour le nettoyage industriel, dans les systèmes d’échographie et
de thérapie en médecine, mais aussi en microscopie acoustique
ou comme capteurs chimiques, physiques ou biologiques. Ils
interviennent également dans des applications en débimétrie,
le soudage de matières plastiques, en nébulisation ou dans les
moteurs ultrasonores.
[ FIGURE 1 ] Transducteurs pour l’imagerie médicale Philips medical.
1. Qu’on peut traduire par « réseaux en ligne ».
Le livre blanc de l’acoustique en France en 2010 - 59
comptent parmi les matériaux piézoélectriques employés dans
les transducteurs. Ces matériaux sont généralement associés à
des éléments mécaniques passifs tels des lames adaptatrices
ou des milieux arrières amortisseurs et éventuellement des éléments d’adaptation électrique pour constituer le transducteur
ultrasonore. La géométrie ainsi que les propriétés des éléments
constitutifs du transducteur, dont en premier lieu de l’élément
actif, conditionnent les performances électroacoustiques du
transducteur : sensibilité, bande passante et diagramme de
rayonnement. Mis en œuvre sous forme de systèmes multi-éléments, et associés à une électronique de formation de faisceau,
ils permettent l’imagerie de structures internes en médecine et
dans l’industrie dans la gamme de fréquence 1-20MHz. À plus
basses fréquences, ils permettent l’imagerie des fonds marins.
2.4 Perspectives et enjeux
Aujourd’hui, la recherche dans le domaine des transducteurs ultrasonores est conduite en étroite relation avec celle menée autour
des matériaux électroactifs avec l’objectif d’augmenter les performances – notamment la sensibilité et la bande passante – des
transducteurs et de répondre aux besoins de nouvelles applications. Les monocristaux piézoélectriques de type PMN-PT ou
PZN-PT possédant des propriétés piézoélectriques très élevées
présentent des caractéristiques tout à fait séduisantes pour l’imagerie médicale. Les céramiques texturées aux performances approchant celles des monocristaux existent également et offrent
la possibilité d’être fabriquées en grandes dimensions pour des
applications d’acoustique sous-marine.
En médecine, miniaturisation et intégration sous forme de réseaux
d’antennes haute densité constituent aujourd’hui des enjeux
majeurs dans le domaine des transducteurs ultrasonores, pour
des applications en imagerie 3D et en imagerie haute résolution
incluant l’imagerie endocavitaire et intravasculaire. Des structures intégrées à base de films épais piézoélectriques déposés sur
substrat voient le jour. Elles permettent l’imagerie haute résolution à des fréquences entre 30 MHz et 100 MHz. De nouvelles
technologies permettant un fort degré d’intégration comme les
transducteurs capacitifs micro-usinés permettent d’envisager non
seulement l’imagerie haute résolution, l’imagerie 3D, mais aussi le
développement de capteurs à usage unique à faible coût. L’augmentation de la bande passante pour des applications d’imagerie
harmonique, le développement de transducteurs de puissance
pour des applications de thérapie, sont également des axes de
recherche poursuivis par les laboratoires et entreprises travaillant
dans le domaine des transducteurs.
Dans le domaine du CND, les géométries variables ou irrégulières
de la surface des pièces peuvent rendre leur contrôle impossible.
La mise en œuvre de transducteurs ou de solutions techniques
permettant de s’affranchir de la géométrie apparaît comme un
enjeu majeur dans ce domaine pour les années à venir. L’utilisation de barrettes à déflexion permet dans une certaine mesure
d’inspecter des régions difficilement accessibles. Des réseaux linéaires ou matriciels conformables voient également le jour ; ils
permettent de s’affranchir de la géométrie des pièces en assurant
un contact optimal. Leur pilotage à l’aide d’électroniques modernes permet de créer un champ ultrasonore indépendant de la
géométrie.
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[ FIGURE 2 ] Transducteur conformable qui permet de s’affranchir des géométries
complexes des pièces pour leur contrôle ultrasonore.
Une alternative repose le développement de systèmes de contrôle sans contact par transducteurs aériens. L’enjeu est alors de
développer des systèmes suffisamment sensibles pour permettre
une exploitation des signaux reçus.
Les applications pour l’acoustique sous-marine nécessitent des
matériaux et des conceptions de transducteurs permettant de
supporter des puissances élevées et présentant un très bon rendement électromécanique. Alors que la plupart des antennes
d’émission fonctionnaient à plus de 5 kHz, les années 80-90 ont
été marquées par la conception d’antennes d’émission sonar
fonctionnant autour de 1 kHz voire en dessous. La tendance actuelle et pour les prochaines années revient vers des fréquences
plus élevées et une recherche de réduction des coûts avec des
concepts de transducteurs comportant moins de pièces mécaniques, avec notamment des céramiques fonctionnant en mode
de flexion. Pour ce qui concerne les hydrophones, l’objectif est
d’obtenir des capacités diélectriques et des sensibilités suffisamment élevées pour assurer un rapport signal à bruit permettant
d’écouter les bruits sous-marins. Les technologies d’hydrophones
surfaciques utilisant des matériaux types PVDF sont maintenant
suffisamment au point. Les études récentes et à venir pour les
antennes de réception portent principalement sur des combinaisons de capteurs présentant une directivité (pour lever le doute
droite/gauche) et de nouveaux capteurs sensibles à la vitesse particulaire dans l’eau au lieu de la pression acoustique.
2.5 Entreprises et laboratoires en France travaillant
dans le domaine des transducteurs
Sur le marché des transducteurs pour le CND et l’imagerie médicale on trouve les sociétés Vermon, Imasonic, Parallel Design,
Métalscan, Sonaxis... Thales développe des matériaux piézoelectriques et des transducteurs pour l’acoustique sous-marin.
Comme laboratoires travaillant sur le thème des transducteurs ultrasonores on peut citer le LUSSI (Tours), l’IEMN (Lille), FEMTO-ST
(Besançon), l’INSERM (Lyon) pour les transducteurs de puissance,
la DGA, l’équipe MIRA de l’IES (Montpellier)...