Thesis by CLOSSET Etienne
1-3 Piezocomposite transducers transient behavior study.
Defended on 31 may 2006
Piezoelectric ultrasound generators are widely used in medical imaging and therapy. For extra-corporeal lithotripsy, the 1-3 piezocomposite transducers are subjected to electrical impulses. If the applied voltage is pushed beyond a given threshold, the composite breaks by a fatigue process. The failure appears as an electrode loosening followed by an electric arc eroding the transducer across its thickness. The transducer mean lifetime has been improved by balancing the piezoelectric rods elongation around their position at rest with an electrical pre-strain applied before the shock. The causes initiating the failure of the composite structure, and the life-promoting effect of the electrical pre-strain, are investigated using the finite elements method. First, the ceramic and resin damping are characterized, against the frequency, from optical measurements of the displacement. The ultimate tensile stress limit of the ceramic is also characterized. The finite elements results show singular points on the diced composite structure of the transducer, where the stresses and electric field magnitudes tend toward infinity. These singularities are identified and characterized using a specific tool based on an iterative method fitted to the piezoelectric problem. Then the piezocomposite transient behavior is computed with the finite elements method, taking into account the electrical pre-strain effects. The magnitude of the stresses induced by the electrical shock are then compared to the materials tensile limits and the ceramic / resin interface debonding stress.
Etude du comportement transitoire des transducteurs piézocomposites 1-3.
Soutenue le 31 May 2006
Les ultrasons générés par effet piézoélectrique ont de multiples applications en imagerie ou thérapie médicale. Dans le traitement des lithiases rénales, les ondes de choc sont produites par des transducteurs de puissance, de type piézocomposite 1-3, soumis à des impulsions électriques. La tension maximale qui leur est appliquée, donc le niveau de pression, est limitée par un seuil au delà duquel le composite cède. La rupture est initiée par le décollement de portions d'électrode, suivi d'un arc électrique qui perce le transducteur. La durée de vie du composite peut être améliorée par une précontrainte électrique qui répartit, avant le choc, l'allongement des éléments actifs autour de leur position de repos. L'étude par éléments finis du comportement du transducteur soumis au choc électrique permet d'identifier les causes de rupture, et de comprendre le gain apporté par la précompression électrique. Pour cela les amortissements de la céramique et de la résine sont caractérisés, en fonction de la fréquence, à partir de mesures de déplacement par interférométrie optique. La limite de rupture mécanique en traction est également déterminée. L'analyse du modèle éléments finis révèle l'existence, au sein du transducteur, de points singuliers où les contraintes et le champ électrique deviennent infiniment grands. Ces singularités sont identifiées et caractérisées en tenant compte de la nature piézoélectrique du problème. Le comportement transitoire du composite est alors simulé, avec et sans précompression électrique. Les efforts induits par le choc sont alors confrontés aux contraintes de rupture en traction des matériaux et de décohésion de l'interface céramique / polymère.
Defended on 31 may 2006
Piezoelectric ultrasound generators are widely used in medical imaging and therapy. For extra-corporeal lithotripsy, the 1-3 piezocomposite transducers are subjected to electrical impulses. If the applied voltage is pushed beyond a given threshold, the composite breaks by a fatigue process. The failure appears as an electrode loosening followed by an electric arc eroding the transducer across its thickness. The transducer mean lifetime has been improved by balancing the piezoelectric rods elongation around their position at rest with an electrical pre-strain applied before the shock. The causes initiating the failure of the composite structure, and the life-promoting effect of the electrical pre-strain, are investigated using the finite elements method. First, the ceramic and resin damping are characterized, against the frequency, from optical measurements of the displacement. The ultimate tensile stress limit of the ceramic is also characterized. The finite elements results show singular points on the diced composite structure of the transducer, where the stresses and electric field magnitudes tend toward infinity. These singularities are identified and characterized using a specific tool based on an iterative method fitted to the piezoelectric problem. Then the piezocomposite transient behavior is computed with the finite elements method, taking into account the electrical pre-strain effects. The magnitude of the stresses induced by the electrical shock are then compared to the materials tensile limits and the ceramic / resin interface debonding stress.
Etude du comportement transitoire des transducteurs piézocomposites 1-3.
Soutenue le 31 May 2006
Les ultrasons générés par effet piézoélectrique ont de multiples applications en imagerie ou thérapie médicale. Dans le traitement des lithiases rénales, les ondes de choc sont produites par des transducteurs de puissance, de type piézocomposite 1-3, soumis à des impulsions électriques. La tension maximale qui leur est appliquée, donc le niveau de pression, est limitée par un seuil au delà duquel le composite cède. La rupture est initiée par le décollement de portions d'électrode, suivi d'un arc électrique qui perce le transducteur. La durée de vie du composite peut être améliorée par une précontrainte électrique qui répartit, avant le choc, l'allongement des éléments actifs autour de leur position de repos. L'étude par éléments finis du comportement du transducteur soumis au choc électrique permet d'identifier les causes de rupture, et de comprendre le gain apporté par la précompression électrique. Pour cela les amortissements de la céramique et de la résine sont caractérisés, en fonction de la fréquence, à partir de mesures de déplacement par interférométrie optique. La limite de rupture mécanique en traction est également déterminée. L'analyse du modèle éléments finis révèle l'existence, au sein du transducteur, de points singuliers où les contraintes et le champ électrique deviennent infiniment grands. Ces singularités sont identifiées et caractérisées en tenant compte de la nature piézoélectrique du problème. Le comportement transitoire du composite est alors simulé, avec et sans précompression électrique. Les efforts induits par le choc sont alors confrontés aux contraintes de rupture en traction des matériaux et de décohésion de l'interface céramique / polymère.
