Sources et capteurs acoustiques à gaz ionisés

Introduction

    La transduction ionique est un thème de recherche qui a émergé au Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine au début des années 1990, ses applications relèvent du domaine de l’électroacoustique. Au LAUM, le terme générique de transduction ionique recouvre les études sur les interactions électromécaniques entre un gaz ionisé (ou plasma), créé au moyen de décharges électriques, et l'air environnant. Durant une décennie, les travaux, tant théoriques qu’expérimentaux, ont porté essentiellement sur la modélisation électrique et acoustique de haut-parleurs à gaz ionisé et sur la mise en place de dispositifs expérimentaux permettant la mesure fine de leurs caractéristiques électroacoustiques [1]. L'étude des capteurs ioniques (réciproques des haut-parleurs précédents) a débuté à partir des années 2003. Ces transducteurs utilisent le gaz ionisé comme corps d'épreuve sensible aux perturbations acoustiques en lieu et place de la membrane du microphone classique. Des capteurs de pression [2] et de vitesse particulaire acoustiques ont été conçus et développés ainsi que des modèles électroacoustiques spécifiques. En 2008, un premier travail d’association de ces deux capteurs en un capteur unique a conduit à la création d’une sonde d’intensimétrie acoustique avec dépôt d’un brevet en 2010 [3]. Elle permet, simultanément et dans un même lieu - le gaz ionisé, l’obtention de la pression et de la vitesse particulaire : une caractéristique qu’aucune sonde d’intensimétrie actuelle ne possède.

 Capteurs acoustiques à gaz ionisés

     L’usage de capteurs acoustiques lors de la mesure d’un champ sonore requière de limiter leur caractère intrusif et en conséquence de réduire leur taille autant que faire se peut comparativement aux longueurs d’onde acoustique. Concernant les transducteurs ioniques utilisés jusqu’à présent, les décharges électriques sont obtenues par application de hautes tensions entre une pointe et un plan séparés par un gap d’air allant de quelques millimètres au centimètre. Aux tensions appliquées allant de quelques kilovolts à la dizaine de kilovolts sont associés des faibles courants de l’ordre du milliampère. L’usage de micro structures ayant des électrodes séparées de quelques dizaines de micromètres permet de réduire la taille de la source mais aussi d’abaisser la tension électrique à des valeurs proches de celles utilisées par les microphones électrostatiques classiques, à savoir quelques centaines de volts. Depuis les années 2005, à travers le monde, ces micro structures et les micro décharges associées font l’objet d’études théoriques et de développements technologiques, cela en vue d’adapter leurs configurations géométriques et électriques et plus particulièrement les propriétés du gaz ionisé (appelé aussi micro plasma) aux spécificités du problème à traiter. Les domaines d’application relèvent de la dépollution, de la décontamination biologique et du traitement des surfaces entre autres.

Capteurs à micro décharges

    Dans le cadre de la thèse d’Adalbert Nanda Tonlio débutée en 2012, financée par le projet région MEMSPA ("Micro moteurs électrodynamiques pour la réalisation de parois acoustiques absorbantes" - 2011-2015) et en collaboration avec l’Opération de Recherche Microsystème, des microphones miniatures faisant usage de micro décharges ont été développés et étudiés. Ces décharges submillimétriques présentent des comportements électriques et acoustiques qui diffèrent grandement de ceux associés aux décharges millimétriques. Soulignons que la sensibilité aux fluctuations de pressions des micro plasmas ainsi générés n’a pas fait l’objet d’étude à notre connaissance. Les travaux de thèse se sont focalisés sur deux architectures permettant la génération de micro décharges et ainsi du volume de gaz ionisé utile à la transduction. D’une part, la structure macroscopique usuelle avec une pointe d’aiguille placée à une distance submillimétrique d’un plan (figure 1). D’autre part, une microstructure sur puce silicium constituée d’électrodes planes (multi-pointes - fil) fabriquée en salle blanche (à l’ENSIM entre autres) à l’aide de méthode et d’outil de micro gravures.

                             (a)                                                                                                           (b)


Figure 1 : (a)  décharge électrique de géométrie pointe (avec un potentiel négatif) - plan.  Distance inter électrodes =1 mm.   (b)  micro système "multi-pointes – fil" - d = 200 µm. (© LAUM)

      Un banc de mesure spécifique a été développé et utilisé afin de caractériser les comportements électriques et acoustiques de ces microphones. Ainsi, la caractéristique électrique courant-tension renseigne principalement sur la présence de plusieurs régimes de fonctionnement possibles de la micro décharge (figure 2). Suivant le régime utilisé, la relation entre le courant et la tension peut être non linaire et parfois hystérétique.

                                     (a)                                                      (b)                                                            (c)

Figure 2 : (a) montage électrique. (b) caractéristiques Courant-tension pour différentes distances inter électrodes d. (c)  comportements hystérétiques de la décharge électrique. (© LAUM)

      Quant à la sensibilité du micro plasma aux fluctuations de pression en fonction de la fréquence, elle est déduite par comparaison avec un microphone électrostatique de référence placé dans un même champ acoustique obtenu au sein d’un guide d’onde (figures 3). Finalement, ce banc a permis d’évaluer l’influence de paramètres tels que le niveau de la perturbation acoustique, les paramètres géométriques et électriques de la micro décharge sur le comportement électroacoustique du microphone et cela sur une gamme de fréquences allant de 100 Hz à 4 kHz (figures 4). Soulignons toutefois, qu’en deçà d’une distance inter électrodes d’un millimètre, ces capteurs tels qu’ils ont été conçus présentent aussi une sensibilité à la vitesse particulaire.

                                                   (a)                                                                                       (b)

Figure 3 : (a) représentation schématique du banc de mesure acoustique.  (b) réponses en fréquence d’un microphone à micro décharges pointe négative – plan. (d = 200 µm avec  Ualim = 1,5 kV et Ialim =  20 µA). Trois tensions sont appliquées sur les haut-parleurs . Par comparaison avec un microphone de référence (courbes noires) la sensibilité du microphone à micro décharge est estimée à environ 155 nA/Pa. (© LAUM)

 

Publications et brevet

[1] : Ph. BÉQUIN, K. CASTOR, Ph. HERZOG, V. MONTEMBAULT, "Modeling Plasma Loudspeakers", J. Acoust. Soc. Am., 121 (4), 1960-1970 (2007).

[2] - Ph. BÉQUIN, V. JOLY, P. HERZOG, "Modeling of a corona discharge microphone", Journal of Physics D: Applied Physics. 46, 175204 (2013).

 [3] : Ph. BÉQUIN, P. HERZOG, V. JOLY, "Capteur d’intensité acoustique à gaz ionisé". Brevet français, N°1001424  (Avril 2010).