Brevet FR2092878A1 — publié le 19720128

La presente invention concerne des perfectionnements aux dispositifs transducteurs électromécaniques, notamment aux hydrophones. Elle a trait, plus particulièrement, aux dispositions prises pour qu'un hydrophone classique, contenu dans un ddme arantageu- sement sphérique rempli d'un milieu fluide et muni de compensation de pression statique exercée en fonction de la profondeur d'immersion, soit judicieusement morné dans un champ acoustique anisotrope agissant principalement sur sa. face parlante. cette disposition, en canalisant ainsi la pression dynamique, réalise un découplage acoustique efficace des f^e i-:arftives de l'hydrophone et sa sensibilité devient pratiquement ind'pendante des pressions hydrostatiques rencontrées 'p- diverses profondeurs d'immersion. Dans le secteur technique considéré en l'ocurrence l'acoustique sous-marine, les parties constituant l'ensemble d'hydrophone perfectionné sont séparément connues dans l'art antérieur. les hydrophones classiques sont soit du type acoustiquement non découplé soit du type comportant des moyens de découplage de leurs faces latérales. Le premier type est utilisable R des profondeurs différentes puisque ses faces sont en équipression, mais sa sensibilité faible réduit son dondaine d'application. Le second, dans sa réalisation classique, colporte un élément sensible qui utilise par exemple un matériau à effet piézo-électrique, tel qu'une céramique à base de titanate de baryum. La "face parlante" dudit élément eet munie d'un pavillon métallique servant d'amplificateur de pression dynamique ; la face opposée repose sur une contre-masse métallique rendue solidaire d'une extrémité d'une armature métallique qui entoure le faces latérales de l'élément sensible.Un joint souple, en matériau convenable tel que du caoutchouc synthétique, est prévu entre le pavillon et l'autre extrémité de l'armature de manière à assurer l'étanchéité entre le milieu extérieur et l'espace créé autour de l'élément sensble. Cct espace rempli d'air constitue avec l'armature une sorte de paroi isolante de la pression hydrostatique empêchant l'application des contraintes indésirables sur les faces latérales de l'hydrophone et réalisant ainsi le découplage acoustique recherché. Toutefois, une telle réalisation présente des inconvénients à savoir, entre autres - difficulté inhérente au joint souple pour des profondeura d'ismiersion importantes de lthydrophone, susceptible de provoquer un contact direct entre le pavillon et l'armature ou de rompre l'étanchéité désirée, - augmentation de la pression statique sur la face parlante exerce par le pavillon lorsque ses dimensions sont augmentées afin d'accroître la sensibilité de llhydrophone, - risque de dépolariser l'élément sensible de l'hydrophone formé de céramique piézo-électrique en raison des contraintes uniaxiales trop importantes, Il est bien connu que les ondes acoustiques peuvent être concentrées et orientées en utilisant des lentilles acoustiques. Dans le domai d 'acoustique sous marine des lentilles épaisses et notamment de forme sphérique peuvent être utilisées avantageusement, l'aberration sphérique de ces dernières étant rendue négligeable en réalisant ces lentilles avec un indice de réfraction qui varie avec le rayon selon les équations proposées par R.K. Leneburg, notamment dans son exposé de "Diathematical Theory of Optics". De nombreux chercheurs ont développé la théorie et la réalisation de telles lentilles dont les types principaux sont à une couche, ou à deux couches due notamment à l'italien G. Toraldo di Francia, ou bien à plusieurs couches de Luneburg. Entre autres, un article de Boyles de 1968, à la page 709 du volante 43 de la revue "The Journal of the Acoustical Society of America" donne notaniment quelques indications sommaires sur le mode de réalisation de lentilles sphériques multicouches remplies de fluide du type Suneburg à indice variable de réfraction. Un des buts recherchés est la réalisation d1un dispositif transducteur, notamment un hydrophone à découplage sélectif du champ acoustique, indépendamment de la fréquence, qui possède une bonne sensibilité et une tenue mécanique excellente pour toute profondeur de son immersion, ce qui n'est pas le cas pour les dispositifs évoqués ci-dessus. Selon l'invention, un dispositif transducteur électromécanique, notamment un hydrophone disposé dans un dOms, acoustiquement transparent, rempli de fluide et à pression équilibrée est principalement caractérisé en ce que l'ensemble du dispositif réalise une combinaison d'éléments coopérant au découplage sélectif du champ acoustique indépendamment de la fréquence et comporte des moyens de focalisation produisant un champ acoustique anisotrope dans lequel est placé l'élément sensible de l'hydrophone, la direction de plus grande sensibilité de cet élément étant disposée parallèlement à celle de plus grande anisotropi dudit champ acoustique. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de focalisation de l'énergie acoustique sont constitués par une lentille acoustique au foyer de laquelle est placée la face parlante de l'élément sensible. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque la lentille acoustique est du type sphérique, la direction de plus grande sensibilité de l'élément sensible est confondue avec un diamètre de ladite lentille. Selon une autre caractéristique de l'invention, la lentille acoustique est formée par le milieu fluide contenu dans le aimez ce fluide possédant un indice variable de réfraction dont les valeurs distinctes sont réparties suivant une loi donnée. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustré par les figures qui représentent : - la figure 1 : un schéma de principe d'un hydrophone à découplage acoustique toutes immersions conforme à l'invention - les figures 2, 3 et 4 : des courbes théoriques d'amplitude et de phase des ondes acoustiques en fonction de la distance au centre respectivement pour les lentilles sphériques à une couche de fluide, à deux couches et à plusieurs couches, destinées à faciliter la compréhension du découplage acoustique sélectif dans la présente invention ; - la figure 5 : un réseau de courbes permettant d'effectuer une comparaison entre les différents types de lentilles - la figure 6 : une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un hydrophone selon la présente invention. La figure 1 représente un schéma de principe d'un hydrophone toutes immersions, conforme à l'invention, dans lequel la face parlante d'un élément sensible 1, par exemple une céramique piézo-électrique de longueur L, est disposée au foyer y d'une lentille acoustique 6. Cette dernière est avantageusement choisie de forme sphérique de manière à réaliser un découplage acoustique omnidirectionnel des faces latérales dela céramique 1. On peut montrer que ce découplage est réalisé en disposant, conformément à l'invention, l'axe principal de polarisation de la céramique 1, lequel correspond aussi à sa direction de plus grande sensibilité, parallélement à la direction de plus forte anisotropie du champ acoustique au voisinage de la sphère focale de la lentille 6. Dans le dispositif de la figure 1, l'axe principal de polarisation de la céramique t est confondu avec la direction de plus forte anisotropie que constitue le diamètre D de la lentille 6 passant par le foyer F. On peut en outre montrer que dans ce dispositif, l'effi- cacité du decouplage acoustique réaliste, dépend de la rapidité avec laquelle l'amplitude et la phase des ondes acoustiques reçues par la face parlante de l'élément 1, varient de part et d'autre de la position de ladite face. les figures 2, 3 et 4 représentent, pour trois types diff > - rents de lentilles acoustiques 6, les courbes théoriques d'amplitude Â de de phase des ondes acoustiques en fonction de la distance au centre O desdites lentilles. La figure 2 concerne une lentille un couche de type classique. les courbes A2 et 2 sont relatives à une lentille à milieu fluide ou solide sans cisaillemont d'indice de refraction n = 2, tandis que A3 et #3 correspondent à une lentille d'indice n = 3. Ces courbes montrent que l'amplitude et la phase varient d'autant plus rapidement que l'indice n de la lentille est elévé, ce qui permet d'obtenir un meilleur découplage acoustique. Par ailleurs, le foyer F de la lentille 6 est situé à l'intérieur de cette dernière pour un indice n supérieur à 2. Ta figure 3 concerne une lentille deux couches de type étudié par di Francia. Cette lentille 6 est, dans l'exemple choisi de manière non limitative, constituée de deux couches concentriques, la couche centrale étant d'indice n = 2,6 tandis que la couche extérieure a pour indice n = 3. Le foyer F de cette lentille se trouve toujours dans la couche extérieure. En comparant la courbe A avec les courbes A2 et A3 de la figure 2, on constate que pour un. même indice n = 5 de la couche extérieure, la variation d'amplitude est plus rapide autour du foyer F avec une lentille deux couches, qu'avec une lentille une couche, ce qui a pour résultant un meilleur découplage. La figure 4 concerne une lentille de luneburg dans laquelle, de manière commue, la valeur de l'indice variable de réfraction n décrott continuezient à partir du centre 0. les courbes Ao et d'une part1 A1 et 01 d'autre part, sont relatives à des lentilles dont l'indice au centre nO est respectivement égal b #2 et à 2. En ce qui concerne les courbes d'amplitude, elles sont semblables par le fait que l'amplitude au foynr F est théoriquement infinie et décroît très rapidement lorsqu'on s'éloigne dudit foyer. Les courbes de phase quant à elles, diffèrent sensiblement l'une de 1'autre, notamment en ce qui concerne leur pente, cette dernière étant d'autant plus importante que l'indice au centre nO est élevé, ce qui correspond donc théoriquement à un meilleur découplage. En comparant donc les différentes courbes d'amplitude rela t vJeQ au > trois types de lentilles évoqués ci-dessus, on constate que le découplage est d'autantplus efficace d'une part, que l'indice de réfraction est important, et d'autre part, que la lentille est composée d'un plus grand nombre de couches d'indices différents, la lentille idéale étant celle du type luneburg. C'est en effet dans cette dernière que la position du foyer est définie avec la plus grande précision, l'onde parvenant en ce point étant quasiment sphérique. Un autre élément de comparaison entre les-performances de ces différents types de lentilles est donné par le réseau de courbes théoriques B1, B2, BN de la figure 5. En appelant d la distance séparant le foyer F du point pour lequel la valeur de l'amplitude À a diminué de 3 d3 par rapport à sa valeur au foyer, ce réseau représente les variations de d en fonction de la fréquence f respectivement pour des lentilles une couche (ex), deux couches (B2) et de Luneburg (BN) dont le foyer F est à une m8me distance du centre 0. En définissant la fréquence de coupure de l'hydrophone objet de l'invention comme étant la fréquence au-dessous de laquelle la sensibilité devient égale à celle de l'élément sensible i non découplé, ce qui correspond approximativement à la fréquence pour laquelle d est égale à la longueur B dudit élément sensible 1, on constate que cette fréquence est d'autant plus basse que le nombre de couches de la lentille 6 est important, pour une longueur L donnée. Ainsi, suivant l'efficacité de découplage que l'on désire obtenir et la bande de fréquence dans laquelle on se propose d'utiliser l'hydrophone objet de l'invention, il est possible de choisir l'un ou l'autre des différents types de lentilles, étant entendu qu'il est a priori plus facile et moins onéreux de réaliser une bonne lentille une couche, qu'une lentille du type Luneburg. Quel que soit le type de lentille utilisé, pour obtenir une bonne concentration de l'énergie au foyer F, il est nécessaire que le diamètre D de la lentille soit supérieur à quatre fois la longueur de l'onde acoustique dans l'eau, valeur qui peut etre considérée comme la limite inférieure da l'acoustique géométrique au-dessous de laquelle la position du foyer n'est plus exactement définie. Il est en outre avantageux de choisir des lentilles dont le foyer F est situé à l'intérieur, de préférence voisin de la surface extéricure, car l'élément sensible 1 peut alors être aisément disposé dans la lentille et est en outre protégé directement par cette dernière. La figure 6 représente une vue en coupe partielle d'un exemple de réalisation d'un hydrophone toutes immersions conforme à l'invention, dans lequel la lentille acoustique 6 est choisie du type une couche et reprérée par la référence 62..La lentille 62 est une sphère à milieu fluide, de diamètre D égal par exemple à 4# max, #max étant la longueur maximum de l'onde acoustique susceptible d'être reçue par l'-hydrophone, contenue dans une enveloppe solide 60 d'épaisseur égale par exemple à D . Cette enveloppe 60 est réalisée par moulage de deux hémisphères en matériau ayant la même transparence aux ondes acoustiques que l'eau, c'est-à-dire ne perturbant pas le fonctionnement de l'hydrophone, matériau qui est par exemple un polynréthane. Les deux hémisphères sont rendus solidaires l'un de 1 'autre par tout moyen convenable tel qu'un joint de collage 61. L'élément sensible 1 auquel sont associés un pavillon 2 et une contre masse 3, est rendu solidaire de l'enveloppe 60 par exemple en collant la contre masse 3 sur ladite enveloppe 60, la liaison électrique 7 entre cet élément 1 et une prise étanche 8 étant surmoulée dans l'enveloppe de même que cette prise étanche . Un câble relie cette prise 8 à un préamplificateur 10 par l'intermédiaire d'une seconde prise étanche 80. la sustentation de l'ensemble formé par l'hydrophone et son préamplificateur 10 est assurée par le moyen d'éléments métalliques 13 et 14 disposés de manière à ne pas perturber le fonctionnement. La longueur L de l'ensemble constitué par l'élément sensible 1, son pavillon 2 et sa contre masse 3, ainsi que le choix du diamètre D de la sphère à milieu fluide 62, fixent la valeur de l'indice de réfraction n du fluide devant être introduit dans l'enveloppe 60 de manière à ce que le foyer F de la lentille soit situé sensiblement sur le pavillon 2, On sait en effet que 0F = D/2 - L = D/2 (1 ), ce qui n - 1 entrain n = 2 1 ~ n 1 choisissant L = Xmax , c'est-à-dire I; on doit 4 D 16 donc utiliser un fluide d'indice n = 15/7 = 2,14, ce qui est obtenu par exemple au moyen d'un mélange de fluorocarbones. Une poche d'expansion 12 communiquant avec -interleur t?e la lentille 62 par un orifice il percé dans l'enveloppe 6G permet de maintenir la pression à l'intériur de la lentille égale à la pression hydrostatiaue à l'extérieur selon la technique classique. On a ainsi décrit un hydrophone qui a pour propriété interes- sante, de conserver quelle que soit sa profondeur d'immersion, une sensibilité identique, cette dernière étant voisine de la sensibilité théorique relative à un découplage parfait, compte non tenu du gain propre de la lentille. La description qui précède a éte donnée à titre d'exemple non limitatif et il est entendu que toute variante de réalisation conforme aux caractéristiques exposées est incluse dans l'inven- tion. REVENDICATIONS t Dispositif transducteur électromécanique, notamment un hydrophose a i sposé dans un d8me acoustiquement transparent rempli de fluide et à pression équilibrée caractérisé en ce que l'ensemble du dispositif réalise une combinaison d'éléments coopérant au découplage sélectif du champ acoustique indépendamment de la fréquence et comporte un dispositif de focalisation produisant un champ acoustique anisotrope dans lequel est placé l'élément sensible de l'hydrophone, et en ce que la direction de plus grande sensibilité dudit élément sensible est disposée parallèlement à celle de plus grande anisotropie dudit champ acoustique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de focalisation de l'énergie acoustique est constitué par une lentille acoustique sphérique (62) à au moins une couche de milieu fluide ayant un indice de réfraction de valeur choisie, au foyer (F) de laquelle est placée la face parlante (2) de l'élément sensible (1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la direction de la plus grande sensibilité de l'élément sensible (1) est confondue avec un diamètre (D) passant par ledit foyer (F) de ladite lentille (62). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la lentille acoustique est formée par le milieu fluide (62) contenu dans le d8me (6) dudit hydrophone, ce fluide possedant un indice variable de réfraction dont les valeurs distinctes sont réparties suivant une loi donnée. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 7 et 4 caractérisé en ce que le diamètre (D) de la lentille est au moins égal à quatre fois la longueur d'onde du signal acoustique dans l'eau, en ce que le foyer (F) de ladite lentille est situé à l'intérieur, et en ce que la longueur (L) du transducteur est supérieure ou au moins égale au quart de la longueur d'onde maximum dans la lentille. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la face arrière du transducteur est solidaire de l'enveloppe de la lentille et en ce que l'indice n au foyer de ladite lentille est choisi égal à en appelant L la longueur du transducteur et D le diamètre de la lentille.