Brevet FR2077577A1 — publié le 19711029

La présente invention concerne un transducteur 6Sotro-acoustique à diagramme de rayonnement acoustique prédé terminé de manière approchée dans un certain intervalle ou domaine angulaire, en particulier dont le rayonnement est aussi homogène que possible dans cet intervalle angulaire et aussi faible que possible à l'extérieur dudit intervalle. Ledit transducteur est du type qui comprend un certain nombre d'éléments transducteurs identiques à surfaces vibrantes parallèles, alignés suivant un assemblage linéaire. Il est bien connu d'exciter chacun des éléments de cette rangée par une même intensité de signal et en phase, pour obtenir un rayonnement acoustique dirigé sélectivement et perpendiculaire à l'assemblage d'éléments. De plus, il est également connu de décaler la direction principale de ce rayonnement en introduisant des déphasages relatifs entre les signaux d'excitation des éléments transducteurs respectifs. Le principal objet de l'invention consiste cependant à réaliser des moyens transducteurs du type ci-dessus à rayonnement prédéterminé de manière approchée, en particulier distribué uniformément, dans un intervalle angulaire beaucoup plus étendu que celui que l'on peut obtenir par les moyens classiques ci-dessus, tous les éléments transducteurs mis en jeu étant excités en phase selon une polarité ou la polarité opposée. Ainsi donc, la présente invention concerne un transducter électro-acoustique à diagramme de rayonnement acoustique Prédéterminé de manière approchée, en particulier uniforme, dans un intervalle angulaire prédéterminé, et comprenant un assemblage d'éléments transducteurs, de préférence identiques, à surfaces vibrantes parallèles, excités en phase suivant une polarité ou la polarité opposée, ledit transducteur étant, selon l'invention, caractérisé en ce que chacun des éléments est relié à l'un des réseaux d'un groupe de réseaux électriques conçus de façon à produire des signaux d'excitation qui varient suivant l'assemblage d'éléments selon la fonction F(l) = A(l).cos(kl + c), (1) oùl désigne la distance de l'élément en question au centre de l'assemblage, et k et c sont des constantes (k étant différent de zéro) que l'on ajuste, au moyen de composants réglables des réseaux, à des valeurs telles que la fonction F(l) présente au moins une valeur maximale et une valeur minimale -entre les éléments extrtmes respectifs de l'assemblage, et que le rapport de l'intensité de rayonnement dans la direction de l'axe central dudit intervalle angulaire à l'intensité de rayonnement dans les directions des lignes rnarginales de cet intervalle ait une valeur prédéterminée, A(l) étant une fonction diminuante prenant sa valeur maximale au centre ou au voisinage du centre de l'assemblage d'éléments et prenant, en dehors dudit centre, tout le long de l'assemblage des valeurs supérieures à celles de fonctions linéaires représentées par des droites passant par la valeur maximale de la fonction diminuante au centre de l'assemblage et la valeur nulle aux éléments extrêmes de l'assemblage. Le facteur cosinus est la partie la plus importante de la fonction F(l) ci-dessus et détermine amplement le diagramme de rayonnement requis dans l'intervalle angulaire spécifié. Le seul rôle du facteur supplémentaire A(l) est de réduire la dimension des lobes latéraux des faisceaux de rayonnement individuels qui constituent, en combinaison, comme on ltexpliquera plus loin, le diagramme de rayonnement désiré. On désire, en général, un rayonnement à distribution approximativement uniforme dans l'intervalle angulaire considéré, et lion y parvient, selon l'invention, en ajustant les constantes k et c à des valeurs telles que l?on obtienne des intensités de rayonnement égales, respectivement dans la direction de l'axe central et dans les directions des lignes marginales de l'intervalle angulaire, en satisfaisant à l'équa- tion suivante dans laquelle ls est la distance d'un élément transducteur arbitraire au centre de l'assemblage et n le nombre de ces éléments. Dans le cas présent, cependant, on annule c en général. Il est très avantageux d'obtenir ce rayonnement approximativement uniforme dans un intervalle angulaire important, pour effectuer des mesures quantitatives sur les échos, car un objet réfléchissant produira, avec cette disposition, approximativement le même niveau de signal d'écho, indépendamment de son emplacement dans ledit intervalle angulaire. L'invention sera maintenant expliquée avec davantage de détails, en se référant au dessin annexé sur lequel la figure i représente un diagramme de rayonnement acoustique d'un seul élément transducteur classique. La figure 2 représente le rayonnement résultant obtenu à partir d'un assemblage linéaire d'éléments du type indiqué sur la figure 1, lesdits éléments vibrant avec la même amplitude et en phase. La figure 3 représente un diagramme de rayonnement acoustique de l'assemblage de la figure 2, lorsque les signaux d'excitation respectifs sont déphasés d'un élément à l'autre le long de ladite rangée. La figure 4 représente un diagramme de rayonnement d'un transducteur selon l'invention, les composants individuels du rayonnement du diagramme étant indiqués en tirets. La figure 5 représente schématiquement un transducteur selon l'invention, comprenant un assemblage linéaire de sept éléments, excités en phase et selon une fonction cosinus symétrique de la distance au centre de l'assemblage. La figure 6 représente un diagramme de rayonnement constitué par un plus grand nombre de composants de rayonnement individuels, provenant d'un assemblage d'éléments excités par plusieurs fonctions d'excitation superposées selon l'invention. La figure 7 représente un élément du transducteur selon l'invention, fonctionnant pour fournir un diagramme de rayonnement tel que celui représenté sur la figure 6, ledit élément étant excité simultanément par plusieurs réseaux. La figure 8 représente une fonction diminuante ou d'atténuation qui s'est avérée appropriée dans de nombreuses applications pratiques, en même temps que les lignes marginales de l'intervalle spécifié de ladite fonction. La figure 9 représente un composant de rayonnement individuel d'un assemblage d'éléments, lorsqu'on applique une fonction d'atténuation constante (A(l) = 1). La figure 10 représente le mzeme composant de rayonnement lorsqu'on applique la fonction d'atténuation conforme à la figure 8. La figure il représente une fonction d'excitation complète, comprenant à la fois le facteur d'atténuation et le facteur cosinus. La figure 1 représente un diagramme de rayonnement ordinaire Dr d'un seul élément transducteur classique dont les surfaces vibrantes ont des dimensions nettement inférieures à la longueur d'onde du rayonnement dans le plan du diagramme de rayonnement. Si l'on aligne un certain nombre d'éléments de ce type suivant un assemblage linéaire, les surfaces vibrantes étant parallèles et les éléments étant excités en phase et avec la même amplitude, on obtient un diagramme de rayonnement résultant Drî tel que celui que représente la figure 2 pour le rayonnement combiné à partir desdits éléments.Ainsi, dans ce cas, on obtient un raisceau beaucoup plus étroit que celui qui-est rayonné à partir dudit élément séparé tout seul, car les rayonnements respectifs provenant des éléments individuels coopèrent et s'ajoutent directement entre eux dans la direction perpendiculaire à la rangée d'éléments, tandis que lesdits rayonnements individuels sont plus ou moins déphasés dans d'autres directions, sauf les directions prineipales des petits lobes latéraux L1 qui sont également représentés sur la figure 2. Dans les moyens transducteurs selon l'invention aussi, les éléments transducteurs de 11 assemblage sont excités en phase mais, dans ce cas, la fonction d'excitation varie, le long de la rangée, selon-une fonction que lton peut en général expliciter par l'équation F(l) = A(l). cos (kl + c), (1) où 1 désigne la distance de l'élément en question au centre de l'assemblage, k est une constante différente de zéro et c est une autre constante qu'on ajuste en général de façon à l'annuler. Pour expliquer l'effet de cette excitation, il peut Etre approprié, afin de- décomposer la fonction d'excitation A(l). cos kl, où l'on a annulé la constante c pour en simplifier l'expression > en deux fonctions à déphasag9mutuel- lement symétriques pour chaque élément du réseau 1 A(1) cos kl = -A(l) (ejkl + e-jkl) (3) 2 Pour la fonction 1 A(l). e jkl, cela implique une augmentation linéaire du retard2de phase, vers la gauche suivant l'assemblage d'éléments, tandis qu'il se produit le contraire pour la fonction 1A(l) e-jkl. L'amplitude d'excitation est, cependant, la même 2 pour chacune des fonctions composantes. La fonction composante mentionnée en dernier lieu produit alors un diagramme de rayonnement % 2 tel que le représente la figure 3, qui n' est en fait que le diagramme de la figure 2 décalé d'un angle e dans le sens dextrorsum, ledit angle e étant déterminé par la constante k, selon la formule # sin # = - # k, (4) 2 # où # est la longueur d'onde du rayonnement. Les lobes latéraux apparaetront aussi, bien entendu, dans le diagramme décalé, mais on les a omis de la figure 3 pour des raisons de simplicité. La composante XA(l)eJkl produit alors, bien entendu, un décalage angulaire dans le sens sinistrorsum du diagramme de rayonnement de la figure 2 et les deux-fonctions composantes coopèrent pour superposer les diagrammes décalés respectifs, de sorte que l'on peut obtenir, dans l'intervalle angulaire défini par les directions marginales e et -6 certaines distributions de rayonnement désirées en choisissant de façon appropriée les valeurs de la constante k et la longueur totale L du réseau d'éléments. On désire cependant, de préférence, un diagramme de rayonnement approximativement uniforme dans ledit domaine angulaire, et l'on y parvent, dans le cas présent et selon l'invention, en choisissant une valeur de k satisfaisant à l'équation où s désigne un élément arbitraire dans l'assemblage,- et où n est le nombre d'éléments transducteurs. Cette équation implique que l'intensité de rayonnement dans la direction de l'axe central de l'intervalle angulaire, qui est perpendiculaire à l'assemblage linéaire d'éléments, est rendue égale à l'intensité de rayonnement dans les directions e et - des lignes marginales dudit intervalle angulaire. Ce diagramme de rayonnement approximativement uniforme Dr3 est représenté sur la figure 4, les deux diagrammes composants qui se superposent pour produire ledit rayonnement uniforme étant représentés en tirets (lignes D'r) Ainsi, l'on peut obtenir ce diagramme de rayonnement avantageux, selon l'invention, au moyen d'un assemblage ordinaire classique d'éléments transducteurs à surfaces vibrantes paral lèles, rien qu'en excitant chaque élément suivant la même phase à partir d'un réseau associé d'un groupe de réseaux électriques, conçus pour produire des signaux d'excitation dont les amplitudes varient selon la fonction (1) spécifiée, le long de l'assemblage d'éléments.Cet agencement est représenté à titre d'exemple sur la figure 5 pour le cas simple où la fonction diminuante ou d'atténuation A(l) est rendue constante et égale à 1. Ainsi, la.ffgure 5 représente un diagramme AD de distribution d'amplitude en cosinus et sous celui-ci,.schématiquement, un transducteur à sept éléments S1 à S7 identiques alignés dans un assemblage, les éléments étant excités à partir d'un même générateur d'excitation G par des transformateurs respectifs Ti. à T7 associés, dont les enroulements primaires sont identiquesss mais dont les rapports de transformacion varient selon ladite distribution d'amplitude AD. tes avantages de cet agencement seront évidents, du fait qu'ils permettent d'exciter tous les éléments transducteurs Si à 57 à partir de la même source, et d'obtenir la distribution d'amplitude désirée au moyen de composants de réseaux simples, tels que des transformateurs ou des diviseurs de tension ou, en liaison avec des transducteurs à magnétostriction, simplement au moyen de nombres de spires différents dans les enroulements d'exeiration desdits transducteurs Ainsi, les réseaux de déphasage qui sont souvent d'une conception complexe, et assez sensibles à la fréquence et à la température, sont complètement évités. Si l'on doit étendre le domaine angulaire. du rayonnement approximativement uniforme, an peut superposer plusieurs fonctions d'excitation du type cosinus et à valeurs des constantes k-et c différentes, et éventuellement les combiner avec une. fonction d'atténuation commune A(l), chacune desdites fonctions cosinus alimentant les éléments transducteurs au moyen d'un groupe de réseaux associé séparé. On peut ainsi obtenir un diagramme de rayonnement Dr4 tel que celui qui est représenté sur la figure 6. Ce diagramme est formé par la combinaison -de sept diagrammes de rayonnement D'r4 qui coopèrent, et sont représentés en tirets. Des paires de diagrammes composants symétriques proviennent de la même fonction cosinus, tandis que le lobe central correspond au diagramme représenté sur la figure 2 et est produit par l'excitation des éléments avec la même amplitude selon la technique classique. Ainsi, chacun des éléments S est, dans ce cas, alimenté par un certain nombre de signaux d1excitation de phase égale, suivant une polarité ou l'autre, chacun à partir d'un réseau séparé V1 à V3 associé, comme le montre la figure 7. On peut cependant, en pratique, combiner ces réseaux pour former un seul bloc, par exemple en combinant les enroulements de transformateur et d'excitation individuels de plusieurs réseaux composants pour former un seul enroulement intégré. On peut, en général, au moyen d'un tel réseau d'éléments excités de la façon spécifiée par des fonctions cosinus non atténuées, obtenir la distribution de rayonnement désirée dans un intervalle angulaire désiré. Dans certains cas, cependant, les lobes latéraux des composants du rayonnement qui forment, en combinaison, le diagramme de rayonnement résultant, peuvent provoquer une forte distorsion dudit diagramme dans le domaine angulaire spécifié et un rayonnement faucheux à l'extérieur dudit domaine. Pour éliminer ces inconvénients, on superpose une fonction d'atténuation appropriée A(l) à la fonction cosinus spécifiée, ce qui implique que les éléments qui se trouvent des deux côtés du centre de l'assemblage seront excités à un niveau inférieur, rapporté à la valeur centrale, à celui qui est indiqué par ladite fonction cosinus seule. La figure 8 représente une fonction d'atténuation appropriée A(l) selon l'invention, pour assemblage linéaire de dix éléments 1 à 10, représentés schématiquement sur la figure le long d'une droite horizontale. Cette fonction A(l), qui s'est avérée être efficace en pratique, est présentée sous forme d'un graphique comprenant un certain nombre de segments de droite, seule la valeur de ladite fonction au centre de chaque élément respectif étant évidemment importante Chacune de ces valeurs, multipliée par la valeur correspondante de la fonction cosinus intéressée, indique le niveau d'excitation relatif sur l'élément transducteur en question. Comme le montre la figure 8, l'ensemble du graphique représentant la fonction A(l) se trouve au-dessus de deux lignes en tirets T qui se coupent sur l'axe central M de l'assemblage d'éléments.Ces lignes T constituent les lignes marginales inférieures du présent domaine spécifié, selon l'invention, comme étant approprié pour combiner la fonction d'atténuation A(l) avec la fonction cosinus adéquate. La limite supérieure dudit domaine est indiquée par une ligne en traits interrompus L sur la figure 8, qui correspond au cas A(l) = i, où des fonctions cosinus non atténuées seules constituent la fonction d'excitation F(l) dudit réseau d'éléments. L'effet fonctionnel de ladite fonction d'atténuation sur la figure 8 ressortira d'une comparaison des diagrammes de rayonnement des figures 9 et 10, respectivement. La figure 9 représente le.diagramme d'une composante de rayonnement qui, selon les figures 4 à 6, peut se combiner avec des composantes analogues, au moyen d'une excitation en cosinus appropriée, pour constituer un rayonnement approximativement uniforme dans un domaine angulaire prédéterminé important. Comme le montre la figure 9, cependant, ce diagramme de rayonnement est surchargé par des lobes latéraux assez importants qui provoquent, dans une mesure importante, des écarts par rapport au rayonnement uniforme désiré lorsqu'on combine lesdites composantes de rayonnement et, à part cela, produisent un rayonnement important, même à l'extérieur du domaine angulaire spécifié. Le diagramme de la figure 10 présente, cependant, la composante de rayonnement correspondante dans le cas ou la présente excitation en cosinus résultante et, en même temps, chaque fonction composante conforme à l'équation 3, est combinée avec la fonction d'atténuation A(l) de la figure 8. il ressort de la figure 10 que les lobes latéraux ont été, dans ce cas, considérablement réduits (1w dB) par rapport aux lobes latéraux de la figure 9, et ainsi ne déformeront guère le rayonnement à distribution uniforme désiré obtenu par ladite combinaison de plusieurs composantes de rayonnement selon l'invention. Par conséquent, ces lobes latéraux produiront également beaucoup moins de rayonnement fâcheux, à l'extérieur du domaine angulaire spécifié, que les lobes latéraux de la figure 9. Enfin, la figure 11 représente, à titre d'exemple pratique, un graphique représentant une fonction d'excitation Fc composite appropriée F(l) = A(l) y cos (kl + c) selon l'invention. Dans ce cas, on combine quatre composantes de rayonnement en utilisant une fonction d'excitation F(l) comprenant une fonction d'atténuation A(l) superposée à une somme de deux fonctions cosinus, pour exciter un assemblage de seize éléments, les niveaux d'excitation relatifs des différents éléments transducteurs étant indiqués par de petits cercles sur le graphique. REVENDICATIONS 1.- Transducteur électro-acoustique à diagramme de rayonnement acoustique prédéterminé de manière approchée, en particulier uniforme, dans un intervalle angulaire prédéterminé, et comprenant un assemblage. d'éléments transducteurs, de préférence identiques, à surfaces vibrantes parallèles, excités en phase suivant une polarité ou la polarité opposée, ledit transducteur étant caractérisé en ce que chacun des éléments est relié à l'un des réseaux d'un groupe de réseaux électriques conçus de façon à produire des signaux d'excitation qui varient le long de l'assemblage d'éléments selon la fonction F = A(l).cos(kl +c) (i) où 1 désigne la distance de l'élément en question au centre de l'assemblage, et k et c des constantes (k étant différent de zéro 3 que l'on ajuste > au moyen de composants réglables des réseaux, à des valeurs telles que la fonction F(l) présente au moins une valeur maximale et une valeur minimale entre les éléments extrêmes respectifs de l'assemblage, et que le rapport de l'intensité de rayonnement dans la direction de l'axe central dudit intervalle angulaire à l'intensité de rayonnement dans les directions des lignes marginales de cet invervalle ait une valeur préddterminéeo A(l) étant une fonction diminuante prenant sa valeur maximale au centre ou au voisinage du centre de l'assem- blage d'éléments et prenants en dehors dudit centre, tout le long de l'assemblage, des valeurs supérieures à celles des fonctions linéaires représentées par des droites passant par la valeur maximale de la fonction diminuante au centre de l'assemblage et la valeur nulle aux éléments extr8mes de l'assemblage. 2,- Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction diminuante A(l) est rendue constante et égale à 1. 3. - Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on ajuste les constantes k et c de façon à obtenir des intensités de rayonnement égales, respectivement dans la direction dudit axe central et dans les directions desdites lignes marginales de l'intervalle angulaire, en satisfaisant à l'équation suivante où 15 est la distance d'un élément transducteur arbitraire au centre de l'assemblage et n le nombre desdits éléments. 4.- Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on annule la constante c. 5.- Transducteur selon 1 une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que chaque réseau électrique dudit groupe comprend un transformateur, le rapport de transformation desdits transformateurs variant, le long de l'assemblage d'éléments, selon ladite fonction F(l). 6.- Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé n' ce que chaque réseau électrique comprend l'enroulément d'excitatión de l'élément transducteur associé, le nombre d'enroulements desdits éléments variant le long de l'assemblage selon ladite fonction F(l). 7.- Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments transducteurs de l'assemblage sont excités simultanément par plusieurs fonctions F(l) superposées, chacune présentant des valeurs de k, et éventuellement de c, différentes pour établir ledit diagramme de rayonnement acoustique prédéterminé de manière approchée dans des intervåiles angulaires associés prédéterminés.