Brevet FR2054558A1 — publié le 19710423

La présente invention est relative à un microphone à ultrasons comprenant un vibrateur piéso-électrique plat et un résonateur qui lui est rattaché,"constitué par un métal présentant un facteur de qualité Q élevé, et relié au vibrateur piézo-électri-5 que en son centre. L'invention a pour objet un microphone à ultrasons dont on peut régler les caractéristiques avec beaucoup de facilité et de précision. L'invention a également pour objet -un microphone à ultra-10 sons d'une réalisation simple et d'une sensibilité élevée et pouvant présenter des caractéristiques adaptées à différentes largeurs de bande. L'invention a encore pour objet un microphone à ultrasons présentant une grande largeur de bande et d'une fabrication 15 aisée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 20 Sur les dessins annexés : - La figure 1 est une coupe latérale d'une réalisation de base du microphone à ultrasons suivant l'invention. - La figure 2 est une vue éclatée en perspective du microphone de la figure 1. 25 - La figure 3 représente le circuit équivalent du micro phone des figures 1 et 2. - La figure 4 est un graphe représentant la caractéristique d'admittance dudit microphone. Les figures 5(a) à 5(c) sont des graphes représentant la 30 relation existant entre la taille du boîtier du microphone et sa sensibilité. La figure 6 illustre la relation entre la longueur de l'axe de liaison et la sensibilité. La figure 7 est une vue latérale représentant des organes 35 permettant de modifier la longueur de l'axe de liaison. La figure 8 représente la relation entre le diamètre du résonateur rattaché et la caractéristique d'admittance. La figure 9 représente la relation entre la forme du bad original 70 18965 2 2054558 résonateur rattaché et la caractéristique de sensibilité Xa,figure 10 est une vue latérale représentant - autre mode d'exécution de l'invention, le boîtier étant retiré. La figure 11 est un graphe illustrant la caract -tique 5 de sensibilité obtenue par le microphone de la figure 10. La figure 12 est une vue latérale représentant encore un autre mode de réalisation de l'invention, obtenu en simplifiant la disposition des figures 1 et 2. La figure 13 est une vue en perspective développée du 10 mode de réalisation de la figure 12. La figure 14 est un graphe représentant la relation entre le coefficient de couplage.du vibrateur piézo-électrique avec le résonateur rattaché et la caractéristique de sensibilité, dans le mode d'exécution de la figure 13. 15 La'figure 15 est une coupe latérale représentant un autre mode d'exécution de l'invention obtenu par simplification des modes d'exécution des figures 12 et 13. La figure 16 est line coupe latérale représentant une variante du mode d'exécution de la figure 1. 20 La figure 17 est un graphe représentant la caractéristi que de sensibilité obtenue par le mode d'exécution de la figure 16. La figure 18 est une coupe latérale représentant encore un autre mode*d'exécution de l'invention, le boîtier étant retiré, et 25 la figure 19 est une vue éclatée en perspective du mi crophone de la figure 18. En se référant aux figures 1 à 3, on voit une réalisation de base du microphone à ultrasons suivant l'invention, qui comprend une plaque terminale 1 comportant un renfoncement central 2 formé 30 dans sa surface supérieure et de dimensions désirées, et un grand nombre de saillies 3 formées autour du renfoncement central 2. Un vibrateur piézo-électrique 4 ayant la forme d'un disque est supporté sur la plaque terminale 1, dont le dessous est joint aux extrémités supérieures des saillies 3 de la plaque terminale 1 au .. 35 moyen d'un agent de liaison élastique. Le vibrateur piézo-électrique 4 présente une ouverture 6 formée en son centre, à travers laquelle passe un axe de liaison 5 lié à la paroi interne de l'ouverture. . Un résonateur rattaché 7 en forme d'entonnoir, constitué bad original 70 18%5 3 2054558 par tua métal tel que 1'aluminium ou un métal analogue, ayant un facteur de qualité Q élevé, est monté sur l'axe de liaison 5 au-dessus du vibrateur piézo-électrique 4. Une plaque de protection 8 est fixée au-dessous de la plaque terminale 1 au moyen de bornes' 9 5 traversant la plaque terminale 1 et la plaque de protection 8. Un boîtier 10 dont l'extrémité inférieure est ouverte loge l'ensemble, et l'extrémité inférieure ouverte dudit boîtier 10 est solidement ajustée sur la circonférence de la plaque terminale 1. le boîtier 10 présente une ouverture 11 formée à son extrémité supérieure et est 10 recouvert au-dessus de celle-ci par un écran protecteur 12. Toutes les pièces de l'ensemble sont coaxiales. Le vibrateur piézo-électrique 4 comprend une paire d'éléments vibrateurs en céramique, conformés en disques, réunis de façon à être en regard et polarisés dans des directions opposées 15 l'un par rapport à l'autre. Suivant ce mode de réalisation de base, comme on le décrira plus bas, on peut faire varier largement la caractéristique de sensibilité en faisant varier la taille du boîtier 10, la longueur de l'axe de liaison 5, la forme du résonateur 7, etc.. Il est 20 également possible d'ajuster la caractéristique d'admittance comme on le désire, en faisant varier la taille du résonateur 7» Les figures 5a, 5b, 5ç illustrent la relation entre la taille du boîtier 10 et la caractéristique de sensibilité du microphone à ultrasons dans sa forme de base. En modifiant la taille 25 du boîtier 10, on peut largement faire varier la caractéristique de sensibilité, comme le montrent les figures 5a et 5b. En écartant légèrement la fréquence de résonance du vibrateur piézo-électrique 4 de celle du boîtier 10, iL est possible de réaliser un microphone à ultrasons présentant une forte sensibilité sur une gamme étendue, 30 comme le montre la figure 5(c). La figure 6 illustre la relation entre la longueur de l'axe de liaison 5 et la sensibilité du microphone. En choisissant, pour la longueur 1 de l'axe-, de liaison, 5, des valeurs de 8,5 mm, 7,0 mm et 5,5 mm, on obtient des fréquences centrales fQ correspondantes ayant pour valeurs * 35 ce qui entraîne les variations correspondantes de la caractéristique de fréquence du microphone à ultrasons, comme on l'a représenté. On peut, dans ce cas, modifier la longueur 1 de l'axe de liaison en appliquant de la soudure ou d'autres agents de liaison bad original 70 18965 4 2054558 à l'extrémité supérieuire de l'axe de liaison 5, ce qui permet de simplifier lé réglage de la longueur 1 . la figure 8 représente la caractéristique d'admittance obtenue avec un diamètre variable de l'oscillateur additionnel 7. 5 Comme on le voit, si l'on fait varier le diamètre du résonateur 7 pour lui donner des longueurs de 20 mm, 10 mm et 5-6 mm, on modifie également la caractéristique, d'admittance comme on le voit sur les courbes respectives (a), (b) et (c). la figure 9 représente la caractéristique de sensibilité obtenue avec différentes formes du 10 résonateur 7, et l'on voit que la modification de forme dudit réso- / nateur provoque aussi une\variation importante de la caractéristique de sensibilité du microphone. La figure 10 illustre un autre mode d'exécution de l'invention, dans lequel plusieurs vibrateurs piézo-électriques 4, 4' 15 sont reliés mécaniquement entre eux au moyen d'un axe de liaison 5' conformé en tige traversant ces vibrateurs en leurs centres. Dans ce mode d'exécution, en faisant varier la fréquence centrale des vibrateurs piézo-électriques 4, 4' cornue le montre la figure 11, on peut obtenir une caractéristique de sensibilité pré-20 sentant deux sommets, comme le montre la courbe ç. La figure 12 est xme coupe latérale représentant une forme simplifiée du microphone représenté sur les figures 1 et 2. La figure 3 est une vue en perspective -développée du microphone représenté sur la figure 12. 25 En se référant aux figures 12 et 13, on.utilise un vibrai teur piézo-électrique 13 de type bimorphe comprenant une paire d'éléments de vibrateur en céramique conformés en disques, reliés de façon à être en regard. Le mode de vibration du vibrateur piézo-électrique 13 est tel que l'on obtient la vibration en utili-30 sant des harmoniques supérieurs (au mieux, le premier harmonique supérieur dans la vibration de flexion des éléments du vibrateur céramique). Un .résonateur rattaché 14 présentant une forme d'entonnoir, constitué par de l'aluminium ou un métal analogue présentant un facteur de qualité Q élevé, surplombe le vibrateur piézo-électri-35 que 13, son sommet étant relié au vibrateur piézo-électrique 13 sous-jacent en son centre par l'intermédiaire d'un élément de . connexion annulaire. 2.1 en matière isolante, par exemple par un agent de liaison. Des fils de raccordement de sortie 15 et 16 sont reliés copy 70 18965 5 2054558 aux électrodes opposées dans le vibrateur piézo-électrique 13, qui est fixement supporté sur une plaque terminale 17 au moyen d'un agent de liaison élastique. La référence 18 désigne une paire de bornes et la référence 19 un écran disposé en travers de l'ouver-5 ture supérieure d'un boîtier 20. Avec le microphone à ultrasons des figures 12 et 13, la caractéristique de sensibilité du vibrateur piézo-électrique 13 en soi, quant au niveau d'un signal d'onde ultrasonore, est relativement bas. On peut cependant améliorer considérablement ces carac-10 téristiques de sensibilité en reliant le résonateur 14. au vibrateur / piézo-électrique 13 et en modifiant sa masse, sa forme et certaines autres caractéristiques, ainsi que leur position relative et leur coefficient de couplage. La sensibilité obtenue avec des coefficients de couplage variables entre le vibrateur piézo-élec-15 trique 13 et le résonateur 14 est illustrée sur la figure 14, dans laquelle la courbe A représente la caractéristique"de sensibilité du vibrateur piézo-électrique 13 seul, et les courbes B, C et D représentent respectivement les caractéristiques de sensibilité correspondant à trois coefficients de couplage différents entre le 20 vibrateur piézo-électrique 13 et l'oscillateur 14, B pour le coefficient le moins élevé et D pour le plus élevé. Une forme simplifiée du microphone à ultrasons des figures 12 et 13 est représentée sur la figure 15, sur laquelle l'élément de connexion 21 des figures 12 et 13 est éliminé, tandis que le sommet d'un oscillateur 21 est 25 directement réuni au vibrateur piézo-électrique 13 en son centre. En se référant à la figure 16, on voit un microphone à ultrasons perfectionné par rapport au mode d'exécution de la figure 1. Cet autre mode d'exécution utilise un résonateur cylindrique entourant le vibrateur piézo-électrique. 30 Sur la figure 16, le microphone comprend une plaque ter minale 21, une paire de bornes 22 traversant la plaque terminale 21, des saillies de support de vibrateur 23 formées à la surface supérieure de la plaque terminale 21, un vibrateur céramique 24 reposant sûr les saillies 23, un axe de liaison 25 passant par le centre du 35 vibrateur 24 et fixé à celui-ci, un résonateur conformé en entonnoir 26 monté sur l'axe de liaison 25, un résonateur cylindrique 27 monté sur la plaque terminale 21 de façon à entourer le vibrateur céramique 24, et un boîtier 28 logeant l'ensemble. Avec le montage i copy 70 18965 6 2054558 de la figure 16, le résonateur cylindrique 27 a pour rôle de commander l'oscillation d'onde stationnaire dans le boî-tier et, comme le montre la figure 17, on peut passer de la caractéristique de la sensibilité a ne présentant qu'une seule pointe à la caractéristique 5 b à deux pointes de façon à obtenir une bande plus large. La figure 18 est une coupe latérale montrant un exemple de l'invention, dans lequel l'élément piézo-électrique est monté sur la plaque'terminale. La figure 19 montre cet exemple suivant une vue en perspective développée. 10 Le mode de réalisation des figures 18 et 19 comprend une plaque terminale 29 comportant un renfoncement formé dans sa surface supérieure, une plaque de support 31 conformée en disque montée au fond du renfoncement 30, une paire de bornes 32 faisant bloc avec la plaque de support 31 et descendant à travers des trous 33 15 formés dans la plaque terminale 29, une paire de languettes 34 que l'on forme en perforant la plaque de support 31 et diamétralement opposées*, un vibrateur piézo-électrique 35 supporté sur la plaque de support 31 au moyen des languettes 34, un axe de liaison 36 passant par le centre du vibrateur piézo-électrique 35 et fixé à 20 celui-ci, un résonateur conformé en entonnoir 37 monté fixement sur l'axe- de liaison 36, et une paire d'éléments desupport 38 montés au moyen de vis 39 à la surface supérieure de la plaque terminale 29 et dont les extrémités intérieures respectives doivent exercer une pression élastique sur la surface supérieure de l'oscil-25 lateur piézo-électrique. Chacun des éléments de support 38 est rotatif autour de la vis 39j de sorte que l'on peut monter de façon amovible le vibrateur céramique 35. Comme on l'a expliqué plus haut, on peut ajuster la caractéristique de sensibilité du microphone de l'invention en modifiant 30 la taille du boîtier, la longueur de l'axe de liaison, la forme du résonateur rattaché et le coefficient de couplage entre le vibrateur piézo-électrique et le résonateur rattache, tout comme en ajoutant le résonateur cylindrique. Ainsi, en - choisissant convenablement ces facteurs, on obtient un microphone présentant une ex-35 cellente caractéristique de sensibilité. En outre, selon l'invention, on peut réaliser le microphone à ultrasons en reliant simplement le résonateur conformé en entonnoir au vibrateur piézo-électrique, ce qui signifie une plus grande facilité et de plus grands avantages dans la fabrication. 70 18965 7 2054558 BÏVBHDIGÂTIOH8 1Microphone à ultra-sons caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur piézo-électrique, un résonateur attenantconformé eh entonnoir, constitué par un métal présentant un facteur de qualité Q élevé et relié audit vibrateur piézo-électrique en 5 son centre, et un boîtier pour loger ledit vibrateur piézo-électrique avec ledit résonateur. 2.- Microphone à ultra-sons suivant la revendication 1, dans lequel ledit vibrateur piézo-électrique comprend une paire d1éléments de vibrateur en céramique conformés en; disque présentant 10 un mode de vibration par déformation, tandis que le sommet dudit résonateur en entonnoir est relié au centre du vibrateur piézoélectrique. ' 3.- Microphone à ultra-sons caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur piézo-électrique traversé par une ouverture 15 formée en son centre, un axe de liaison inséré dans ladite ouverture et qui lui est fixé, un résonateur attenant conformé en entonnoir, constitué par un métal présentant un facteur de•qualité Q élevé et solidement fixé sur ledit axe de liaison, et un boîtier pour loger l'ensemble comprenant le vibrateur, l'axe de liaison et le résona-20 teur. 4.- Microphone à ultra-sons suivant la revendication 3, dans lequel on peut modifier la longueur de l'axe de liaison de façon à régler sa caractéristique de sensibilité. 5.- Microphone à ultra-sons suivant la revendication 4, 25 dans lequel l'axe de liaison comporte de la soudure ou un autre agent de liaison appliqué à l'une de ses extrémités, de façon à régler sa longueur. 6.- Microphone à ultra-sons caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur piézo-électrique et un résonateur atténant 30 en métal, directement relié au vibrateur piézo-électrique en son centre, le coefficient de couplage entre ces deux éléments étant réglable de façon que la ■ caractéristique de sensibilité du microphone soit réglable. 7.- Microphone à ultra-sons, caractérisé en ce qu'il 35 comprend un vibrateur piézo-électrique, un résonateur en métal bad original 70 18965 s 2054558 relié audit vibrateur piézo-électrique en son centre, un élément de connexion-annulaire interposé entre ces deux éléments de façon que le coefficient de couplage entre ceux-ci soit réglable. "8^- Microphone à ultra-sons caractérisé en ce qu'il com-5 prend un premier et un second vibrateurs piézo-électriques espacés l'un de l'autre d'une distance prédéterminée, disposés en regard l'un de l'autre et traversés chacun par une ouverture dans leur partie centrale, un axe de liaison traversant lesdites ouvertures des deux vibrateurs piézo-électriques et fixés dans ces ouvertures 10 pour relier mécaniquement les deux vibrateurs, un résonateur con- / formé en entonnoir, monté sur l'axe de liaison à l'une de ses extrémités, et, un boîtier pour loger cet ensemble. 9.- Microphone à ultrasons caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur piézoélectrique, un résonateur métallique attenant relié 15 au vibrateur- piézo-électrique en son centre, un boîtier pour loger ledit vibrateur et ledit résonateur, et un résonateur cylindrique disposé entre le vibrateur piézo-électrique et le bo'îtier. 10.- Microphone à ultrasons caractérisé en ce qu'il comprend une plaque terminale comportant un renfoncement formé dans sa surfa- . -20 ce supérieure, une plaque de support comportant plusieurs languettes formées dans sa partie centrale, cette plaque de support étant logée et fixée dans le renfoncement de la plaque terminale, un vibrateur piézoélectrique reposant sur ladite plaque de support, un résonateur attenant conformé en entonnoir"et relié au vibrateur 25 piézo-électrique en son centre, et des éléments de maintien montés sur la surface supérieure de la plaque terminale, de façon à exercer une pression élastique sur la surface supérieure du vibrateur piézo-électrique. 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