Brevet FR2096822A1 — publié le 19720303

Les transducteurs électroacoustiques du type piézoélectrique utilisent toujours le phénomène de résonance mécanique pour obtenir un rendement élevé. Ce circuit mécanique possède des propriétés inhérentes à tout système résonnant et notamment un coefficient de qualité Qm caractérisant la bande passante qui, dans le cas des transducteurs, est généralement égal ou supérieur à cinq. Certains sonars, par exemple à modulation de fréquence, nécessitent des transducteurs à très large bande passante. Par certains artifices, il est possible, sans trop détériorer les qualités des transducteurs d'obtenir des coefficients Qm de 11 ordre de trois.Les transducteurs possédant un coefficient Qm encore plus faible, souffrent généra lement d'un ou de plusieurs des défauts suivants f puissance très faible, poids et encombrement très importants, limitation du choix de la gamme de fréquence, etc... La présente invention se rapporte à un transducteur électroacoustique piézoélectrique du type "Tonpilz" dont les organes sont combinés de façon à remédier aux inconvénients qui viennent d'être cités, notamment en ce qui concerne la limitation de puissance et la limitation de l'élargissement de la bande passante. Rappelons que la structure du type "I'onpilz" consiste en la juxtaposition d'une partie métallique appelée encore pavillon et chargée de transmettre les vibrations au milieu, d'un empilement de plaques de céramiques piézoélectriques appelé encore moteur et d'une contremasse métallique.La présente invention consiste à choisir ces éléments de façon à ce que la fréquence propre f1 du pavillon et celle f0 de l'ensemble du transducteur soient de valeurs voisines, contrairement à ce que dictent les règles habituelles de l'art en effet, la vibration propre du pavillon qui provoque la flexion de sa face avant (phénomène généralement appelé "papillonnage") est habituellement considérée comme un défaut dont on cherche à s'affranchir ; ici, au contraire, on met à profit ce défaut en s'appuyant sur le fait que l'impédance caractéristique pc est influencée par les vibrations de flexion du pavillon. En effet, le volume d'eau déplacé par les points du pavillon soumis aux vibrations de flexion varie avec l'amplitude, le mode et la fréquence de ces dernières, de sorte que la charge acoustique réagissant sur le transducteur varie de façon générale avec la fréquence ; la valeur de cette charge passe précisément par un maximum à la fréquence propre de résonance du pavillon. On constate que les transducteurs réalisés suivant le principe de l'invention conservent toutes les propriétés des systèmes résonnants, notamment un rendement électroacoustique très élevé, une puissance rayonnée élevée, tels que le montrent les mesures du niveau d'émission ou réponse par volt De tels transducteurs, de par les lois de rééiprocité des phénomènes piézoélectriques, peuvent servir aussi bien à l'émission qutà la réception d'ondes sonores dans l'eau. La description qui suit et les dessins annexés d'un exemple particulier mais non exclusif de réalisation feront mieux comprendre l'invention. Cet exemple concerne un transducteur électroacoustique devant émettre une puissance élevée dans la gamme 8 à 16 kHz, tout en ayant un rendement électroacoustique de 80 %. Il est constitué par un pavillon de masse mt, un empilement actif de céramiques piézoélectriques et une contremasse arrière m2. La figure 1 est une coupe suivant 1' axe de symétrie de ce transducteur. Le pavillon 1, de masse m1 = 174 g, est en alliage léger de magnésium GA3Z1. Il est représenté sur la figure 2. Les céramiques 2 sont des disques de titanate de baryum pouvant supporter une tension efficace de 3 000 volts. La contremasse 3 de masse m2 = 500 g est en laiton à haute résistance. Ia tige 4 sert à maintenir le "moteur" en précontrainte pour éviter le décollement des céramiques. Les électrodes 5 sont en bronze phosphoreux de 5/100 d'épaisseur. L'ensemble est placé dans un bolier métallique 6 et rendu étanche par du néoprène vulcanisé 7. Les valeurs des masses ml et m2, de l'élasticité du moteur, la forme et les dimensions du pavillon telles qu'elles apparaissent sur la figure 2 et sa fréquence propre fl ont été calculées pour que la fréquence de résonance f0 dans l'eau du système mécanique soit voisine de 9 500 Hz et que la valeur de Rp, qui est la résistance parallèle du circuit équivalent représentant le transducteur pour une fréquence donnée, reste infé- rieure à 2 Rpg (Rpo étant la valeur à la résonance) sur une octave entre 8 et 16 kHz. La figure 3 représente les valeurs de Rp et Cp en fonction de la fréquence, mesurées sur un ensemble composé de quatre éléments identiques à ceux décrits ci-dessus, groupés en carré (fig. 4) et alimentés en parallèle. La figure 5 donne les valeurs de la réponse par volt Sv en fonction de la fréquence pour ce mEme ensemble. Enfin, le rendement électroacoustique Kennelly de cet ensemble est de 90 ?,3 et la puissance qu'il peut rayonner est de 2 500 Watts pour un encombrement total de 180 x 180 x 250 mm . En procédant par analogie électromécanique, on peut représenter un tel transducteur par le schéma électrique équivalent de la figure 6. La fréquence de résonance mécanique 0 de l'ensemble se calcule à partir des masses des différents éléments, de leur élasticité et est mesurée à partir de l'admittance du transducteur. La fréquence de résonance des vibrations de flexion du pavillon est mesurée au moyen de capteurs d'accélération. Les valeurs du coefficient de qualité Q et de la réponse à l'émission Sv peuvent se calculer par les formules habituelles du transducteur type "onpilz", obtenues à partir du circuit électrique équivalent (fig. 6), et dans lesquelles l'effet de vibration en flexion du pavillon intervient par l'introduction du coefficient a défini ci-anrès. On obtient, pour le coefficient Q, l'expression suivante : m1 xC n ml + m2 Q= a a m2 où 0 = 2 T f0 est la pulsation de résonance du transducteur, n le rendement acoustique-mécanique, p la masse volumique de l'eau, c la vitesse du son dans l'eau, S la surface de la face parlante, a un coefficient qui fait intervenir- la flexion de la face parlante. Ce coefficient a est égal à l'unité lorsque tous les points de cette dernière vibrent en phase avec la même anplitude, ce qui a lieu pour des valeurs de la fréquence très inférieures à la fréquence propre de vibration du pavillon f?. lais lorsque la valeur de la fréquence augmente, a croit et atteint une valeur maximale pour la fréquence (fut) définie précé gemment. En effet, à cette fréquence, la surface du pavillon se déforme sous l'influence des vibrations de flexion et, par suite, tous les points ne vibrent plus avec la mêne amplitude, ni en phase. lie volume balayé par la face radiante n'est donc plus égal, pendant l'unité de temps, au produit de l'aire de la face radiante par l'amplitude. Il faut donc faire intervenir à la place de la surface S, une valeur S. a que l'on peut désigner par le terme de surface équivalente ; les variations de a avec la fréquence ont l'allure d'une courbe de résonance c'est-à-dire qutelles présentent des variations abruptes de part et d'autre de la fréquence f1* On peut les déduire de la variation de l'amplitude en fonction de la fréquence qui se calcule dans des cas simples au moyen de la méthode de Ritz. On démontre que la valeur de la réponse à l'émission d'un tel transducteur est donnée par ltexpression : dans laquelle k1 est une constante qui dépend notamment du facteur de transformation électro-mécanique et du coefficient de couplage. f fo (f : fréquence) A = m1 + m2 m2 Si on représente les variations de Sv en fonction de la fréquence, on obtient un maximum ou deux selon que a passe par sa valeur maximale à une fréquence f1 plus ou moins proche de la fréquence f0. En plaçant f1 convenablement par rapport à fO, c'est-à-dire en fixant la fréquence propre du pavillon f1 en conséquence, on obtient deux maxima dans la bande de fréquences d 'utilisation. Ainsi, si par ailleurs ces maxima sont peu marqués, on obtient une large bande où Sv est constant à 3 dB près, cette zone englobant les deux maxima obtenus pour les fréquences f0 et f1 REVENDICATIONS 1 - Transducteur électroacoustique du type "Tonpilz" ctest-à-dire constitué par un alignement d'une masse vibrante appelée encore pavillon, d'un empilement de plaquettes de céramiques pièzoélectriques et d'une contremasse, destiné à émettre de fortes puissances acoustiques dans liteau sur une large bande de fréquence, caractérisé en ce que le pavillon présente une fréquence propre de vibrations de flexion fl se combinant avec la fréquence de résonance de Ensemble du transducteur f , de façon à o produire au total une courbe de réponse et par conséquent une bande passante améliorée par rapport au cas ou les vibrations de flexion du pavillon ne sont pas mises en jeu. 2 - Transducteur du type "Tonpilz" à bande passante augmentée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapprochement entre les fréquences fl et f est tel que la courbe de réponse presente deux o maxima entre lesquels le niveau varie de moins de trois décibels.