Brevet FR2123048A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne les dispositifs transducteurs d'ondes acoustiques, notamment ultra-sonores, plus particulière- ient destinés à etre incorporés dans des équipements de transmis- sion, balisage et sondage sous-marins par exemple. Les transducteurs se présentent usuellement, pour une telle e:ploitation, sous la forme d'éléments de cylindre creux en un matériau piezoélectrique tel qu'une céramique au titanate de ba ryui par exemple et à simple titre illustratif.Ils sont excités en vibration circulaire et, collpne connu, leur fréquence de résonance est, toutes choses égales d'ailleurs, essentiellement conditionnée par leur diamètre moyen, la longueur d'onde de vibration i la résonance étant égale, pour des épaisseurs de cylindre relativement faibles par rapport aux valeurs des diamètres externe et interne, à la circonférence du cercle de diamètre moyen entre ces diamètres extrSnes. Il serait toutefois désirable, pour divers cas d'exploitation pratique, soit te réduire le diamètre moyen tout en conservant la même fréquence de résonance soit au contraire d'abaisser la fréquence de résonance taLt en conservant le meme diamètre moyen du cylindre. Le but de l'invention est de prévoir, à de telles fins, une structure simple de transducteur qui se caractérise de façon gdnd- rale par la solidarisation à la paroi intérieure d'un cylindre creux en céramique piezoélectrique, d'une masse additionnelle de faible épaisseur radiale répartie de façon sensiblement uniforme autour de l'axe de révolution du cylindre, masse en un matériau de nasse spécifique élevée. Cette masse peut être établie sensiblement unitaire au point de vue mécanique, pouvant consister en un chemisage interne du cylindre, éventuellement fendu selon unegénératrice. le peut également entre établie fragmentée, par exemple sous la forme de barreaux appliqués sur la dite surface intérieure par exemple. Sour exposer l'invention en son détail, on se reporte aux figures jointes qui en montrent des exemples illustrati de sa mise en pratique, dont peuvent se déduire sans plus toutes variantes d'exécutioen technologique entrant dans le cadre de ltinsen- tions- Dans la Big.l, le cylindre creux 1 en matériau piesodlectri- que est pourvu, sur sa paroi intérieure, d'un chemisage 2 collé par exemple par une couche de résine polyomérisable 3 aur la dite paroi; Dans la Fig.2, le même cylindre est équipé sur sa paroi inté- rieure de barreaux 4, collés par exemple encore au moyen d'une r*- sine polymérisable 3; et, Dans la Fig.3, ces mimes barreaux 4 sont montrés appliqués contre la paroi intérieure du cylindre 1 par la pressiez d'une feuille ressort 5 forçant les barreaux 4 en contact intime avec la dite paroi 0 peut noter que, pour une fixation intime au corps du cylindre 1 de la nasse additionnelle, on peut utiliser à la fois une colle et un appui de forçage par ressort. on peut également, dans le cas d'un chemisage intérieur de la paroi, Fig.1, remplacer la couche de colle 3 par une pellicule laminaire d'un liquide visqueux tel par exemple qu'une bulle minérale ou une vaseline au silicone, la solidarisation entre le cylindre et le chemisage étant alors assurée par la force de capillarité exerçant au ni- veau de cette pellicule. De toutes façons, le critère de solidarisatica dans les réap libations de transducteurs selon la présente invention réside dans le fait que l'unité mécanique constituée par le cylindre et la masse additionnelle présente aux vibrations une vitesse de pro patati. des ondes acoustiques abaissée par interaction à l'4chel- le macronoléculaire entre les matériaux de ce cylindre et de cette masse.L'excitation électrique du cylindre piezoélectrique est classique en soi, par exemple un champ électrique est appliqué entre des métallisations intérieure et extérieure du cylindre céramique, formant électrodes k cette fino De façon générale, on peut rappeler que la vitesse de propagation d'ondes acoustiques, notamment ultra-sonores, dans un corps façonné pour une propagation en circuit fermé de cette vibration, est directement proportionnelle à la racine carrée du module d'élasticité de Young du matériau de ce corps et inversement proportionnelle à la racine carrée de la masse spécifique de ce matériau. Lorsque le corps ocaposite formé selon l'invention consiste corme indiqué sur la Sig.l en un cylindre piezo-électrique en un matériau céramique ayant, illustrativement, une vitesse de propagation circulaire de l1 ordre de 45u0 mètres à la secande, et en un chemisage intérieur intimement solidarisé à sa paroi intérieu- re, les deux composants de ce corps entrent tous deux en vibrations, les ondes acoustiques se propageant dans le corps céramique "traînant" en quelque sorte celles qui se propagent dams le chemisage.En un tel cas, les deux facteurs, module d'Young et masse spécifique entrent en Jeu pour assurer l'effet recherché par l'invention. Uh matériau particulièrement avantageux est alors un matériau lourd nais ayant un module d'Young relativement fad- ble, dono une vitesse de propagation nettement inférieure à celle du matériau céramique. Le plomb est alors particulièrement prévu pour constituer la dite masse additionnelle en ce qutil présente une vitesse de propagation des ondes acoustiques, notamment des ondes ultra-sonores, de l'ordre de 1230 mètres par seconde.Le fait que l'on ait montré sur la Sig.l une fente étroite, en vue de l'établissement de la connexion électrique de la métallisation de la paroi intérieure de la céramique à un circuit d'excitation, dans le chemisage 2 ne modifie pas sensiblement le caractère du phénomène physique concerné0 De plus, le fait de prévoir essentiellement le plomb, et ses alliages ai désiré, comme matériau constitutif du chemiaage de masse additionnelle assure de plus un autre avantage lors de la réalisation du corps composite. Le plomb et ses alliages sont des matériaux ductiles.Lorsqu'on prend une feuille de plomb roulée en un cylindre presque fermé et de diamètre extérieur presqu'égal au diamètre intérieur du cylindre céramique et qu'on l'enfile dans le cylindre céramique dont la paroi a été enduit e ie calle ou de pellicule visqueuse, comme dit, il est aisé d'assurer la coaptation entière du chemisage contre la paroi par un simple mandarin expansible, d'où la certitude d'une liaison intime entre les deux constituants du corps composite selon l'invention. Â titre illustratif, en considérant un élément cylindrique en titanate de baryum d'un poids de 345 graines, de diamètre in térieur de 90 a et d'un diamètre extérieur de 106 n, donc d'une épaisseur de 8 n, un tel élément a, noraalement et seul, une fréquence de résonance mesurée de l'ordre de 15.150 liZ. Après solidarisation audit cylindre d'un chemisage selon la Eig.l, donc d'une masse additionnelle établie selon la présente invention, le tableau suivant indique la variation de cette fréquence de réso nuance (abaissement de la fréquence de résonance, ÂFR) en fonction du rapport Bs des masses ( masse céramique + masse additionnelle/ masse céramique):- Rm s - 1,22 1,56 1,78 1,89 ArR: - S% 18,5% 22 24,5 E(ch): - 1 mm 2,5 mm 3,5 mm 4 mm , B(ch) indiquant l'épaisseur du chemisage de plomb. De tels rapports de nasse. peuvent évidemment entre également aisément obtenus par l'établissement de barreaux de plomb, Fig.2, au chemisage interne. in un tel cas, cependant, il n'y a pas de vibration circulaire dans le constituant du corps composite formé par ces barreaux, et le critère du choix du matériau des dits barreaux est alors essentiellement basé sur la considération des valeurs de la masse spécifique d'un tel matériau. Le plomb et ses alliages conviennent toujours et on peut y ajouter, illustrativement mais non limitativement, en tant qu'exemple de matériaux lourds convenant en un tel cas, le tungstène et ses alliages. qui maintiennent de faibles valeurs utiles pour les épaisseurs des chemisages et barreaux à solidariser au corps cylindrique piezoélectrique selon la présente invention, RIYENDICÂTIONS. 1. - Dispositif transducteur ondes acoustiques* notamment ultra-sonores, comportant un cylindre creux et continu en céramique piezo-électrique excitable en vibration circulaire, caractérisé en ce qu'à la paroi interne de ce cylindre est solidarisée une masse additionnelle de faible épaisseur radiale en un matériau de masse spécifique élevée et répartie de façon sensiblement continue et uniforme autour de l'axe de révolution dudit cylindre. 2, - Dispositif transducteur selon la revendication 1 carac- térisé en ce que cette masse additionnelle consiste en un chemisage appliqué contre la paroli intérieure du cylindre. 3. - Dispositif transducteur selon la revendication 28 caracpérisé en ce que ce chemisage pressente au moins une étroite fente radiale orientée selon une génératrice du cylindre. 44 - Dispositif transducteur selon la revendication 3, caraco térisée en ce qu'il existe une pluralité de fentes angulairement quidistantes. 5. - Dispositif transducteur selon la revendication 1, carac térisée en ce que la dite solidarisation est assurée principalement par une colle polymérisable entre la paroi interne du cylindre et la dite masse additionnelle. 6. - Dispositif transducteur selon la revendication 2, carac- térisée en ce que la solidarisation entre chemisage et cylindre .oet assurée par la force de capillarité deune mince pellicule visqueuse introduits entre ces deux éléments. 7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solidarisation entre le cylindre et la dite masse additionnelle est, au moins partiellement, assurée par un ressort en feuille sensiblement cylindrique forçant la dite masse contre la paroi interne du cylindre.