Brevet FR2116563A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne un transducteur acoustique utilisant comme élément oscillant un film piézo-électrique de fluorure de polyvinylidène. Un type connu de haut-parleur électrostatique à plage de 5 reproduction étendue utilise un élément oscillant à excitation simple ou symétrique qui comprend un film plastique dont les faces sont revêtues d'une pellicule métallique ou de carbone déposée par évaporation sous vide. Ce type d'élément oscillant doit être soumis à une polarisation continue beaucoup plus élevée que la tension du 10 signal alternatif à reproduire., faute de quoi il est inutilisable dans un haut-parleur. Cette polarisation à haute tension nécessite une source de courant continu et un amplificateur ce qui complique beaucoup la réalisation du circuit. En résumé, bien qu'un tel élément oscillant ait divers avantages, son emploi dans les haut-15 parleurs électrostatiques est limité. On sait que certaines matières piézo-électriques constituent un transducteur acoustique de type électrostatique qui ne nécessite aucune polarisation continue, mais la conversion directe d'une énergie électrique en une énergie mécanique nécessite des dispo-20 sitions particulières dépendant des propriétés de la matière piézoélectrique et des caractéristiques de l'application envisagée. Un type connu de transducteur acoustique utilisant un film de polymère piézo-électrique nécessite une disposition très particulière de l'élément oscillant. On découpe un quadrilatère 25 dans le film piézoélectrique et on l'incurve le long de l'une de ses diagonales, les c'àtés opposés du quadrilatère étant parallèles à la direction d'orientation moléculaire, puis on fixe rigidement les extrémités de la diagonale et on maintient au moyen d'une matière élastique la périphérie du quadrilatère sauf au voisinage 30 des extrémités de la diagonale ou uniquement aux extrémités de la seconde diagonale. On dispose enfin des électrodes sur les faces opposées du film. D'après les caractéristiques piézo-électriques nécessaires pour un tel transducteur acoustique, on pense que le film piézo-35 électrique peut Être un polymère biologique à poids moléculaire élevé tel qu'un polypeptide, par exemple du glutamate de polyméthyle, du collagène, etc. Toutes ces matières ont cependant l'inconvénient 71 43730 2 2116563 de n'avoir qu'une piézo-électricité faible, de nécessiter un montage très particulier pour être utilisable comme transducteur électro-acoustique et de nb/air pas une étendue de reproduction suffisante. La réalisation pratique de tels transducteurs est en 5 outre assez complexe. La présente invention a donc pour objet un transducteur son-électricité et électricité-son qui se caractérise par des propriétés acoustiques excellentes et par une réalisation très simple. L'invention consiste à utiliser comme élémant vibrant ou 10 oscillant un électret formé d'un film de fluorure de polyvinylidêne. Le transducteur électroacoustique de l'invention ne nécessite aucune polarisation continue, fournit une pression sonore suffisante et a des caractéristiques acoustiques excellentes lorsqu'on utilise un film piézo-électrique de fluorure de polyvinylidêne. 15 Dans le cadre de la présente invention, le fluorure de polyvinylidêne désigne également les copolymères de fluorure de vinylidène et d'au moins un autre monomère. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un transducteur acoustique comprend un électret formé d'un film 20 de fluorure de polyvinylidêne dont la périphérie est entièrement fixée à un support rigide, des électrodes de forme définie étant disposées sur les faces opposées du film et formant les bornes du circuit de conversion son-courant. Le film piézo-électrique est un électret de fluorure de 25 polyvinylidêne dont la constante piézo-électrique est élevée. Pour fabriquer un tel électret, on soumet un film de fluorure de polyvinylidêne chauffé à une température donnée à un champ électrique continu orienté perpendiculairement à son plan, puis on refroidit le film è la température ambiante en maintenant le champ 30 électrique continu. Par exemple, un électret préparé è 1502 c sous un champ électrique continu de 300 kV/cm, à partir d'un film obtenu par compression d'une poudre de fluorure de polyvinylidêne, g possède une constante piézo-électrique de 3 x 10" unité électrostatique CGS. Un tel film non orienté, ne présentant aucune 35 anisotropie, fournit un électret utilisable dans le cadre de la présente invention. 71 43730 2116563 3 Par ailleurs, on peut obtenir des électrets ayant des propriétés piézo-électriques excellentes à partir de copolymères de fluorure de vinylidène. Par exemple, un électret préparé à 1352 C sous un champ électrique continu de 230 kV/cm à partir 5 d'un film obtenu par compression de poudre d'un copolymère de fluorure de vinylidène et de tétrafluoréthylène (80/20) a une constante piézo-électrique de 4 x 10 unité électrostatique CGS. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressartiront de la description détaillée qui suit et des dessins 10 sur lesquels : La figure 1 représite schématiquement l'effet piézo-électrique qui apparaît dans un électret formé d'un film non orienté de fluorure de polyvinylidêne. La figure 2 est une représentation de principe d'un trans-15 ducteur électro-acoustique utilisant l'effet piézo-électrique de la figure 1, les lignes en pointillés représentant la déformation mécanique du film. La figure 3 est une coupe d'un éecouteur dont l'élérrent oscillant est un électret formé à'partir d'un film de fluorure 20 de polyvinylidêne. La figure 4 est une représentation schématique d'un appareillage de mesure des caractéristiques de 1' écouteur de la figure 3. La figure 1 illustre schématiquement l'ef-fefc pëzo-électrique 25 dans un électret formé è partir d'un film de fluorure de polyvinylidêne non orienté. Lorsq ue 1'électret est déformé selon un axe perpendiculaire à son épaisseur, il apparaît un courant électrique parallèle à l'épaisseur et il n'existe aucune aniso-tropie dans le plan du film. De plus, comme le montre la figure 1, 30 si un courant alternatif est appliqué dans le sens de l'épaisseur du film, il se déforme périodiquement dans le sens des flèches. Ainsi, un électret maintenu rigidement aux deux bouts avec une courbure convenable et qui est soumis à un champ électrique alternatif perpendiculaire se déforme de la manière décrite 35 ci-dessus et vibre de part et d'autre d'une position de repos, comme illustré figure 2, pour constituer un traradacteur électroacoustique . 71 43730 4 2116563 Inversement, si le film est soumis à une onde sonore orientée cfens le sens de la flèche de la figure 2, un courant alternatif paéza-électrique apparaît aux bornes et le système constitue un transducteur son-électricité. 5 Le transducteur électro-acoustique de l'invention utilise donc un électret formé d'un film de fluorure de polyvinylidêne comme élément vibrant ou oscillant dont la périphérie est entièrement fixée à un support rigide, de sorte que sa structure est relativement simple. 10 Dans les transducteurs électro-acoustiques classiques dont l'élément vibrant ou oscillant est un film de polypeptide ou autre polymère biologique, on utilise généralement un film de glutamate de polyméthyle comme élément vibrant. Dans urj tel film, l'effet piézo-électrique apparaît sous la forme d'un cisaillement dans un 15 plan perpendiculaire à l'orientation du champ électrique alternatif et le rendement de conversion est le meilleur pour un angle de 45® entre la direction d'orientation moléculaire et l'axe, des contraintes. L'emploi d'une telle matière comme élément vibrant ou oscillant d'un transducteur acoustique nécessite donc un montage très parti-20 culier, comme on l'a vu précédemment. Il n'est donc pas passible d'engendrer les vibrations nécessaires du film lorsque sa périphérie est entièrement fixée à un support rigide. Par contre, l'électret de fluorure de polyvinylidêne et le transducteur acoustique de l'invention utilisant un tel électret 25 sont totalement différents des formes connues. Lorsqu'un champ électrique continu est appliqué à un électret formé à partir d'un film de fluorure de polyvinylidêne non orienté, les déformations sont isotropes dans son plan et les déplacements du film ne s'annulent pas sous l'effet d'élongationsinverses si sa 30 courbure est suffisante. Le transducteur électroacoustique de l'invention permet donc de fixer rigidement le film sur toute sa périphérie. De plus, dans un électret de fluorure de polyvinylidêne orienté la déformation est maximale le long de l'axe d'orientation, 35 mais il existe également une déformation perpendiculaire à cet axe, les phases des deux déformations étant les mêmes. Ainsi, lorsque l'électret est formé è partir d'un film de fluorure de polyvinylidêne 71 43730 5 2116563 dont les chaînes moléculaires sont orientées par étirage, la caractéristique piézo-électrique est anisotrope dans le plan du film, c'est-à-dire que sous l'effët d'un champ électrique alternatif perpendiculaire à son plan, le film subit une déformation 5 qui œfc principalement parallèle à l'orientation des chaînes. La constante piézo-électrique ou mesure de la polarisation des faces du film sous l'effet d'une contrainte parallèle à l'orientation des chaînes est donc très grande. A titre d'exemple, un éJ-ectret préparé à partir d'un film 10 de fluorure de polyvinylidêne étiré monoaxialement 2,3 fois à 252C et maintenu pendant une heure à 902C dans un champ électrique continu de 700 kV, puis refroidi à la température ambiante, possède une constante piézoélectrique de 10 unité électrostatique CGS, ce qui est très largement supérieur à la .constante d'un 15 électret obtenu à partir d'un film de fluorure de polyvinylidêne non orienté. De plus, même pour des conditions de température et de champ électrique largement inférieures, un électret préparé à partir d'un film de fluorure de polyvinylidèrte étiré possède une bonne 20 constante piézo-électrique. Par exemple, un tel électret préparé à 50aC et sous 300 kV/cm a une constante piézo-électrique de _7 3 x 10 unité électrostatique CGS. Lorsqu'un champ électrique alternatif est appliqué perpendiculairement à un électret préparé à partir d'un film de fluorure 25 de polyvinylidêne orienté, il se produit une déformation parallèle à l'axe d'orientation, mais également une déformation perpendiculaire de même phase. L'électret de fluorure de polyvinylidêne orienté constitue donc un excellent élément vibrant ou oscillant pour le transducteur 30 électro-acoustique précédemment mentionné, à condition de le disposer convenablement. Dans un transducteur basé sur les principes énoncés ci-dessus, la forme de l'électrode et de l'élément vibrant ou oscillant dépend des applications. Ainsi, dans un transducteur électro-acoustique 35 classique, les éléments vibrants ou oscillants sont généralçment des disques à cause de la complexité de leur structure, ou des ellipses dans les cas particuliers où l'on désire améliorer 71 43730 6 2116563 l'étendue de reproduction. Dans certains cas peu fréquents, les transducteurs acoustiques classiques peuvent utiliser des éléments vibrants ou oscillants de forme plus complexe, bien que la structure du dispositif soit relativement simple. 5 Au contraire, le transducteur électro-acoustique de l'invention peut utiliser n'importe quellœ formesd'élément vibrant ou oscillant, disque, ellipse, polygone, ainsi que toutes formes complexes. Par exemple, en employant un élément vibrant de forme convenable dans la caisse de résonance d'un instrument à cardes, on peut 10 améliorer les caractéristiques acoustiques du transducteur et réduire son épaisseur à 10 mm. On peut réaliser un transducteur omnidirectionnel en utilisant un élément vibrant ou oscillant cylindrique fixé à ses deux extrémités par des pièces en forme de disque, ou un élément vibrant ou 15 oscillant de forme sphérique fixé par dessous. Le transducteur électro-acoustique de l'invention peut éçpLament servir d'élérant sensible dans le microphone et dans l'écouteur d'un combiné téléphonique• On voit donc que l'invention permet de réaliser un transducteur 20 électro-acoustiquB réversible au moyen d'un électret de fluorure de polyvinylidêne rigidement fixé à ses extrémités. La structure d'un tel transducteur est relativement simple comparée à celle des microphones, des haut-parleurs, etc. de conception classique, ce qui permet de le fabriquer dans des conditions très économiques. 25 Les signaux alternatifs d'excitation du transducteur de l'invention peuvent être fournis soit directement parle circuit de plaque du tube de puissance d'un amplificeteur, soit par l'intermédiaire d'un transformateur de sortie. Les caractéristiques de l'invention sont les plus remarquables 30 dans le cas d'un électret formé à partir d'un film de fluorure de polyvinylidêne non orienté mais, même pour un film de fluorure de polyvinylidêne orienté les propriétés piézo-électriques sont fondamentalement les mêmes que dans le cas précédent et ne diffèrent que par leur orientation dans le plan du film. Ainsi, en étudiant 35 convenablement la construction du transducteur, on peut obtenir le même effet. 71 43730 7 2116563 L'invention va maintenant être illustrée par divers exemples pratiques. Exemple 1 A partir de poudre de fluorure de polyvinylidêne, on fabrique 5 une feuille de 0,1 mm d'épaisseur au moyen d'une filière en T et on métallisé les surfaces opposées par dépôt sous vide d'aluminium. Les couches d'aluminiim sont utilisées comme électrodes dans la formation de l'électret et également comme électrode de l'élément vibrant ou oscillant du transducteur. Cet élément a la forme d'un 10 disque de 10 cm de diamètre. • La feuille est maintenue à 1502 c pendant 30 minutes dans un champ électrique continu de 300 kV/cm, puis refroidie à la température ambiante, tout en maintenant le champ électrique pour constituer une feuille d'électret de fluorure de polyvinylidêne à 15 haute constante piézo-électrique. Cette feuile est ensuite utilisée pour la fabrication d'élément vibrant ou oscillant utilisable dans des écouteurs du type représenté figurB 3. Sur cette figure, l'élément vibrant ou oscillant 1 est un électret de fluorure de polyvinylidêne dont les faces opposées sont 20 recouvertes par dépôt sous vide d'électrodes d'aluminium 2 et 2'. En pratique, l'aluminium peut être remplacé par d'autres métaux bon conducteurs, tels que l'argent, l'or, etc. L'élément 1 peut être complètement fixé par des supports 3 et 3', ou peut être supporté élastiquement. Dans l'exemple considéré, 25 on utilise du caoutchouc "Hypalon". Le système vibrant 1, 2, 2', 3 et 3' est supporté par des bagues 4 et 4'. Des plaques de protection 5 et 5* sont disposées de part et d'autre de l'élément vibrant et sont percées de nombreux trous de 2 mm de diamètre. Les coaches conductrices 2 et 2' sont reliées à une source de signal alternatif. 30 Dans cet exemple, ces signaux sont délivrés par un transformateur de sortie (TANGO U-608) de la source alternative 6 pour l'adaptation des impédances. L'appareillage de la figure 4 est utilisé pour la mesure des caractéristiques du transducteur acoustique de l'invention. 35 Le principe de la mesure consiste à appliquer un signal d'entrée connu à l'écouteur de l'invention, au moyen d'un générateur de bruit blanc, et à détecter les vibrations produites au moyen 71 4373G 2116563 B d'un microphone capacitif dont on mesure la sortie. La sortie du microphone est également mesurée à titre comparatif pour différents types d'écouteurs du commerce. L'appareillage de la figure 4 comprend le générateur de bruit 5 blanc 7, un voltmètre alternatif 8 mesurant le signal d'entrée de 1'écouteur'10, et un voltmètre alternatif 9 mesurant le signal de sortie du microphone 12. L'écouteur 10 est fixé à l'extrémité d'un coupleur 11 (tube de chlorure de polyvinyle) d'un diamètre de 90 mm et de 25 cm de longueur, par l'intermédiaire d'une garniture d'étan-10 chéité à l'air» Le microphone capacitif 12 est du type Sony ECH-21 . La référence 13 représente un absorbeur acoustique qui peut être un feutre de fibres de verre. La distance séparant l'écouteur du microphone est de 15 cm. Pour un potentiel de 1 V appliqué à l'entrée de l'écouteur, le potentiel de sortie de l'écouteur est 15 de 2,5 millivolts. A titre comparatif, on a effectué les mêmes mesuresavec un écouteur PIONEER SE-20 et le potentiel de sortie obtenu fut de 7,5 millivolts. Ces résultats expérimentaux montrent les possibilités d'emploi 20 pratique de l'écouteur de l'invention. Exemple 2 A partir de poudre de fluorure de polyvinylidêne, on extrude une feuille de 0,2 mm d'épaisseur. La feuille passe ensuite sous un rouleau de chauffage local et est étirée à quatre fois sa longueur. 25 La température de la feuille au moment de l'étirage est de 110S C. Les faces opposées de la feuille reçoivent des couches circulaires d'aluminium de 10 cm de diamètre par évaporation sous vide. Après avoir été maintenue pendant 30 minutes à 902C dans un champ électrique continu de 400 kV/cm, la feuille est refroidie à la 30 température ambiante, toujours sous l'influence du champ pour former l'électret. Comme dans l'exemple 1, on découpe dans cette feuille des éléments vibrants ou oscillants pour un écouteur. Les mesures effectuées dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1 montieit que pour un potentiel d'entrée de 1 V, l'écouteur fournit un 35 potentiel de sortie de 3,1 millivolts. 71 43730 s 2116563 Exemple 3 On fabrique une feuille de 0,1 mm d'épaisseur par compression d'une poudre de copolymère de fluorure de vinylidène et de tétrafluoréthylène dans un rapport de 80 à 20 % préparé par 5 copolymérisation en suspension. Les faces opposées de la feuille reçoivent par métallisation sous vide des couches circulaires d'aluminium de 10 cm de diamètre et, après avoir été maintenue à 1352C pendant 30 minutes dans un champ électrique continu de 230 kV/cm, la feuille est refroidie à la température ambiante 10 pour former électret. Comme dans l'exemple 1, on découpe dans la feuille d'électret des éléments vibrants ou oscillants pour écouteur. On répète les mêmes mesures que dans les exemples précédents e4, pour un potentiel d'entrée de 1 V, le potentiel de sortie est de 4,0 millivolts. 1 5 Exemple 4 L'écouteur de l'exemple 1 étant un transducteur électroacoustique réversible, on l'utilise comme microphone et on mesure le courant de sortie de ses électrodes sous l'effet de vibrations sonores. L'adaptation de l'impédance de sortie est assurée par un 20 circuit à transistor à effet de champ. Branché sur la prise de microphone à feute impédance d'un magnétophone du commerce, le transducteur de l'invention permet un enregistrement de bonne qialité. 71 43730 10 2116563 Revendications 1. Transducteur électro-acoustique du type électrostatique caractérisé en ce qu'il comprend un électret préparé à partir d'un film de polymère de fluorure de vinylidène maintenu dans un 5 champ électrique continu de 100 kV/cm à 1.500 kV/cm à une température de 402 C à 1002 ies faCes opposées du film était recouvertes de couches conductrices, l'électret étant fixé sur toute sa périphérie de forme quelconque et les extrémités desdites couches conductrices formant un circuit de conversion acoustique- 10 électrique. 2. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le polymère de fluorure de vinylidène est le fluorure de polyvinylidêne au un copolymère de fluorure de vinylidène et de tétrafluoréthylène. 15 3. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le film de polymère de fluorure de vinylidène n'est pas orienté. 4. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le film de polymère de fluorure de vinylidène 20 est orienté. 5. Transducteur électro- acoustique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lss couches conductrices sont en aluminium.