Brevet FR2201604A1 — publié le 19740426

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux antennes acoustiques. Elle concerne notamment une structure électroacoustique du type sandwich piézoélectrique de Langevin" à large bande passante de fréquences, c'est-à-dire pour laquelle le rapport des fréquences extrêmes de la bande à 3 dB est au moins égal à 3 , et à rendement électro-acoustique convenable, c'est-à-dire supérieur par exemple à 20%, la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de cette structure pouvant être de l'ordre de quelques centaines de kHz. Différentes techniques sont connues pour accroître la bande passante d'un transducteur électro-acoustique, comme par exemple la réduction de son coefficient de surtension par le moyen de différents artifices, en particulier le couplage dudit transducteur avec un résonateur. En faisant fonctionner un transducteur à une fréquence inférieure à sa fréquence de résonance, on peut également accrottre sa bande passante mais en réduisant toutefois corrélativement de manière importante son rendement électro-acoustique. Dans un article intitulé "Characteristics of stepped-frequency transducer elements" publié dans J.A.S.A. vol.20, n03, May 1948 pp. 297 à 304, son auteur F.P. BUNDY, décrit une structure d'antenne du type réseau linéaire multirésonant. Ce réseau se compose de groupes identiques de transducteurs magnétostrictifs régulièrement espacés, chaque groupe étant lui-même composé de plusieurs transducteurs élémentaires ayant tous des fréquences de résonance différentes. Il est bien entendu qu'une telle structure pourrait également être réalisée à partir de transducteurs piézoélectriques, ce qui permettrait d'accroître sa bande passante. L'inconvénient de ce type de structure est quelle nécessite un grand nombre de transducteurs élémentaires et que le volume de ces derniers doit être très faible pour les fréquences élevées, ce qui pose des problèmes technologiques de réalisation. En outre, la périodicité du réseau a pour conséquence de faire apparaître des lobes images dans son diagramme de rayonnement. Dans un article intitulé "A mathematical theory of antenne arrays with randomly spaced elements" publié dans IEEE Trans. on Antennas and Propagation, May 1964, pp. 257-268, Y.T. L0 a montré que le nombre d'éléments nécessaires à un réseau pour obtenir un diagramme de rayonnement donné pouvait & re réduit en espaçant de manière aléatoire ces déments, ce qui a pour autre avantage important de supprimer les lobes images.Toutefois la structure qu'il préconise ne permet pas d'obtenir des bandes passantes importantes. Un objet de la présente invention est la réalisation d'une structure électro-acoustique multi-résonante dont le rapport des fréquences extrêmes de la bande passante à 3 dB est au moins égal à 3 et dont le rendement électro-acoustique est supérieur à 20fui. Selon la présente invention, une antenne acoustique à bande passante de fréquence élargie, consistant en une structure élec tro-acoustique comportant au moins un élément passif en forme de plaque superposé à un élément actif en matériau piézoélectrique, également en forme de plaque dont les deux faces; principales por tent des électrodes reliées aux circuits électriques associés à ladite antenne, est principalement caractérisée en ce que, l'épai seur de l'élément actif étant uniforme, celle de l'élément passif est choisie non uniforme suivant une répartition spatiale aléatoi re, cette structure présentant alors, du fait de cette "modulation" d'épaisseur, plusieurs fréquences de résonance distinctes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven tion ressortiront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures anne xées qui représentent La figure 1 : une vue schématique d'une structure connue du type "sandwich de Langevin" d'un transducteur électro-acoustique; La figure 2 4 une vue partielle en coupe suivant un diamètre d'une cellule élémentaire cylindrique d'une structure d'antenne acoustique selon l'invention; et la figure 5 : une vue en perspective et en coupe montrant la répartition aléatoire des trous borgnes sur les plaques exté rieures d'une structure d'antenne acoustique réalisée conformément à la présente invention. La figure 1 représente une vue schématique des éléments mécaniques d'un transducteur électro-acoustique dont les circuits électriques classiques associés ont été omis. Une telle structure, connuepar le diapositif de Langevin réalisé en 1921, est dite twaesducteur sandwich. Les éléments mécaniques de cette structure comportent un élément actif 3 muni de ses électrodes 6,7 et constitué d'une plaque de matériau piézoélectrique d'épaisseur 2d et d'impédance Z, disposée entre deux éléments passifs 1ceosus par exemple par des plaques métalliques, l'une 1 d'épaisseur a et d'impédance Z1 et l'autre 2 d'épaisseur b et d'impédance Z2. La fréquence de résonance f d'une telle structure est déterminée à partir des relations connues suivantes 2#af 2#df = Z1 (1) cotg cotg = C1 C Z 2#bf 2#df Z2 et (2) cotg cotg = , C2 C Z C1, C2 et C étant les célérités respectives des vibrations dans les milieux 1,2 et 3. Les relations apparentées se trouvent notamment dans un tableau donné dans un article de B.A.NEPPIRAS intitulé "The effect of shape and internal impedance on the power handling capacity and efficiency of ultrasonic transducers" publié dans "Acustica" vol. 15 - 1965 - pp. 58 à 62 Cette fréquence de résonance f dépend donc notamment de l'épaisseur des plaques 1 et 2 Conformément à la présente invention cette caractéristique d'une structure en sandwich du transducteur électro-acoustique est mise à profit en réalisant les plaques extérieures, telles que t et 2, avec une épaisseur non uniforme, en d'autres termes en 'modulant" leur épaisseur, et en la transformant ainsi en une structure semblable à un réseau composé d'une multitude de cellules élémentaires résonant à des fréquences distinctes.Afin de faciliter la réalisation d'une telle structure, la modulation d'épaisseur des plaques 1 et 2 est rendue discrète en les munissant de trous borgnes, par exemple au moyen de perforations cylindriques pratiquées dans ces plaques de part et d'autre de cette structure ; le nombre de perforations de diamètre déterminé et la profondeur de ces perforations sont choisis de manière à obtenir un taux d'ondulation déterminé de la bande passante globale de la structure et un niveau sonore constant pour chaque fréquence de la bande. La répartition en surface de ces perforations est avantageusement choisie aléatoire , de manière à éviter toute propagation de modes vibratoires dans le plan du matériau piézoélectrique 3 et à obtenir un diagramme de rayonnement ne possédant pas de lobes images. La vue partielle en coupe suivant un diamètre de la figure 2, montre une cellule élémentaire d'une structure conforme à l'invention qui est définie par des perforations coaxiales et avantageusement de même diamètre si telles que 4 dans la plaque 1,et 5 dans la plaque 2. Une telle cellule est de forme cylindrique et possède une masse avant d'épaisseur a. et une masse arrière d'épaisseur b. . A chaque couple de valeurs ai, b. distinct i i correspond une fréquence de résonance f. distincte définie par les mêmes relations (1) et (2) que celles énoncées pour la struc ture connue de la figure 1, les valeurs zt - et Z2 étant z z alors des constantes qui ne dépendent pas de la cellule élémentaire considérée étant donné que les masses avant et arrière ont même diamètre que l'élément actif 3 .Les épaisseurs aO et b des plaques 1 et 2 définissent la fréquence fO de résonance la plus basse de la bande passante de cette structure. Toutes les cellules ainsi définies ont en commun une même épaisseur 2d de leur élément actif 3, ce qui fait qu'elles ne sont pas homothétiques entre elles. Leurs fonctions de transfert et leurs bandes passantes relatives respectives sont donc distinctes. Pour définir la répartition des fréquences de résonance de chacune des cellules élémentaires nécessaires à l'obtention d'une bande B , on se sert de la courbe de la variation de la bande passante relative d'une cellule en fonction de la fréquence, cette courbe étant établie de manière classique à partir du schéma équivalent des cellules élémentaires. A l'aide de cette courbe, on détermine les rapports des différentes fréquences de résonance successives ii qui correspondent à des recoupements à kdB des bandes élermie- aires, la valeur k étant liée au taux d'ondulation désiré pour la bande totale B. f Le rapport f n entre les fréquences extr8mes de la bande B étant initialement 8onnu, on détermine également de la sorte le nombre n de cellules élémentaires distinctes que doit comporter la structure pour obtenir la bande passante B . Les différentes fréquences de résonance f. étant ainsi déterminées, les formules (1) et (2) permettent de définir les épaisseurs ai et b. correspondantes et par conséquent la profondeur des différentes perforations à pratiquer dans les plaques 1 et 2 . En ce qui concerne le diamètre de ces perforations, il est déterminé de manière que le niveau sonore reste indépendant de la fréquence.On montre que pour obtenir un tel résultat;, il suffit de choisir les surfaces totlales correspondant aux différentes fréquences de résonance fi de/ inversement proportionnelles auxdites fréquences f.. En outre le diamètre des perforations doit satisfaire à deux conditions : être supérieur à la demi-longueur d'onde de manière à obtenir une impédance de rayonnement convenable et être inférieur à une fois et demie ladite longueur d'onde de manière à éviter la résonance en flexion de la cellule élémentaire. Connaissant donc la surface totale de rayonnement pour chaque fréquence de résonance distincte fi, de même que les valeurs limites correspondantes pour le diamètre si des perforations, on détermine de la sorte le nombre ni de perforations, de diamètre si à faire relative~ ment à chaque fréquence de résonance distincte fi, en jouant sur le paramètre s. pour que ledit nombre ni soit entier. i i On est alors en mesure de réaliser une structure d'antenne acoustique à large bande conforme à l'invention. Pour obtenir une bande B = f n f fo on choisit un "sandwich de Langevin" dont le contour est lié de manière connue au diagramme de rayonnement désiré. Les épaisseurs aO, b et 2d respectivement de la plaque 1, de la plaque 2 et de ltélément actif 3 sont choisies en accord avec les relations (1) et (2) finies dans ce qui précède, relations qui relient ces valeurs à la fréquence minimum de la bande f o Afin d'obtenir des résonances peu surtendues, les mcstériaux des plaques 1, 2 et 3 sont avantageusement choisis de manière à Z Z2 ce que le rapport 1 soit grand tandis que le rapport z Z doit être petit.A titre d'exemple, la plaque 1 est en magnésiums la plaque 2 en tungstène et l'élément actif 3 en matériau piézoélectrique PZT4. En ce qui concerne la surface totale du"sandwich", elle est choisie gale à la somme des surfaces r & onnantes relatives à chaque fréquence de résonance f. distincte. Pour que la répartition aléatoire des perforations sur les plaques 1 et 2 soit identique, on a evant2ge ct ce que le perçage desdites plaques soit effectué de manière simultanée. Cette repar- tition aléatoire est par exemple réalisée par tirage au sort après quadrillage préalable de la surface des plaques 1 et 2, comme le montre la vue en coupe de la figure 3, de manière à éviter le chevauchement des perforations. On a ainsi décrit une structure antenne à large bande dont la réalisation technologique est relativement simple et peu onéreuse. Cette structure est monolithique et permet d'obtenir aisément des rapports de fréquences extrêmes de la bande passante qui sont supérieurs à 3 avec un rendement au moins égal à -2c. A titre d'exemple, avec un recoupement des bandes élémentaires à 3 dB, il suffit de 13 fréquences de résonance distinctes pour obtenir un f rapport n de l'ordre de 3 au moyen d'une telle structure. La f limite supérieure maximum f que l'on peut réaliser avec ce type n de structure dépend essentiellement du diamètre minimum que l'on peut percer avec une bonne précision dans les plaques 1 et 2 il est entendu que l'invention est aussi applicable aux structures dont les perforations ne sont pas cylindriques. De meme, l'invention est applicable aux structures qui ne comportent qutun seul élément passif. Dans le cas où le matériau constituant les éléments passifs est métallique, les trous borgnes peuvent être obtenus par exemple par un procédé connu d'électro-érosion. REVENDICATIONS 1. Antenne acoustique à bande passante de fréquences élargie, consistant en une structure électro-acoustique comportant au moins un élément passif en forme de plaque superposé à un élément .v..,.,.actif en matériau piézo-éleetrique, également en forme de plaque dont les deux faces principales portent des électrodes reliées aux circuits électriques associés à ladite antenne, caractérisée en ce que l'épaisseur (2d) de l'élément actif (3) étant uniforme, celle de l'élément passif est choisie non uniforme suivant une répartition spatiale aléatoire, cette structure présentant alors, du fait de cette'hodulation" d'épaisseur, plusieurs fréquences de résonance distinctes 2.Antenne selon la revendication 1,cons1.stant en une structure électro-acoustique du type sandwich dans laquelle l'élément actif est enserré entre deux éléments passifs, caractérisée en ce que l'épaisseur (a ; b) des plaques constituant lesdits éléments passifs (1 ; 2) est non uniforme et à répartition spatiale aléatoire. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la modulation d'épaisseur des éléments passifs (1 ; 2) est réalisée au moyen de trous borgnes (4;5)de différentes profondeurs et surfaces, répartis de manière aléatoire sur les plaques constituant lesdits éléments passifs. 4. Antenne selon la revendication 3, dont les paramètres dimensionnels de la structure sont déterminés à partir des relations Cotg 2f a Cotg 2nf d = Z1 (1) C C Z2 z et Cotg 2nf b Coti 2sf C d 2 C2 C = Z (2) dans lesquelles f est la fréquence de-résonance ; et C1 , C2 et C sont les célérités des vibrations a, b et d sont les épaisseurs et Z1 , Z2 et Z sont les impédances correspondant respectivement aux éléments passifs et à l'élément actif, caractériséeen ce que la première plaque (1) et la deuxième plaque (2) de ladite structure vibrante ont leurs trous borgnes (4;5) respectifs disposés coaxialement, chacune de ces dispositions comportant un couple desdits trous définissant l'une des cellules vibrantes élémentaires de fréquence de résonance distincte (fi) liée aux épaisseurs e et bi) des masses avant et arrière correspondantes par les relations (1) et (2) , lesdites épaisseurs étant obtenues par les profondeurs différentes de pénétration desdits trous dans les épaisseurs (a;b) desdites plaques. 5. Antenne selon la revendication 4, ayant une structure multirésonante de bande totale B dont les bandes élémentaires se recoupent à kdB et dont les fréquences extrêmes f0 et f sont imposées, caractérisée en ce que ltépaisseur nominale (aO) de ladite première plaque (1), celle (bo) de ladite deuxième plaque (2), ainsi que celle (2d) de l'élément actif (3) sont choisies pour la fréquence de résonance la plus basse (fO) à l'aide desdites relations (1) et (2) et la répartition des fréquences de résonance (fi) est définie au moyen de la courbe de variation de la bande passante relative d'une cellule élémentaire en fonction de la fréquence, établie de manière connue à partir du schéma équivalent de ladite cellule, et en tenant compte du recoupement à kdB des bandes élémentaires, à chaque fréquence de résonance fi ainsi définie correspondent des épaisseurs a. i i et b. , et par conséquent des profondeurs de pénétration des trous borgnes réalisés, les surfaces totales de rayonnement relatives à chacune de ces fréquences de résonance fi étant choisies.de valeur inversement proportionnelle auxdites fréquences fi , ce qui définit la surface totale de la structure et permet d'obtenir un niveau sonore constant, la plus grande dimension de la section droite desdits trous borgnes (4;5) est choisie comprise entre une et trois demi-longueurs d'onde, le nombre entier (ni) et ladite dimension (si) de ces trous étant ainsi définis pour chaque fréquence de résonance (fi) et lesdits trous sont répartis de manière aléatoire sur les surfaces desdites plaques (1;2). 6. Antenne selon la revendication 3 dans laquelle les éléments passifs sont en matériau métallique, caractérisée en ce que les trous borgnes y sont réalisés par procédé connu d'électroérosion 7. Antenne selon la revendication 5, caractériséean ce que lesdits trous borgnes (4;5) d'un même couple sont cylindriques et de même diamètre.