Brevet FR2215008A1 — publié le 19740819

La présente invention a pour objet des transducteurs électroacoustiques du type piézoélectrique, conçus pour être utilisés a grande profondeur d'immersion, sous forte pression hydrostatique. Le secteur technique concerné est celui de la construction des émetteurs et récepteurs d'ondes acoustiques. Les transducteurs électroacoustiques formés d'éléments piézoélectriques sont, par nature, très sensibles aux pressions non isotropes et leurs propriétés varient considérablement lorsqu'ils sont soumis a de telles pressions. Par ailleurs, les progrès de l'exploration des océans et des navires submersibles entraînent la nécessité de construire des émetteurs ét des récepteurs d'ondes acoustiques pouvant opérer a des profondeurs de plus en plus grandes. Une première solution consiste à soustraire les éléments piézoélectriques à la pression hydrostatique en les enfermant dans un boîtier rigide et étanche, par exemple un boîtier cylindrique, dont une face est en contact -avec les éléments piézoélectriques et assure la transmission des ondes acoustiques entre l'eau d'une part et les éléments piézoélectriques d'autre part. Cette face, appelée face radiante, appartient a une pièce désignée du nom de pavillon. Les éléments piézoélectriques sont généralement empilés entre le pavillon et une contre-masse, placée dans le boîtier, du côté opposé au pavillon. Pour des transducteurs de grande puissance, cette solution doit être abandonnée aux grandes immersions. En effet, le volume des boîtiers devient alors important et pour qu ils puissent résister à des pressions élevées, par exemple à des pressions supérieures à 50 bars, il faudrait construire des boîtiers très importants, ayant des parois de grande épaisseur; La liaison entre la partie vibrante et le boîtier, qui doit assurer un découplage acoustique, pose également des problèmes très difficiles à résoudre aux grandes pressions. Une autre solution consiste alors à placer les éléments piézoélectriques dans un boîtier rempli d'un liquide, par exemple d'huile, et à équiper le boîtier de moyens permettant de maintenir l'huile en équilibre de pression avec liteau extérieure de sorte que les éléments piézoélectriques soient soumis à une pression latérale uniforme. Cette solution présente l'inconvénient que le liquide transmet les ondes acoustiques entre les parois latérales du boîtier et les éléments piézoélectriques. Pour remédier à cet inconvénient, on connaît des transducteurs composés d'éléments piézoélectriques empilés entre une contremasse et un pavillon et placés à l'intérieur d'une enveloppe déformable qui transmet intégralement les pressions hydrostatiques laquelle enveloppe reste séparée des éléments piézoélectriques, de la contremasse et des parois latérales du pavillon par une couche d'air qui assure le découplage acoustique entre ces éléments et l'enveloppe. L'objectif de la présente invention est d'arriver au même résultat, c'est-à-dire à placer les éléments piézoélectriques dans une enceinte remplie d'air en équilibre de pression avec la pression hydrostatique, cet air formant une couche séparant entièrement les éléments piézoélectriques, la partie arriere du pavillon et la contre-masse des parois de l'enceinte et assurant ainsi un découplage acoustique. Ce résultat e*t atteint par des moyens différents des moyens actuellement connus. Un transducteur électroacoustique selon l'invention, émetteur ou récepteur, pour forte pression hydrostatique est composé de façon connue, d'une part d'un ensemble vibrant formé d'éléments piézoélectriques, séparés par des électrodes et empilés entre un pavillon et une contre-masse et d'autre part d'un premier boîtier rigide entourant ledit ensemble vibrant et séparé de celui-ci par une couche & ir Ce premier boîtier présente, du côté du pavillon et sans contact avec celui-ci, une extrémité ouverte qui débouclie dans le fond d'un deuxième boîtier rigide, entourant le premier, lequel deuxîàme boîtier est assemblé de façon étanche à la périphérie du pavillon en étant découplé acoustiquement de celui-ci et comporte du côté de la contre-masse des ouvertures de communication avec le milieu extérieur.Des moyens de sopsrstion étanche entre l'eau et l'air,transmettant la pression hydrostatippme-,snt disposés dans l'espace intermédiaire délimité par les parois laterales des deux boîtiers qui sont parallèles entre elles. Ces moyens sont constitués par un piston coulissant, une membrane déformable ou la camhil=nimnz des dprrn. La ou le piston coulissant ne doivent pas venir au contact du pavillon afin que les pressions régnant de part et d'autre du piston restent en équilibre même lorsque le transducteur est soumis à la pression hydrostatique maximale. Ce résultat peut être atteint en déterminant les volumes des deux boîtiers en conséquence. Cependant, pour de très fortes pressions maximales, on aboutirait à un volume de l'espace intermédiaire trop important. On remédie à cet inconvénient en précomprimant l'air contenu dans le premier boîtier et dans le fond du deuxième. Cette mise en pression est limitée à quelques dizaines de bars pour ne pas dépasser la résistance mécanique des parois des deux boîtiers sur une partie desquelles s'exerce la différence de pression tant que le transducteur n'est pas immergé. On peut également précomprimer progressivement au cours de l'immersion pour éviter de soumettre les parois du boîtier à des différences de pressions élevées. Dans un mode de réalisation, on peut supprimer le piston et ne conserver que la membrane. Les diverses parties de l'ensemble vibrant sont maintenues assener blées entre elles, de façon connue, par une tige centrale coopérant avec un écrou et formant un tirant qui attire le pavillon et la contremasse l'un. vers l'autre en précomprimant les éléments piézoélectriques. Selon l'invention cette tige est creuse et percée d'un alésage dans lequel passent les conducteurs électriques connectés aux électrodes de l'ensemble vibrant. Cette dispositibn conduit à une simplification du montage. Afin de pouvoir précomprimer l'air contenu dans le boîtier intérieur et de pouvoir faire varier la pression de celui-ci en cours d'immersion, une valve est disposée dans l'épaisseur du pavillon. Le résultat de l'invention est un nouveau transducteur piézoélectrique de grande puissance adapté aux grandes profondeurs d'immersion. Bien entendu, pour obtenir des antennes émettrice ou réceptrice de grande puissance, on utilise de nombreux éléments unitaires qui sont groupés sur un même châssis. La liaison entre chaque élément et le châssis est réalisée au moyen d'un collier fixé sur le boîtier extérieur de chaque élément. Etant donné que les boîtiers extérieurs sont bien découplés acoustiquement de l'ensemble vibrant, on obtient ainsi un bon découplage entre chaque élément et le châssis de l'antenne ce qui évite des pertes d'énergie. Le transducteur selon l'invention présente les mêmes avantages que les transducteurs connus composés d'un ensemble vibrant logé à l'intérieur d'une enveloppe étanche et déformable. Par rapport à ces derniers, ils présentent des avantages. Dans les transducteurs selon l'invention, on peut déterminer avec une grande précision l'épaisseur de la couche d'air qui sépare l'ensemble vibrant des parois du boîtier interne. Celle-ci ne dépend que des dimensions géométriques du boîtier et de l'ensemble vibrant et peut être extrêmement mince. Les problèmes d'étanchélté à l'eau et à l'air sont plus faciles à résoudre car il s'agit d'étanchéité entre des parties rigides et sous des différences de pression relativement faibles, égales à la pression de l'air précomprimé dans le boîtier interne. La description suivante se réfère au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. La figure unique est une coupe longitudinale d-'un transducteur unitaire. Cette figure représente un transducteur unitaire, de type Tonpilz, désigné dans son ensemble par le repère 1. Ce transducteur présente un axe xx' de symétrie de révolution. Il se compose d'une part d'un ensemble vibrant 2 et d'autre part d'un boîtier 3 qui sont découplés acoustiquement, c'est-à-dire que les vibrations acoustiques de l'ensemble vibrant ne se transmettent pas au boîtier. L'ensemble vibrant 2 est composé de disques piézoélectriques 4, par exemple des céramiques, séparés par des électrodes 5. Les électrodes 5a alternent avec les électrodes 5b. Toutes les électrodes 5a sont raccordées en parallèle sur un conducteur 6a et toutes les électrodes 5b sont raccordées en parallèle sur un conducteur 6b. Les disques 4 sont empilés entre un pavillon- 7 et une contremasse 8. Tout cet ensemble est maintenu assemblé par une tige centrale 9 qui se visse dans le pavillon 7, passe à travers un alésage central des disques 4 et présente une extrémité filetée sur laquelle se visse un écrou 10. La tension de la tige 9 maintient les disques 4 et les électrodes 5 comprimés les uns contre le" autres d'où un bon couplage acoustique. La tige 9 est appelée tige de précontrainte. La tige 9 présente, dans sa partie située vers la contreaasse, un alésage centrale^ il dans lesquels passent les conducteurs 6a et 6b. Les conducteurs 6a et 6b se prolongent, à l'extérieur du boîtier 3, dans un câble 12, qui est raccordé au boîtier par un connecteur étanche 13. Le pavillon 7 a une forme évasée vers l'extérieur de sorte que sa face libre 7a, tournée vers ltexterieur, ait une plus grande surface que les disques 4. Le pavillon 7 est couplé acoustiquement avec les disques et la face Ta est placée au contact de l'eau. La face 7;a est la face émettrice d'ondes acoustiques dans l'eau si le transducteur est émetteur ou la face réceptrice des ondes acoustiques qui se propagent dans l'eau si le transducteur est récepteur. La face 7a est recouverte d'une couche 14 destinée à la protéger de la corrosion, laquelle transmet intégralement les vibrations acoustiques. Les disques 4 et les électrodes 5 sont revêtues d'un matériau isolant électrique 15. L'ensemble vibrant 2 doit être découplé acoustiquement du boîtier 3 de telle sorte que seule la face 7a soit émettrice ou réceptrice. Le boîtier 3 est un boîtier cylindrique muni d'un fond 3a qui est enveloppe la contre-masse et/ouvert à l'autre extrémité dirigée vers le pavillon. La contre-masse et le revêtement isolant entourant les céramiques 4 ont sensiblement le meme diamètre et le diamètre interne du boîtier 3 est légèrement supérieur de sorte qu'une mince couche d'air 33 sépare 1' ensemble vibrant 2 du boîtier 3. L'ensemble vibrant est maintenu centré dans le boîtier par des joints toriques 16 qui assurent un découplage acoustique. Un joint torique 34 maintient 11 écartement entre la face arrière de la contre-masse et le fond du boîtier 3. Le fond 3a du boîtier 3 est percé pour le passage de la tige 9. Un joint torique 17 assure l'étanchéité de ce passage et le découplage acoustique entre la tige et le boîtier. Un écrou IOa est vissé sur l'extrémité de la tige 9 et une butée élastique 18 est intexDosee entre cet écrou et le fond du boîtier. Cette butée assure le découplage-acoustique entre le fond du boîtier et la tige et maintient le boîtier intérieur lorsque l'air est précomprimé dans le boîtier. Autour du boîtier 3 est placé un deuxième boîtier rigide, cylindrique et coaxial 20, dont les parois latérales sont raccordées de façon étanche à la périphérie du pavillon par l'intermédiaire d'un joint torique 21 qui assure ltétanchelté et le découplage acoustique. Le pavillon constitue le fond du boîtier 20. Une bague souple 22 est vissée sur le boîtier. Cette bague comporte un rebord 22a qui sert de butée au pavillon lorsqu'on précomprime L'air contenu dans le boîtier 3, Les parois latérales du premier boîtier 3 et-du deuxième boîtier 20 délimitent entre elles un espace annulaire 24 dans lequel se déplace librement un piston 25. L'étanchélté entre le piston et les parois est assurée par des joints toriques 26 placés dans des gorges du piston. A ltextrémité opposée au pavillon, le boîtier 20 présente des ouvertures 27 qui communiquent avec le milieu extérieur. Ces ouvertures sont équipées de grilles de protection 28 interdisant le passage de corps flottants. Une membrane souple et déformable 29 en forme de sac est placée dans l'rapace intermédiaire 24, autour des ouvertures 27. On a représenté, en traits pleins, la position du piston 25 et de la membrane 29 sous de faibles pressions hydrostatiques et, en traits pointillés, leur position à la profondeur d'immersion maximale. Dans cette position le piston 25 reste séparé du pavillon par une lame d'air. Afin d'utiliser au mieux 11 espace, la face du piston 31 tournée vers le pavillon est parallèle à la face arrière 32 du pavillon. Le repère 30 représente une valve disposée dans le pavillon, qui permet de précomprimer l'air contenu dans le boîtier intérieur 3 et dans l'espace intermédiaire 24 entre le piston 25 et le pavillon. La pression de cet air est déterminée de sorte-que la quantité d'air précomprimée soit suffisante pour que le piston 25 ne vienne pas au contact du pavillon à la profondeur d'immersion maximale. Le fonctionnement est le suivant. Lorsque le transducteur est immergé, l'eau pénètre par les ouvertures 27 dans le sac déformable 29 et la pression hydrostatique est transmise au matelas d'air emprisonné entre le sac et le piston. Le piston se déplace vers le fond du boîtier 20 et comprime l'air contenu dans le boîtier 3 qui se trouve donc en équilibre de pression avec le milieu ambiant. Les boîtiers 3 et 20 sont soumis à la pression hydrostati-que sur leurs deux faces et n'ont donc à supporter aucune contrainte mécanique. Afin de réaliser des antennes acoustiques émettrices ou réceptrices de grande puissance, on groupe sur un ménie châssis rigide des transducteurs individuels identiques à celui qui vient d'être décrit. La fixation de chaque transducteur sur le châssis est réalisée au moyen d'un support 35 fixé sur le boîtier extérieur 20. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'inventions diverses modifications équivalentes pourront etre apportées par l'homme de l'art au transducteur qui vient d'être décrit uniquemzrc à-titre d'exemple. Notamment la séparation entre t eau de mer et l'air entourant 1' ensemble vibrant peut être réalisée uniqummmnt par une membrane déformable placée dans l'espace compris entre les deux bottiers, le piston étant alors supprimé. REVENDICATIONS 1 - Transducteur électroacoustique émetteur ou récepteur pour opérer sous forte pression hydrostatique composé, d'une part, d'un ensemble vibrant formé d'éléments piézoélectriques, séparés par des électrodes et empilés entre un pavillon et une contre-masse et,d'autre part, d'un premier boî tier rigide entourant ledit ensemble vibrant et séparé de celui-ci par une couche d'air, caractérisé en ce que ledit premier boîtier présente du côté du pavillon et sans contact avec celui-ci, une extrémité ouverte qua douche dans le fond d'un deuxième boîtier rigide, entourant le premier, lequel deuxième boîtier est assemblé de façon étanche à la périphérie du pavillon en étant découplé acoustiquement de celui-ci et comporte > du côté de la contre-masse, des ouvertures de communication avec le milieu et rieur et en ce que des moyens de séparation étanche entre liteau et l'air, transmettant la pression hydrostatique,sont disposés dans espace inter médiaire délimite par les parois latérales des deux boîtiers qui sont parallèles entre elles. 2 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation sont constitués par un piston étanche coulissant librement dans ledit espace intermédiaire. 3 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en cé que lesdits moyens de séparation sont constitués par une membrane déformable séparant ledit espace intermédiaire en deux parties. 4 - Transducteur selon l'une quelconque des revendications à 3, caractéri- sé en ce que l'air contenu dans le premier boîtier et dans le fond du deuxième boîtier est précomprimé à une pression telle que le piston ou la membrane déformable ne vienne pas au contact du pavillon lorsque le transducteur est soumis à la pression hydrostatique maximale. 5 - Traasducteur selon la revendication 2 dans lequel les éléments piezoé- lectriques, le pavillon et la contre-masse sont de révolution autour d'un même axe, caractérisé en ce que lesdits boîtiers et ledit piston sont de révolution autour dudit axe et la face du piston dirigée vers le pavillon est parallèle à la face arrière du pavillon. 6 - Transducteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 5, caracté risé en ce qu'une membrane déformable est placée dans l'espace interme diaire entre les deux boîtiérs, du côté dudit piston situé vers lesdites ouvertures de communication avec le milieu extérieur, laquelle membrane sépare ledit espace intermédiaire en deux partiels, l'une comprenant lesdites ouvertures et l'autre ledit piston. 7 - Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel la contre-masse, les éléments piézoélectriques et le pavillon sont maintenus assemblés par une tige centrale, caractérisé en ce que ladite tige est percée d'un alésage dans lequel passent les conducteurs électriques connectés aux électrodes de l'ensemble vibrant. 8 - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, à travers le pavillon, une valve permettant de faire varier la pression de l'air contenu dans le premier boltier et le fond du deuxième boîtier. 9 - Antenne acoustique émettrice ou réceptrice de grande puissance composée de transducteurs individuels selon l'une quelconque des revendications I à 8 fixés sur un châssis rigide, caractérisé en ce que chaque transducteur individuel est fixé sur le châssis au moyen d'un support fixé sur ledit deuxième boîtier.