Brevet FR2204094A1 — publié le 19740517

La présente invention au trait à des perfectionnements aux transducteurs électroacoustiques d'émission-réception d'ondes ultrasonores. Elle concerne plus particulièrement des perfectionnements apportés aux transducteurs électroacoustiques du type piézoélectrique, notamment à ceux pouvant être utilisés à la fois pour l'émission et la réception d'ondes ultrasonores. Dans le domaine technique concerné par la présente invention, les transducteurs du type "Tonpilz1, sont connus ; ils consistent en un empilement de plaquettes de céramique piézoélectrique constituant l'élément "moteur" du transducteur disposé entre un pavillon métallique avant et une contre-masse arrière également métallique. Jusqu'à présent, pour utiliser ce type de transducteur à la fois pour l'émission et la réception d'ondes ultrasonores, il était nécessaire de faire appel à un commutateur de fonctions. Dans le cas où plusieurs de ces transducteurs sont disposés en réseau pour former une antenne acoustique, il est nécessaire soit de disposer dune antenne d'émission et d'une antenne de réception distinctes, soit encore d'utiliser un nombre important de commutateurs élémentaires. La présente invention a pour but de s'affranchir de cette nécessité en séparant les fonctions émission et réception sur le transducteur. À cet effet, l'empilement de céramiques piézoélectriques composant le moteur du transducteur est scindé en deux parties d'épaisseurs différentes, la plus importante servant pour l'émis- sion tandis que l'autre n1 est utilisée que pour la réception. Selon la présente invention un transducteur électroacoustique d'émission-réception d'ondes ultrasonores, comportant dans sa structure un élément actif formé de plusieurs plaquettes en matériau piézoélectrique disposées accolées en série, et interconnectées électriquement en parallèle par des électrodes en contact avec les faces opposées de ces plaquettes, cet élément actif étant enserré entre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . un premier élément passif formant pavillon avant et un deuxième élément passif formant contre-masse arrière, est principalement caractérisé en ce que ledit élément actif, partagé fonctionnellement en parties distinctes de réception et d'émission, comporte, outre les plaquettes d'émission, au moins une dite plaquette prévue pour la réception et munie d'une électrode séparée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent : la figure 1 : une vue schématique d'un transducteur et de son mode de branchement suivant l'art connu - la figure 2 : les diagrammes classiques montrant la répartition de la contrainte mécanique et de 11 amplitude des vibrations suivant l'axe du transducteur - les figures 'a à 3d : des vues schématiques de quatre modes préférés de réalisation d'un transducteur conforme à l'invention ; et - la figure 4 : un schéma synoptique illustrant l'utilisation des transducteurs selon l'invention dans une antenne acoustique. Un exemple d'utilisation, à la fois pour l'émission et la réception d'ondes ultrasonores, d'un transducteur piézoélectrique classique du type "sandwich, encore appelé "Tonpilzw' est représentd sur la figure l suivant un schéma simplifié. la partie piézoélectrique l de ce transducteur, encore appelée "moteur" est composée d'un empilement de plaquettes, par exemple en forme de disques, le céramique piézoélectrique dont les faces sont métallisées. De part et d'autre de ce "moteur" 1 sont disposés un pavillon 2 servant à adapter l'impédance de l'eau de mer à celle du moteur "1 et une contre-masse arrière 3, ces deux éléments 2 et 5 étant .métalliques.Une tige 4, traversant en leur centre les disques de céramique du "moteur" 1, relie mécaniquement et électriquement le pavillon 2 à la contre-masse 3 et assure une précontrainte du eteur" I Dans d'autres réalisations, cette précontrainte de la céramique piézoélectrique est obtenue par des tiges disposées autour de 11 empilement, ou bien par un cylindre dans lequel sont disposés les disques, la face active du pavillon étant libre et la contremasse arrière étant vissée dans le cylindre exerçant ainsi la pression voulue sur 11 empilement. les faces métallisées des disques sont réunies aux électrodes respectives, plus "+" et moins n~" , les électrodes de méme polarité étant réunies entre elles de telle sorte que les disques se trouvent interconnectés électriquement en parallèle. En supposant les électrodes moins " - " réunies à un potentiel de référence, tel que la masse, les électrodes plus tt + n sont réunies à un commutateur de fonction 5 qui assure à tour de roule la liaison avec un émetteur 6 ou un récepteur 7. Dans un transducteur tel que celui représenté sur la figure 1, l'importance du volume de céramique piézoélectrique composant le "moteur" t est liée à la puissance maximum du signal à émettre. Pour un transducteur qui ne serait utilisé que comme hydrophone, le volume de céramique piézoélectrique pourrait être choisi très inférieur à celui nécessaire pour l'émission. Suivant un aspect impbrtant de l'invention, le "moteur" 1 dfun tel transducteur est partagé en deux empilements de disques de céramique piézoélectrique, distincts dt superposés, de hauteurs inégales, le plus grand empilement étant utilisé pour l'émission tandis que l'autre ne sert que pour la réception. la faible hauteur de ltempilement de réception comparée à celle de l'empilement d'émission, par exemple dans un rapport de l'or- dre de 1/5 , ainsi que le choix des positions relatives de -ces deux empilements permettent d'obtenir un fonctionnement quasiindépendant de ces deux parties du moteurs 1 du transducteur. te choix des positions respectives des deux empilements l'un par rapport à l'autre, est effectué en considérant les diagrammes À et U de la figure 2 montrant respectivement la répartition de l'amplitude À des vibrations et celle de la contrainte T s'exercant sur un transducteur du type "Tonpilz " . Ces diagrammes montrent en particulier que la contrainte T passe par un maximum pour la position nodale N, c'est-à-dire pour une amplitude A nulle. La contrainte T est nulle sur la face externe de la contre-masse 3 mais n'est pas nulle sur celle du pavillon 2. il est connu par ailleurs que lorsqu'une plaquette de céramique piézoélectrique d'épaisseur e et de coefficient piézoélectrique g33 correspondant au champ électrique produit par unité de contrainte appliquée, est utilisée pour la réception, la tension V recueillie à ses bornes est proportionnelle à la contrainte T : V=g33.e.T. il y aurait donc avantage à ce que l'empilement de réception soit disposé au niveau de la nodale N du transducteur. Toutefois, cette position correspond également à un maximum pour l'émission. Comme il est très important de pouvoir émettre avec un maximum de puissance et que les signaux de réception peuvent être convenablement amplifiés avant d'être exploités, la position de l'empilement de réception sera donc avantageusement choisie voisine de la contre-masse 3 ou du pavillon 2. Lorsque cet empilement est disposé sur la face externe de la contre-masse 3 ou du pavillon 2, des problèmes -technologiques importants de réalisation et de fiabilité apparaissent. il est également possible de scinder la contre-masse 3 en deux parties et d'insérer l'empilement de réception entre ces deux parties. tes figures 3a à 3d montrent quelques modes préférentiels de réalisation d'un transducteur conforme à l'invention. Sur la figure 3a, l'empilement d'émission 10 est constitué d'un nombre pair de disques de céramique, par exemple 6, disposés côté pavillon 2 tandis que l'empilement de réception il, disposé cEté contre-masse 5, est constitué d'un nombre impair de disques, un en l'occurrence. Du fait de la polarisation de ces disques céramiques, une rondelle isolante 8 est prévue pour séparer la contre-masse 3 de l'électrode +R de la partie de réception 11. Sur la figure 3b, le nombre de disques de céramique constituant l'empilement d'émission 10 et celui constituant l'empilement de réception 11 sont tous deux impairs,respectivement 7 et 1 par exemple, et la rondelle isolante 8 est alors insérée entre les deux empilements 10 et 11 pour séparer les électrodes + E et + R. Sur la figure 3c , le nombre de disques de céramique d'émission tO et celui de réception il sont tous deux pairs, 6 et 2 par exemple, ce qui fait que la rondelle isolante 8 n'est alors plus nécessaire. Quant à la figure 3d, elle représente un transducteur conforme à l'invention comportant un premier empilement de réception 11 de deux disques par exemple disposés entre la contre-masse 3 et l'empilement d'émission 10 et un deuxième empilement de réception 12 également de deux disques par exemple disposés entre ledit empilement d'émission 10 et le pavillon 2. En effet, le nombre d'empilements distincts de réception d'un même transducteur conforme 9 l'invention peut être choisi supérieur à 1, dans la mesure où la hauteur totale des empilements de réception deneure notablement inférieure à celle de 11 empilement dtdmission. En ce qui concerne le choix de 11 épaisseur e des disques de céramique de l'empilement de réception 11 ou 12, de la figure il , il résulte de manière connue d'un compromis entre la sensi- bilité hydrophonique désirée et le bruit ramené à l'entrée par les préamplificateurs de réception associés à ce transducteur, le niveau de ce bruit croissant avec lzimpédance de la source. 3n effet, la sensibilité hydrophonique est proportionnelle à lsépais- seur e tandis que l'impédance de source est d'autant plus faible que cette épaisseur est faible, c'est-8-dire que la capacité du disque de céramique est grande. Â partir d'un certain seuil, le gain en bruit que l'on peut faire en diminuant l'épaisseur e ne compense plus la perte de sensibilité corrélative. On peut aussi, de manière connue, augmenter le nombre de disques d'épaisseur e de l'empilement: le réception et les connecter en parallèle, ce qui augmente la capacité de l'empilement, donc diminue le bruit, tout en maintenant la sensibilité hydrophonique quasiment égale à celle d'un disque unique d'épaisseur e. Toutefois, le nombre de disques de l'empilement de réception ne peut etre choisi trop important du fait de la nécessité de perturber au mininw la fonction émission. On choisit-donc ce nombre tel que l'épaisseur globale de l'empilement de réception soit au moins cinq fois plus faible que celle de l'empilement d'émission. A titre d:exemple, pour réaliser un transducteur semblable à celui de la figure 3 c dort la puissance d'émission est supérieure à 150 watts et la sensibilité hydrophonique est de l'ordre de - 70 dB, et fonctionnant aux environs de 9 kHz, le moteur 1 est composé de disques de céramique piézoélectrique perforés, de diamètre intérieur égal à 12 mm et de diamètre extérieur égal à 38 mm. L'empilement d'émission 10 se compose de six disques ayant chacun 10 mm d'épaisseur alors que l'empilement de réception il comporte deux disques ayant chacun 5 mm d'épaisseur. Un avantage important des transducteurs conformes à la présente invention est qu'ils permettent de simplifier notablement le problème du groupement de transducteurs et de la commun tation émisssion-réception. En effet, si l'on considère une antenne acoustique composée de n transducteurs conformes à l'art antérieur, N groupements distincts de réception ne peuvent tre réalisés que si chacun de ces n transducteurs est au préalable relié à un ensemble de commutation émission-réception. En utilisant des transducteurs conformes à l'invention, les N groupements de réception sont formés sans laide de ces ensembles de commutation uniquement par précâblage de l'antenne, c'està-dire en reliant entre elles les parties de réception des différents transducteurs concernés par un même groupement, les parties d'émission étant toutes reliées entre elles ainsi qu'à l'émetteur. De l'antenne acoustique ainsi constituée ne partent donc que les N connexions relatives aux N groupements distincts de réception ainsi que la connexion d'émission, alors que pour une antenne classique il y a autant de connexions que de transducteurs. Ces N groupements ne peuvent être imbriqués que si les transducteurs composant l'antenne comportent plusieurs empilements de réception, comme cfest le cas pour le transducteur représenté sur la figure 3 d. Un schéma synoptique dtune antenne acoustique utilisant des transducteurs conformes à l'invention est représenté sur la figure 4. Cette antenne comporte cinq transducteurs 21 à 25 comportant tous un empilement d'émission et un empilement de réception, sauf le transducteur 23 qui lui, comporte un empilement de réception supplémentaire , tel que représenté sur la figure 3d.Un émetteur 6 est relié à chacun des empilements d'émission de ces transducteurs 21 à 25 au moyen d'un circuit 9 en série, composé de deux diodes montées titre bichez Ce circuit 9 permet de s'affranchir de l'influence du couplage électromécanique entre les différents transducteurs de l'antenne pendant la phase de réception, ledit couplage étant da au ctblage d'émission et n'intervenant que lorsqu'une partie seulement des transducteurs de l'antenne est utilisée pour former une voie du signal de réception.Les empilements de réception des transducteurs 21 et 22 ainsi que l'un dee empilements du transducteur 23 sont reliés à un récepteur 71 et définissent un premier groupement ou voie du signal de réception G1 Le deuxième empilement de réception du transducteur 23 ainsi que celui du transducteur 24 sont tous deux reliés au récepteur 72 et définissent un deuxième groupement de réception G2 qui est imbriqué avec G1 . L'empilement de réception du transducteur 25 est relié à un récepteur 73 et définit unetroisième voie de réception G3 qui n'est imbriquée ni avec G1 ni avec G2 Pour protéger les récepteurs 71, 72 et 77 lors de la phase d'émission, des circuits 2 à diodes sont disposés entre leur entrée et la masse. IIEVENDI CATIONS 1. Transducteur électroacoustique d'émission-réception d'ondes ultrasonores comportant dans sa structure un élément actif formé de plusieurs plaquettes en matériau piézoélectrique disposées accolées en série, et interconnectées électriquement en parallèle par des électrodes en contact avec les faces opposées desdites plaquettes, cet élément actif étant enserré entre un premier élément passif formant pavillon avant et un deuxième élément passif formant contre-masse arrière, caractérisé en ce que ledit élément actif (i), partagé fonctionnellement en parties distinctes de réception et d'émission, comporte, outre les plaquettes d'émission, au moins une dite plaquette (11) prévue pour la réception et munie d'une électrode séparée (+R). 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de plaquettes de réception (11;12) est choisie telle que l'épaisseur globale correspondante est au moins cinq fois plus faible que l'épaisseur globale des plaquettes (10) démission, la partie réception étant isolée (8) si nécessaire. 3. Transducteur selon la revendication 1, dans lequel le minimum de la contrainte mécanique appliquée est situé dans la zone zone desdits éléments passifs caractérisé en ce que la partie ré- ception (11) dudit élément actif (1) est disposée adjacente à l'un desdits éléments passifs (3 ou 2). 4. Transducteur selon la revendication 1, dans lequel le mini mum de la contrainte mécanique appliquée est situé dans la zone desdits éléments passifs caractérisé en ce que les plaquettes (ii;i2) de la partie réception sont disposées réparties respecti vement aux extrémités opposées de ladite partie émission. 5. Transducteur selon l'une des revendications 3 et 4 utilisé pour réaliser par cablage direct une antenne acoustique caractérisé en ce que toutes les électrodes d'une meme polarité de plusieurs transducteurs (21 à 25) étant réunies à un point commun de potentiel de référence (-), les électrodes de polarité opposée (+) des parties d'émission sont respectivement connectées en parallèle, chacune par l'intermédiaire d'un circuit à diodes (9) de découplage électromécanique, à un émetteur commun (6), tandis que les électrodes de la partie réception sont connectées par voie de signal à un récepteur respectif, directement pour une voie (25, 73), réunis en parallèle pour d'autres voies (24, 23, 72; 23, 22, 21, 71) un transducteur (23) comportant la partie réception séparée en deux étant utilisé simultanément pour deux dites voies du signal, les entrées des récepteurs étant respectivement protégées des signaux d'émission par un circuit à diodes(90)dérivé vers ledit potentiel de référence.