Brevet FR2265241A1 — publié le 19751017

La présente invention a pour objet de nouveaux transducteurs électroacoustiques destinés à fonctionner sous l'eau. Le secteur technique est principalement celui de la construction des hydrophones destinés à capter des ondes sonores sous-marines et également de la construction des éléments électroacoustiques qui constituent des antennes émettrices. On connait de nombreux hydrophones ou émetteurs électroacoustiques comportant des empilements d'elements piézoélectriques, par exemple des quartz, des céramiques ou des plaques de phosphate d'ammonium (A.D.P.), alternaflt avec des électrodes et disposés entre un pavillon et une contre-masse. Le pavillon transmet les ondes acoustiques à liteau de mer dans le cas d'un émetteur ou capte les ondes transmises par l'eau de- mer dans le cas d'un hydrophone. Les transducteurs destinés à fonctionner sous l'eau et à des pressions élevées sont enfermés dans des boftiers étanches afin de soustraire les faces latérales des éléments piézoélectriques à la pression hgdrostatique. La réalisation de tels hydrophones ou emetteurs pose des problemes difficiles d'obtention simultanée d'une bonne étanchéité et d'un bon découplage acoustique entre l'ensemble vibrant et le boîtier. La plupart du temps le pavillon est au contact de l'eau ou en est séparé par une membrane souple perméable aux ondes acoustiques. Il forme une pie ce distincte du boîtier et il est relié de façon étanche aux parois de ce-lui-ci par des tampons élastiques qui assurent un découplage acoustique de telle sorte que les ondes acoustiques ne soient pas transmises au boîtier ce qui provoquerait une perte d'énergie. Ces dispositifs de découplage acoustique formés par des tampons élastiques ne sont pas satisfaisants sous des pressions hydrostatiques éle vées, de l'ordre de plusieurs dizaines de bars, car ils perdent leur élasticité et leurs propriétés de découplage acoustique. On connaît également des transducteurs placés dans ùn boltier dont le pavillon constitue le fond. Dans ce cas, pour que le pavillon puisse vibrer, il comporte à sa périphérie, une ou plusieurs gorges qui lui permettent de se déformer à la manière d'une membrane de haut-parleur. De telles gorges diminuent considérablement la résistance mécanique d'un tel boltier qui ne peut pas supporter des pressions hydrostatiques élevées. L'objectif de la présente invention est de procurer un transducteur électroacoustique sous-marin et plus spécialement,mais non exclusivement, un hydrophone,de faible volume, ayant un très bon rendement et une très bonne sensibilité et pouvant résister à des pressions hydrostatiques élevées, de I'ordre de 100 bars. Cet objectif est atteint en plaçantl'empilement d'éléments piézoélectriques et la contre-masse a l'intérieur d'un boîtier cylindrique rigide et indéformable, ouvert à une extrémité, dont le fond constitue le pavillon; les parois et le fond dudit boîtier ayant une épaisseur sensiblement constante. La contre-masse comporte au moins une gorge périphérique dans laquelle est logé un joint torique la séparant de la paroi interne du boîtier. Le bottier cylindrique est enveloppé, de façon étanche à l'eau, par une gaine déformable élastiquement, laquelle gaine est ouverte à l'extrémité située du côté du pavillon et enserre de façon étanche, par l'autre extrémité, le câble dans lequel passent les conducteurs électriques aboutissant aux électrodes intercalées dans l'empilement d'éléments piézoélectriques. Un tampon élastique est placé, à'l'intérieur de ladite gaine, contre la face de la contre-masse opposée au pavillon. Le résultat de l'-invention est un nouveau produit constitué par un transducteur électroacoustique de grande sensibilité, adapté aux grandes profondeurs dtimmersion,pouvant atteindre I000 mètres. Selon l'invention, il a été possible de réaliser des hydrophones ayant un diamètre extérieur de 32 mm et une longueur de l'ensemble forme par le pavillon, l'empilement des éléments piézoélectriques et la contre-masse inférieurs à 50 mm, ayant une sensibilité mesurée au niveau du transducteur et exprimée en volts par microbar de l'ordre de - 87 du + 2 db sur toute la lar ger d'une bande principale entre 50 HZ et 12.000 HZ, la sensibilité totale étant de - 85 db + 2 db en incluant le gain d'un préamplificateur éventuel. La directivité d'un hydrophone selon l'invention est également très bonne. En gisement, il est omnidirectionnel à + 1,5 db dans la bande principale de fréquences comprise entre 50 HZ et 12.000 HZ. En site, il est omnidirectionnel à + 2 db jusqu'à 10 KHZ. Ces performances sont dues au fait qu'il n'y a pas de découplage entre le pavillon et le boîtier, ni de déformation du boîtier ce qui évite des pertes d'énergie. Le boîtier suit librement le pavillon et oscille en même temps que lui. La gaine extérieure souple suit les déformations du boîtier mais consomme peu d'énergie car les forces élastiques mises en jeu sont très faibles. Un autre avantage d'un transducteur selon l'invention réside dans le fait que le boîtier, qui est en métal conducteur, par exemple en titane, enveloppe l'empilement piézoélectrique sur trois faces, sans aucune discontinuité électrlque, formant ainsi un très bon blindage protecteur contre les ondes électromagnétiq-ues. La contre-masse est reliée électriquement au boîtier par un conducteur souple ce qui améliore l'effet de cage protectrice. On a également constaté expérimentalement qutun hydrophone selon l'invention était bien protégé contre les vibrations mécaniques dues aux déformations du câble l'extrémité de laquelle il est suspendu. La description suivante se réfère au dessin annexé qui représente une coupe longitudinale d'un hydrophone selon l'invention, à titre d'exemple sans aucun caractère limitatif. La figure unique représente un boîtier I cylindrlque, par exemple un boîtier de révolution autour de l'axe x x'. Ce boltier est usiné dans un métal inoxydable, par exemple en titane. Il est rigide et indéformable. Il ne présente aucune gorge qui constituerait un point d'affaiblissement mécanique. Par exemple, le fond la du boîtier a une épaisseur constante de 5 mm > les parois latérales lb ont une épaisseur constante de 1,5 mm et le diamètre externe est de 28 mm. Ce boltier est ouvert à une extrémité. Ce boîtier contient un noyau sensible constitué .d'un empilement 2 d'éléments piézoélectriques alternant avec des électrodes constituées par des feuilles d'argent. Cet empilement est constitué, par exemple, deplaquettes de phosphate d'ammonium (A.D.P.) qui sont séparées de la paroi lb par un espace 2a rempli d'air à la pression atmosphérique. Ces pl2quet- tes sont collées sur une contre-masse 3 usinée dans un bloc de métal. Les plaquettes sont également collées sur le fond la du boîtier. L'ensemble ainsi décrit forme un transducteur piézoélectrique dont le fond du boîtier la constitue le pavillon. La figure correspond au cas ou ce transducteur est utilisé comme récepteur sous l'eau. Le pavillon la est placé au contact de l'eau et reçoit les ondes acoustiques transmises par l'eau. L'ensemble du boîtier I vibre sans se déformer et transmet les ondes de pression aux éléments 2 qui les trans forment ensignaux électriques périodiques. La contre-masse 3 comporte deux gorges périphériques 3a, 3b dans lesquelles sont logés deux joints toriques 4a, 4b. Ces joints prennent appui sur les parois internes du boîtier 1 et assurent le maintien latéral de la contre-masse dans le boîtier tout en permettant des mouvements~relatifs longitudinaux entre la contre-masse et le boîtier. Un tampon élastique 5 est appliqué sur la face carrière de la contre-masse opposée au pavillon. Ce tampon sert à découpler acoustiquement la contre-masse de la partie arrière de lthydrophone. A l'arrière du tampon 5 est place un boîtier 6 en alliage d'aluminium fermé par un couvercle 6a. Ce boîtier contient un préamplificateur incorporé 7. à très faible bruit ayant un gain de l'ordre de 2 db et servant d'adaptateur d'impédance vis à vis du câble de transmission 8 qui est, par exemple, un câble blindé à trois conducteurs raccordé sur le préamplificateur par un connecteur 9. L'hydrophone selon l'invention est destiné à capter des ondes acoustiques sous l'eau. I1 est enveloppe, de façon étanche, par une gaine 10 déformable élastiquement, Cette gaine est ouverte à l'extrémité située du c6té du pavillon de telle sorte que la face externe du pavilon la est entièrement au contact de l'eau. Par contre, la face latérale lb du boîtier est recouverte entière- ment par la gaine 10. Sous I'action des forces élastiques, la gaine 10 s'applique fortement sur la paroi lb, de façon absolument étanche à l'eau, même sous de fortes pressions hydrostatiques pouvant atteindre 100 bars. Le boîtier 1, prenant appui sur les joints 4a du coté de son ouverture, résiste mécaniquement à des pressions pouvant également atteindre 100 bars. La gaine déformable 10 suit les vibrations longitudinales du boîtier sans les freiner et sans consommer une quantité d'énergie importante. La gaine 10 enveloppe également le tampon découpleur 5 et le boîtier 6 et enserre, de façon étanche, par l'autre extrémité, le câble 8. Le procédé de fabrication d'un hydrophone selon l'invention est simple et comporte les étapes suivantes : on usine le boîtier 1, la contremasse 3 et éventuellement le boîtier 6 contenant le préamplificateur; on colle le noyau piézoélectrique 2 sur la contre-masse et l'on introduit cet ensemble dans le boîtier 1 en le collant dans le fond de celui-ci puis l'on introduit dans la gaine 10 le boîtier 6 que l'on connecte sur le cale 8, le tampon découpleur 5 et le boîtier 1 contenant le noyau piézoélectrique et la contre-masse. La plupart des transducteurs piézoélectriques. connus comporte un assemblage par tirants filetés et écrous de l'ensemble vibrant formé par le pavillon, les éléments piézoélectriques et la contre-masse. Un tel assemblage par tirants est supprimé et remplacé par des collages et un emboîtement de la contre-masse dans le boîtier formant pavillon ce qui simplifie le montage. A titre d'exemple non limitatif, un hydrophone selon l'invention ayant un diamètre externe de 32 mm, une longueur totale de 161 mm et un poids dans l'air de 820 grammes, ayant une bande principale comprise entre 50 HZ et 12 KHZet utilisable jusqu'à 20 KHZ présente une sensibilité exprimée en volts/microbar de - 87 + 2 db à 3 KHZ et supérieure à - 86 db dans la bande comprise entre 12 KHZ et 20 KHZ, ces sensibilités étant exprimées au niveau de l'élément piézoélectrique sans tenir compte du gain de 2 décibels apporté par le pré amplificateur 7. I1 est omnidirectionnel en gisement à 1 1,5 db dans la bande principale de fréquence et omnidirectionnel en site à #2 db jusqu'à 10 KHZ. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art à l'hydrophone qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1 - Produit nouveau constitué par un transducteur électroacoustique destiné à fonctionner sous l'eau et composé d'un empilement d'éléments piézoélectriques et d'électrodes intercalaires placé entre un pavillon et une contre-masse, caractérisé en ce que ledit empilement et ladite contre-masse sont placés à l'intérieur d'un boîtier cylindrique rigide et indéformable, ouvert à une ext-rémité et dont le fond constitue le pavillon ; les parois et le fond dudit bottier ayant une épaisseur sensiblement constante. 2 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-masse comporte au moins une gorge périphérique dans laquelle est logé un joint torrique la séparant de la paroi interne dudit bottier. 3 - Transducteur selon l'2une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit bottier cylindrique est enveloppé de façon étanche à l'eau par une gaine déformable élastiquement, ouverte à l'extrémité située du côté du pavillon, laquelle gaine enserre de façon étanche, par l'autre extrémité, le câble dans lequel passent les conducteurs électriques aboutissant auxdites électrodes. 4 - Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, à l'intérieur de ladite gaine, un tampon élastique sur lequel prend appui la face de la contre-masse opposée audit pavil lon. -5 - Procédé de fabrication d'un transducteur électroacoustique selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que l'on usine un boîtier cylindrique dans un bloc de métal ; on colle dans le fond dudit. boîtier un empilement d'éléments piézoélectriques alternant avec des électrodes, lequel empilement est fixé sur une contre-masse qui est emboîtée dans ledit bottier contre les parois internes duquel elle prend appui par au moins un joint torrique ; on dispose sur la contre-masse un tampon élastique et on enfile ledit boîtier surmonté dudit tampon élastique dans une gaine déformable qui enveloppe l'extrémité dudit câble électrique de liaison.