Brevet FR2290813A1 — publié le 19760604

la présente invention est relative aux transducteurs électroacoustiques résistant aux pressions élevées. Elle concerne, plus particulièrement des transducteurs d'émission et/ou de réception utilisés en milieu fluide et destinés à fonctionner à immersion profonde, pour lesquels la pression hydrostatique rend délicat le découplage acoustique de la partie active du transducteur par rapport à son boitier. Il est connu dans. l'art antérieur de remplir d'un liquide permettant d'équilibrer la pression-hydrostatique, le boîtier du transducteur électroacoustique. Une telle réalisation présente l'inconvénient majeur de provoquer un couplage acoustique entre la partie active du transducteur et l'enveloppe ou boitier le contenant. .Grâce à cette solution, il est possible de faire fonctionner en équipression, à immersion profonde, des transducteurs de type courant, mais le couplage sus-mentionné altère défavorablement le rendement du transducteur. Un objet de la présente invention est d'éviter les inconvénients sus-mentionés et d'offrir des réalisations des transducteurs électroacoustiqués présentant d'excellentes performances lors du fonctionnement à immersion profonde sous des pressions importantes. Brièvement dit, conformément à l'invention, un transducteur électroacoustique résistant aux pressions élevées avec un bon rendement acoustique dans les différents modes de vibration est principalement caractérisé en ce que dans ce transducteur le découplage acoustique entre l'une des surfaces de sa partie- active et de celle de son boîtier est réalisé par un moyen de découplage combinant à la géométrie donnée à l'intérieur de ce bottier les caractéristiques du liquide de remplissage choisi, cette combinaison se traduisant par un filtrage acoustique aux propriétés prédéterminées acoustiques et géométriques de "espace fluide" en contact avec la partie active du transducteur. Selon l'une des caractéristiques de la présente invention, un transducteur électroacoustique résistant aux pressions élevées dans lequel un fluide de compensation de pression externe communiquant avec une cavité d'expansion, remplit un espace délimité par une surface du matériau. vibrant sous l'effet piézoélectrique du transducteur et par une surface d'une enveloppe formant.boîtier, est principalement caractérisé en ce que des moyens de découplage acoustique de la zone d'accès du flux d'énergie acoustique traversant ledit matériau sont prévus localisés dans ledit espace et comportent ledit fluide ayant une vitesse de propagation du son prédéterminée inférieure à celle dudit matériau et une surface dudit boîtier ayant un profil choisi de dimensions prédéterminées en contact avec le fluide dont la vibration forcée à une fréquence d'excitation donnée présente audit accès une intensité sonore minimale-. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures qui représentent : - la figure 1, une vue en coupe du transducteur électroacoustique avec des moyens. de mise en équipression réalisé suivant l'art antérieur, - la figure 2, un diagramme explicatif relatif à l'invention, - la figure 3, une vue en coupe-d'un transducteur suivant l'invention, - la figure 4, un autre diagramme explicatif, - la figure 5, une vue en coupe d'une autre réalisation du-transducteur suivant l'invention, - la figure 6, une vue en coupe d'un transducteur suivant encore une autre--réalisation de l'invention. Considérons une réalisation connue dtun transducteur électro-acoustique axial à fluide d'équipression comme représenté sur la figure 1 selon une vue en coupe passant par l'axe du transducteur, supposé cylindrique de révolution et muni de ses connexions électriques. Ce transducteur à-structure du type sandwich, comporte une face parlante formée par la masse avant 3, un empilazent de pastilles piézoélectriques céramiques 4, et une contre-masse 5 ; --------------- des joints toriques 2, 8, sont disposés entre une enveloppe 1 formant boitier et respectivement la face parlante 3 et la contremasse 5. Un liquide 7 remplit entièrement la cavité délimitée par les deux joints toriques, l'enveloppe et les céramiques constituant la partie active ou moteur du transducteur, ce liquide communiquant avec le vase d'expansion 6 par un conduit capilaire 9. Be fluide de remplissage 7 est caractérisé par une vitesse de propagation c1 de l'onde acoustique, tandis que la céramique 4 est caractérisée par une vitesse de propagation acoustique c. Be fonctionnement correct du transducteur électroacoustique en ondes harmoniques stationnaires longitudinales nécessite que le déphasage entre le déplacement mécanique de la face parlante et celui de la contre-masse varie entre ir/6 et ,t/3 suivant la puissance que l'on désire transmettre.Le montage représenté sur la figure 1 est supposé tel que le déphasage acoustique global entre le fond de la cavité contenant le fluide et sa partie voisine de la face parlante du transducteur est de s/2 ; fonctionnant en quart d'onde k1/4 avec k1 = C1 et en appelant L la hauteur de l'empilement de céramique fmax égale par ailleurs à la hauteur de fluide dans la cavité,on en déduit que L Al - c1 où où fmax désigne la fréquence maximum 4 4 fmax d'utilisation du transducteur. Or le déphasage acoustique entre les deux extrémités de l'empilement de céramiques est donné par g CERAMIQUE = 2 it 1 L c en reportant L dans cette formule, il vient # CERAMIQUE = R c 2 c les liquides les plus "rapides" acoustiquement ne permettent pas de dépasser les valeurs de la vitesse de propagation de c1 de l'ordre de 1.500 m/s. Quant aux céramiques, leurs vitesses c sont de l'ordre de 3.000 m/s, ce qui conduit au mieux à # CORANIQUE MAX # sur 4 Cette valeur de déphasage est insuffisante pour de fortes puissances. Dans le transducteur suivant l'invention, on rend la cavité fluide de type dispersif, c'est-à-dire que son profil suivant l'axe longitudinal est choisi de manière que la vitesse de propagation c1 des ondes acoustiques dépende de la fréquence d'excitation du liquide imposée par la face parlante du transducteur. La figure 2 montre une telle caractéristique, du type relation où c10 représente la vitesse de propagation asymptotique pour une fréquence d'excitation f tendant vers l'infini, fc représente la fréquence de coupure caractérisant la cavité au-dessous de laquelle il n'y a plus de propagation possible d'ondes acoustiques dans la cavité, la vitesse de propagation de phase étant devenue "infinie" pour f = En dessous de cette fréquence, la cavité fluide se comporte comme une compliance-K, que l'on peut estimer par la relation : : dans laquelle t0 = masse volumique du fluide, c10 = vitesse de propagation asymptotique dans le fluide, V = volume de la cavité fluide, S = surface "de sortie" du flux d'énergie de la cavité intervenant seule, quelle que soit la forme de la cavité et difinissant la compliance de sortie. Par le biais de ce profil choisi, on réussit donc à augmenter artificiellement la valeur du rapport cj/c-, donc de déphasage autorisé dans l'empilement de céramique qui devient Une vue en coupe du transducteur mettant en oeuvre les caractéristiques discutées ci-dessus est représenté sur la FIG. 3, les mêmes éléments étant désignés par les mêmes indices de référence. On montre que l'équation régissant le fonctionnement du pavillon fluide 31, représente sur cette FIG. 3 et dont la génératrice satisfait une équation y (x) = 0 est de la forme oW y" est la dérivée seconde de y par rapport à x, à peu près égale au rayon de courbure R si y'~ O, f(s,y) est une fonction représentative de la pression dynamique du fluide en excitation harmonique-. k est le nombre d'ondes w/c1, rapport entre la pulsation w de l'excitation harmonique et la vitesse de propagation acoustique c1 du fluide. On pose U= y , si cette fonction U passe par un maximum Uo y le pavillon propage uniquement des ondes harmoniques de fréquences supérieures à Wc, tel que puisque K = w/c et que la condition d'harmonicité est k2 - U > O. Tout se passe alors comme si la vitesse de propagation des ondes est de forme. ce que l'on désirait obtenir. Des profils convenant pour atteindre le but recherché sont par exemple ltexponentielle,la chalnette, l'embouchure de trompette et d'autres profils ne satisfaisant pas obligatoirement une équation simple. L'impédance Zav ramenée sur la face parlante 3 du transducteur suivant que la fréquence d'excitation f est supérieure ou inférieure à la fréquence de coupure fc = wc peut s'estimer soit au moyen 2 de la formule (1) vue plus haut pour la compliance K de la cavité fluide, lorsque la fréquence de fonctionnement est inférieure à soit au moyen d'une fonction plus complexe lorsque l'on est en mode propagatif, c'est-à-4ire pour f La FIG. 4 permet de comparer l'évolution de l'impédance acoustique ramenée sur la face parlante d'un même transducteur pour une cavité cylindrique et pour une cavité de profil exponentiel. Sur cette figure la courbe 41 illustre, dans le cas d'une cavité cylindrique la fonction donnant l'impédance ramenée, qui peut être du type massique, M, ou compliant C, qui est symétrique par rapport au point de résonance k1/4, O;auvoislnage de cette résonance, la marge de fréquence df correspondant à une marge h de l'impédance ramenée reste localisée près de la fréquence correspondant à A1/4- Pour une cavité profilée - courbe 42 - la marge de fréquence df1 devient plus importante et localisée vers des fréquences plus élevées que dans le cas précédent. On pourra même approcher le point de fonctionnement tel que fmax corresponde à une longueur d'onde \ voisine de 2S, où L représente la hauteur de la cavité ou de la céramique. Dans le domaine de la fréquence d'excitation f inférieure à la fréquence de coupure fc , le pavillon fluide joue le rôle d'une compliance quasi pure, peu sensible aux variations de l'impédance arrière Zar de son embouchure repérée par 31 sur la FIG. 3. Dans le domaine f > fc, ce rôle se double de l'effet dispersif vu plus-haut, et autorise des fréquences de fonctionnement plus élevées compatibles avec un déphasage g CERAMIQuE réaliste, de l'ordre de s/3 par exemple. Be fluide utilisé dans la cavité de découplage doit présenter des caractéristiques répondant aux conditions suivantes - impédance acoustique pcî faible, - mais vitesse cl restant assez élevée. Des liquides de "basse impédance" assurent en effet une bonne compliance de la cavité fluide ; une valeur assez élevée de cl permet le fonctionnement du transducteur aux fréquences élevées, puisque un fonctionnement correct requiert un rapport c1/c qui ne soit pas trop faible, comme il a été vu précédemment. 'les caractéristiques exposées précédemment dans le cas d'un transducteur composite rayonnant axialement, s'appliquent aussi au cas d'un transducteur radial tel que représenté sur la figure 5. Cette figure montre une coupe longitudinale d'un tel transducteur contenant l'axe de révolution du transducteur de forme cylindrique. La céramique 51 est disposée entre deux flasques 52 et 53 maintenant une pièce profilée 54 de révolution; cette céramique est de type cylindrique annulaire et vibre en mode radial comme l'indiquent les deux flèches 50 de la figure 5. Entre la pièce profilée 54 et la céramique 51 est ménagé une cavité dont le volume est rempli par un fluide 55 tel que la coopération du profil particulier de la pièce 54 et des propriétés acoustiques du fluide permettent un découplage acoustique efficace de la céramique pendant le fonctionnement du transducteur par rappol- à l'ensemble de sson boitier.Comme lors de l'exposé précédent, l'ensemble des profils satisfaisant aux conditions de découplage mécanique correct fait intervenir une équation analogue à celle vue plus haut,(3) page 5, mais dans laquelle V" la fonction U est égale à v , où V représente -le volume cylindrique "sous-tendu" par la cavité profilée depuis l'axe de révolution Oy jusqu'à l'abaisse radiale x. On en déduit de même que pour tout profil correspondant à une fonction U = V" passant par un maximum, le pavillon cylindrique V délimité par ce profil ne fonctionnera en ondes harmoniques que pour des fréquences correspondant à une pulsation w telle que w > c4. On a donc un moyen de "réglage" du fonctionnement du transducteur radial dans un domaine purement compliant, plus intéressant ici que le domaine dispersif, puisque l'on cherche à obtenir une impédance ramenée sur la céramique torique la plus- faible possible et relati- vement indépendante de la bande de fréquence de fonctionnement ne perturbant pas la fréquence de résonance de la céramique. Si l'on considère en particulier le cas d'une cavité cylindrique non profilée à flasques plans illustrée sur la FIG. 6, il est possible d'obtenir des performances meilleuresque celles que l'on peut attendre d'une cavité profilée, exponentiellement par exemple, à condition de respecter cértainoe relations entre les dimensions et les caractéristiques physiques des matériaux constituant le transducteur. Dans ce qui suit, la cavité cylindrique sera définie par ses rayons interne R1 et externe R2, sa surface de "sortie" S2 au sens d'un flux d'énergie acoustique, par son impédance de sortie Z2, sa hauteur h, la vitesse de propagation -acoustique cl du fluide de remplissage ; w désignera la pulsation de fonctionnement en excitation harmonique, r désigne la masse volumique du fluide de remplissage. En basse fréquence où l'on recherche la meilleure compliance possible, on peut écrire que avec un déphasage Cette expression peut se transformer en multipliant haut et bas par 2nh 22 Le numérateur est égal à - j #c21 s2. Le dénominateur est assimilable à w Vo où V0 est le volume de la cavité cylindrique torique (2sh. R.R1). On trouve donc que Z2 i 3r 1 suivant BF jw x compliance de cavité une formule (1) vue précédemment, page 4. Si l'on étudie la valeur tf/f = ##/# correspondant à une bande de fréquence relative d'utilisation d'un transducteur à cavité cylindrique non profilée, en fonction d'une marge ss Z2 d'impédance ramenée sur la céramique torique et prédéterminée autour de O, on obtient le tableau suivant explicitant le rapport R2/R1 des rayons externe et interne de la cavité fluide, le déphasage moyen #m correspondant à la marge d'impédance ramenée définie ci-dessus et la bande relative de fréquence utile. Rapport des rayons Ecart relatif de la de la cavité cylin- Déphasage moyen à fréquence dlexcita- drique la résonance tion ou dir-déphasage R2/R1 #m hf/f =- ##/#m 1,5 307 0,815 1,75 247 0,785 2,0 220 0,765 2,5 195 0,685 3,0 185 0,645 Ces résultats sont sensiblement meilleurs que ceux que l'on peut obtenir avec une cavité cylindrique profilée exponentiellement. Pour des valeurs de R2/R1 supérieures à 1,5, l'impédance ramenée sur la céramique to-rique varie peu dans le domaine d'utilisation considéré. La valeur de #m est reliée au transducteur torique associé à la cavité. On a en effet la relation R2 = rayon externe de la cavité C1 = vitesse de propagation acoustique dans le liquide fO = fréquence de fonctionnement et de plus, pour la céramique, existe la relation approximative - 27rwR2 D v - v = vitesse de propagation acoustique dans la céramique, donc gm > v C1 L'ensemble R2/R4- et v, imposera donc c1,et la réalisation d'un transducteur optimum, quant à la compliance de la cavité de découplage, fera intervenir une relation entre R1, R2, v et c1 satisfaisant aux conditions qui viennent d'être exposées. Pour résumer l'essence de l'invention et pour grouper ses différents aspects, on remarquera notamment les modes de vibration du transducteur électroacoustique - Mode Axial : - fonctionnement en mode dispersif pour obtenir des déphasages mécaniques importants entre les céramiques extrêmes de l'empillage, par profilage de cavité entourant la partie active. - Mode Radial : - fonctionnement en mode non dispersif pour obtenir la meilleure comptiance possible aux fréquences les plus élevées, en repoussant la fréquence limite de fonctionnement en mode dispersif, maximum de la fonction U, par profilage de cavité, - ou fonctinnement aux basses fréquences par cavité cylindrique non profilée présentant alors une meilleure compliance que dans le cas précédent, moyennant un ensemble de conditions reliant les dimensions et constantes physiques relatives aux matériaux constitutifs du transducteur. L'ensemble de ces diverses réalisations assurent un découplage mécanique de la partie active du transducteur de son enveloppe et ceci dans la plage de fréquence la plus étendue possible lors du fonctionnement sous des pressions importantes. Les transducteurs décrits ci-dessus sont munis d'un vase d'expansion permettant l'équilibragé des-pressions statiques internes et externes en stockage ou en fonctionnement. Cet élément apparait en 39, 59 et 69. Te vase d'expansion est relié par un conduit capillaire 9 aux chambres profitetes ou non des transducteurs sur les FIGES. 3, 5 et 6 Be transducteur composite réalisé selon l'invention est principalement applicable dans l'acoustique sous-marine à grande profondeur. hEVENDICATIONS 1. Transducteur électroacoustique résistant aux pressions élevées dans lequel un fluide de compensation de pression externe communiquant avec une cavité d'expansion, remplit un espace délimité par une surface du matériau vibrant sous l'effet piézoélectrique du transducteur et par une surface d'une enveloppe formant boîtier, caractérisé en ce que des moyens de découplage acoustique de la zone d'accès du flux d'énergie acoustique traversant ledit matériau (4) sont prévus localisés dans ledit espace (31) et comportent ledit fluide (7) ayant une vitesse de propagation du son (c1) prédéterminée inférieure à celle (c) dudit matériau et une surface dudit bottier ayant un profil de dimensions prédéterminées en contact avec le fluide dont la vibration forcée à une fréquence d'excitation (f) donnée présente audit accès une intensité sonore minimale. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce transducteur réalisé en type sandwich et fonctionnant en mode axial, comporte ledit espace (31) délimité par empilement des céramiques (4), une contre-masse (5), une face parlante (3) et le boîtier (1), cet espace est en forme d'un pavillon et rempli d'un fluide dans lequel ladite vibration forcée se propage de manière dispersive. 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme donnée audit espace a un profil exponentiel. 4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace rempli de fluide présente un profil de chaînette. 5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace rempli de fluide présente un profil de trompette. 6. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la propagation des ondes harmoniques de fréquences supérieures à la pulsation de coupure de l'excitation est rendue dépendante du rayon de courbure (R) donné au profil du pavillon. 7. Transducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ce transducteur vibrant en mode radial (50) comporte une céramiw que torique (5t) serrée par des joints entre deux flasques (52, 53) réunis par une pièce profilée (54) et entre lesquels est ménagé ledit espace rempli de fluide (55) dans lequel la propagation sonore s'effectue de manière dispersive en raison du profil torique donné aux extrémités de ladite pièce (54) rendues solidaires desdits flasques et réunies entre elles par un noyau central plein. 8. Transducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dimensions de la pièce torique (54) sont déterminées de telle sorte que le transducteur fonctionne dans un domaine compliant. 9. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce transducteur vibrant en mode radial comporte un boîtier support de la céramique torique, dont la surface interne en contact avec le fluide délimite un cylindre circulaire à faces planes, le fluide de ce cylindre fonctionnant de manière compliante non dispersive. tO. Transducteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport des rayons externe sur interne est choisi au moins égal à 3/2 et que le déphasage acoustique moyen asns la céramique est compris entre It et 5n/3.