Brevet FR2411395A1 — publié le 19790706

La présente invention a pour objet,un dispositif permettant la mesure des ondes acoustiques se propageant dans des milieux fluides divers. Dans les dispositifs connus de ce genre,l'un des principes suivant est mis en oeuvre: L'effet piezorésistif permet de moduler un courant de polarisation à partir des pressions transmises au capteur par une membrane baignant dans le fluide.On peut également,selon une technique analogue,employer des jauges de contrainte. L'effet piezoélectrique,où la vibration est appliquée à un cristal ou à une céramique convenables. L'effet d'induction électromagnétique.' On peut soit déplacer une bobine dans un champ magnétique fixe,en la rendant solidaire d'une membrane,soit faire varier la réluctance d'un circuit magnétique,à partir des mouvements d'une membranesce qui permet d'induire un signal dans une bobine fixe. L'effet de pression élèctrostatique dans un condensateur.La membrane constitue l'une des électrodes et son mouvement génère un signal. les limitations de tous ces dispositifs,ont pour origine la nécessité de transmettre par la membrane,une force relativement importante au transducteur,ce qui lui impose un dimentionnement se traduisant par une inertie et une rigidité importantes.la bande passante s'en trouve ainsi réduite. Le dispositif selon l'invention,permet d'éviter ces inconwz nients.Dans celui-ci en effet,la membrane est extrèmement fine (de l'ordre au du),ce que rend possible la détection de son mouvement par un procédé optique.Sa légèreté lui permet d'être entrainée tri facilement par les couches de fluide adjacentes, sans qu'il y ait reflexion de l'onde sur sa surface.l)ans une large gamme de fréquences,le mouvement de la membrane peut ètre assimilé au mouvement des couches du fluide,d'oú une réponse très pure,linéaire et absente de déphasages.Utilisable pour les tnès hautes fréquences,en raison de l'absence d'inertie,le dispo sitif l'est également aux très basses(infra-sons),en raison de l'a bsence de résonnances. On sait en effet,dans un milieu connu,relier la pression aux déplacements des couches du fluide.Si U désigne le déplacement d'une couche de fluide,ctest à dire le déplacement de la membrane toute onde peut s'écrire sous forme d'une somme de termes sinusoidaux tels que: A partir de cette mesure,l'augmentation de pression #P est obtenue par la relation ci-dessous. où C,&gamma;,T,#,désignent réspectivement,la vitesse du son. le coefficient d'adiabaticité,la période et la ~ongaeur d'onde. Nous verrons que la différentiation #@/#t,peut etre obtenue par un circuit convenable.Nous disposons donc ainsi de la possibilité d'obtenir un signal représentatif de AP Le principe de l'invention sera de toute façon mieux compris à partir de la description d'une première réalisation,donnée ici à titre indicatif et nullement limitatif On pourra suivre les indications en se reportant à la figure I,P1 I-3 La membrane est en communication par ses deux faces avec le fluide;;elle est par les deux griller 7,à forte transparence.Elle est légèrement tendue sur le support 2.Une fibre(ou faisceau de fibres optiques)dont le diamètre est ajusté en fonction de la sensibilité souhaitée,arrive suivant llaxe ,à une distance # du centre O de la membrane I dans sa position au repos(absence d'on de).La figure 2 de tette meme planche représente en détail l'es- pace fibre-membrane,qui constitue l'essentiel du capteur de déplacement électro-optiq;iie,don le role est de détecter les mouvements de la mebrane.Pour améliorer le rendement optique,celle-ci peut avantageusement étre métallisée en regard de la fibre optique. Une source de lumière ponctuelle 4(ampoule à incandescence ou diode électroluminescente)est placée à l'un des foyers d'un miroir ellipsoïdal de révolution 5,tandis que l'autre foyer est situé à la distance &alpha; de l'extrémité de la fibre.la quantité de lumière renvoyée par la membrane dans la fibre optique 3 et ainsi transmise jusqu'au détecteur,est fonction de la distance qui sépare la fibre optique de la membrane.Sur la figureZ)la courbe Vs( & ,repré- sente cette variation dans le cas idéal d'une source ponctuelle. On observe une variation rapide entre #=0 et #=#1.La lumière reste ensuite constante entre #1 et #2 .Le flux lumineux décret à nouveau entre #2 et a .Les valeurs de #1 et #2,qui conditionnent la sensibilité du dispositif,sont fonction du rayon r de la fibre et de l'angle 9(,que font au maximum les rayons transmis dans celle-ci,avec l'axe.Elles valent dans le cas idéal cité:: Pour obtenir un signal symétrique,on positionnera la membrane au repos I1 faut noter que la sensibilité dépend du paramètre 6,dont la valeur est optimisée expérimentalement Le flux lumineux reçu par la fibre 3,est transmis jusqu'à un circuit de détection 6,dont on donne en figure 3,à titre purement indicatif et nullement limitatif,un exemple de réalisation. le circuit est alimenté par les deux piles PI et P2.PI,par l'intermédiaire de la résistance R2,polarise la photodiode D qui revoit la lumière de la fibre.Si on désigne le courant débité par celleci par I,on a, dans une certaine plage linéaire autour de la pos-ition de repos de la membrane I=A6.A étant fonction de la géométrie optique,de l'intensité de la source,de la transmission de la fibre,de l'efficacité de la diode. . etc.la tension appliquée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel T est égale a: Un-circuit de contre réaction RI,CI,permet,selon un schéma classique,un signal de sortie différentié.Pour éviter une distorsion de phase et rendre la différentiation indépendante de la fréquence,on respectera dans toute la bande passante,la condition: RI # I/ o t4) Sous cette condition,la tension de sortie Vs du- dispositif est égale à : Vs --RI CI R2 On sait par ailleurs que la pressiond# P,d'une onde sonore,peut être reliée au déplacement U des couches de fluide par la relation (2).Comm e la membrane est très légère,on peut identifier son déplacement à U.I1 en résulte que la tension de sortie Vs du dispositif est proportionnelle aÂP,-comme le montre la relation:: Vs =A.R1.R2.C1.C.#P/&gamma; (6) Le dispositif selon l'invention est donc bien un manomètre.Il présente l'avantage,d'une réponse linéaire,d'une très large bande passante et d'une sensibilité qui peut ètre ajustée en jouant sur les valeurs de a et de r Suivant une autre forme préférée de l'inventiondonnée à titre indicatif et nullement limitatif,la concentration de la lumière à l'extrémité de la fibre 3,s'effectue au moyen d'une lentille 8,en verre ou en plastique,percée axialement d'un trou destiné à laisser passer la fibre optique 3.Celle-ci transmet son signal lumineux jusqu'au boitier électronique 6,où il est détecté L'éclairage du dispositif est réalisé par la source de lumière 4 qui peut fonctionner dans le visible ou l'infra-rouge.la membrane I,placée à la distance e de la face avant de la fibre,est constituée d'un film plastique très mince(mylar,kapton etc.. métallisé.la réponse du dispositif satisfait donc a la relation (3). Pour illustrer la grande variété des combinaisons qui peuvent être réalisées selon l'invention, la membrane I,toujours protégée par la grille 7,est cette fois tendue sur le support 9,qui constitue une capsule manométrique.Son volume,limlté ou non par la lentille 8,est déterminé en fonction de la réponse souhaitée.lorsque la membrane ferme ainsi une capsule manométrique,son déplacement est proportionnel à la pression #P de tonde sonore. Il en résulte que la détection électronique na plusadifférentier le signal. Ce montage à capsule manométrique est intéressant pour la de- tection des ondes de très faibles fréquences.Une fuite calibrée IO,permet de s'affranchir des variations très lentes comme celles par exemple de la pression atmosphérique.(voir fig.4 et 5) Suivant une autre forme préférée de l'invention,l'onde est détectée de façon différentielle,au moyen de deux membranesparallèles II et 12,ainsi que représenté sur la figure 6.Le support cy lindrique I3,protégé à ses extrémités par les grilles 7,contient deux capteurs de déplacement électro-optiques analogues à ceux décrits plus haut,qui détectent les positions ae des deux membranes.les signaux correspondants sont différentiés par deux circuits analoguesà celui de la figure 3,dont les tensions de sor et et Vs,représentent,selon la formule(6),les pressions sur les meriranes à un instant donné.le signal détecté par la membrane la plus proche de la source,Vs' par exemple est retardé électro niquement d'une valeur égale au temps de transit mis par une onde sonore plane pour aller d'une membrane à l'autre suivant leur normale commune.On effectue ensuite une corrélation entre ces deux signaux de façon à ne retenir que leur partie commune.Ceci peut ètre réalisé de nombreuses façons.Nous décrirons ici à ti tre d'exemple nullement limitatif une méthode consistant à sous n traire du signal Vs retardé,le signal Vs correspondant à l'autre me-mbrane.le schéma de la figure 7 montre un exemple où l'un des amplificateurs opérationnel assure simultanément les fonctions de différentiation et d'invertion. Bette détection différentielle permet de privilégier la détection des ondes se propageant selon l'axe du dispositif,dans le sens convenable,ce qui lui confère une grande directivité Le dispositif selon l'invention peut être utilisé chaque fois où on cherche à mesurer des ondes acoustiques dans un milieu fluide.Il peut donc servir de microphone pour l'enregistre- ment des sons tels que,la parole,la musique etc... En dehors de la bande audible il peut être utilisable pour la mesure des infra-sons ou des ultra-sons.Il présente l'avantage de pouvoir être miniaturisé comme le montre une réalisation donnée en figure 5.I1 peut ètre utilisé également pour la mesure des ondes acoustiques se propagent dans des liquides. REVENDICATIONS lONDétecteur d'ondes acoustiques,sonores,infra-sonore ou ultra-sonores se propageant dans divers milieux fluides(air,gaz, liquides),caractérisé en ce que la dite onde sonore est détectée au moyen d'une membrane très mince,dont on mesure les déplacements par un procédé optique. 2 )Dispositif selon la revendication I,caraetérise en ce que la membrane est libre 3 )Dispositif selon la revendication I,caractérisé en ce que la membrane ferme une capsule manométrique. 40)Dispositif selon les revendications I et 2,caractérisé en ce que le signal issu du détecteur de déplacement de la membrane est différentié de sorte à ètre représentatif de la pression de l'onde acoustique. 50)ispositif selon les revendications I,2 et 4,carsetérisé en ce que l'on utilise deux membranes perpendiculaires å la direction de l'onde,dont les déplacemer.ts sont corrélés électronique ment 6 )Dispositif selon les revendications I et 3,caractérisé en ce que une fuite calibrée favorise la mesure des très basses fréquences,permettant d'équilibrer les fluctuations lentes de la pression atmosphérique. 70)Dispositif selon le revendications de I à 6,caractérisé en ce que le déplacement de la membrane est mesuré au moyen d'une ou plusieurs fibres optiques aont l'une des extrémité arrive perpendiculairement à proximité de la membrane,où elles se trouvent éclairées par une lumière convergente qui se réfléchit ou difuse sur la membrane. 80jDispositif selon les revendications de I à 7,caractérisé en ce que ladite lumière convergente est obtenue au moyen d'un miroir sphérique ou ellipsoidal,concentrant la lumière d!une lampe à incandescence ou d'une diode électroluminescente. 90)ispositif selon les revendications de I à 7,caractérisé en ce que la lumière est concentrée par une lentille percée axialement pour laisser passer la fibre. I0 )Dispositif selon les revendications 7,e et 9,caractérise en ce que la fibre est remplacée par une photodiode miniature,placée à proximité de la membrane.