Brevet FR2476957A1 — publié le 19810828

La présente invention a pour objet un transducteur acous- tique comprenant un support creux et une pluralité de films polymères piézoélectriques métallisés fonctionnant en oscil- lateur. Les transducteurs acoustiques utilisant des éléments piézoélectriques comme oscillateur sont connus dans la litté- rature. Par exemple les brevets américains No 3.832.580 et 3.972.204 décrivent des transducteurs utilisant un seul film piézoélectrique, un article de Tamura et Ai présenté en 1978 à la conférence "Acoustical Society Meeting' à Honolulu décrit une paire de films piézoélectriques tendus à la surface infé- rieure et supérieure d'un-coussin de mousse polyuréthane. Un brevet américain No.3.832.580 décrit l'utilisation d'une pluralité d'éléments piézoélectriques suspendus dans diverses configurations. Pour une tension électrique donnée un transducteur à film piézoélectrique produit typiquement une amplitude sonore plus faible que celle produite, avec le même voltage, par d'autres types de transducteurs tels que les transducteurs électro- dynamiques. Cette sensibilité, en tension, plus faible, peut conduire à une amplification indésirable des sons faibles, pour certaines applications, telles que les récepteurs télé- phoniques, ou la tension d'utilisation est faible. D'autre part, les transducteurs à films piézoélectriques utilisés comme microphones ou transmetteurs produisent pour une pres- sion sonore donnée, une tension de sortie plus faible que d'autres types de transducteurs, tels que les condensateurs à électret. Des tensions de sortie si basses nécessitent l'uti- lisation d'amplificateurs de gains excessifs, et cela conduit à un rapport signal sur bruit assez faible. La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients en augmentant l'amplitude sonore sans l'utilisation d'un amplificateur. Le transducteur acoustique selon l'invention est caracté- risé par le fait que lesdits films sont montés à leurs périphé- _2_ ries sur le support creux de sorte que leurs périphéries soient séparées et qu'ils sont physiquement reliés au voisi- nage de leur centre à au moins un film adjacent. le transducteur ainsi obtenu est simple et d'un prix de revient très avantageux. Selon une variante conforme à l'invention le transducteur acoustique est conçu pour produire du son et les films sont électriquement connectés en parallèle avec- leurs polarités sélectionnées de telle façon que lesdits films se déplacent dans la même direction lorsqu'ils sont excités électriquement. Selon une autre variante conforme à la présente invention le transducteur est conçu pour convertir le son en un signal électrique et les films sont électriquement connectés en série avec leurs polarités sélectionnées de telle façon que le voltage de sortie de chacun desdits films s'ajoute lorsque lesdits films oscillent. Selon d'autres variantes conformes à l'invention deux au moins de films sont en forme de cône applati, un cône étant inversé par rapport-à l'autre et les deux films sont reliés physiquement aux sommets des cônes. Le dessin annexe représente -à titre d'exemple plusieurs exécutions de l'invention. La figure 1 est une coupe verticale partiellement cassée, d'un transducteur acoustique conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma électrique dudit transducteur. La figure 3 est un schéma électrique d'une variante conforme à l'invention dans laquelle il y a quatre couches piézoélectriques. La figure 4 est une coupe verticale d'un transducteur comportant quatre douches piézoélectriques. La figure 5 'est une coupe verticale d'un transducteur utilisant deux couches piézoélectriques, utilisé comme micro- phone, et la figuxe 6 est le schéma électrique correspondant. Les figures 7 et 8 sont les schémas en sections verti- cales de deux autres modèles de l'invention pour lesquels figurent deux modules ayant chacun deux couches piézoélec- -3- triques. Dans la figure-1 sont représentées la portion centrale 10 et la partie latérale 12 d'un casqué transducteur. Les films en forme de cônes applatis 14 et 16 sont reliés à leur centre par un point de colle epoxy 18 et montés à leur périphérie sur un support cylindrique 20 entre des anneaux 22 et 24, 24 et 26 respectivement. Les films 14 et 16 sont constitués de couches 28 en polyfluore de vinylidene polarise, de 9 microns d'épais- seur qui sont métallisées sur toutes leurs surfaces par une couche 30 d'or d'une épaisseur de 200A. La métallisation s'arrête termine à une petite distance des bords du film. Les films sont polarisés pour obtenir un fort coefficient piézoélectrique dans les deux directions (X et Y) de la sur- face du film (communément notés d31 et-d32) de telle sorte que les films se déforment symétriquement ce qui améliore effica- cement le résultat. Les vecteurs de polarisation 43 des films 14 et 16 sont alignés perpendiculairement aux surfaces des films, et les films sont montés de telle sorte que les deux vecteurs sont dirigés dans la même direction. Les films ont 5 cm de diamètre et leurs bords 32, 34 sont séparés de 0,5 millimètre. Le demi angle au sommet du cône pour chaque film est d'environ 1,55 radians. Ce système de diaphragme a une résonance naturelle à la fréquence approximative de 3000 Hz. Nous nous référons maintenant à la figure 2, le casque transducteur décrit précédemment est indiqué généralement par 36 et est alimenté par un générateur alternatif 38. La borne est reliée à la face supérieure du film 14 et la face inférieure du film 16 par les deux anneaux 22, 26 respecti- vement, la borne 42 est reliée à la surface inférieure du film 14 et la face supérieure du film 16 par l'anneau 24. Avec ce système de connexions, la polarité de la tension appliquée au film 14 est l'opposée de celle appliquée au film 16, c'est-à-dire que les charges sur les surfaces des films 14, 16 allant de la face supérieure du film 14 à la surface inférieure du film 16, alternent entre ±-+ et - ++ . La tension de polarité opposée appliquée à des films polarisés de _ 4_ façon similaire permet à l'un des films de se contracter tandis que l'autre se dilate, de telle façon que les deux films se déplacent dans la même direction. A la figure 3 est représenté le schéma électrique d'un transducteur comportant quatre couches de films piézoélec- triques, les couches supérieures 14, 45 et les couches infé- rieures 16,44 qui sont reliées électriquement de telle sorte qu'elles se déplacent à l'unisson. A la figure 4 est représenté l'assemblage mécanique des films correspondants à la figure 3 et les vecteurs de polarisa- tion 43. A la figure 5 est représenté en coupe la partie centrale d'un transducteur utilisé comme microphone. La construction est identique à celle de la figure 1 excepté que les vecteurs de polarisation 43 sont de direction opposée pour chaque film 46, 47. En vibration, le voltage généré par les deux films s'ajoute en série. A la figure 6 est représenté le montage électrique en série des films 46 et 47. Pour un niveau de pression sonore donné, la tension de sortie du microphone comportant deux films est pratiquement double de celle d'un microphone compor- tant un seul film. Les figures 7 et 8 représentent les schémas de deux autres transducteurs comportant chacun deux modules, deux films piézoélectriques composant un module. Chaque module a la structure représentée aux figures 1 et 2, et les quatre films sont connectés en parallèle. A la figure 7 la sortie acoustique est dirigée plus tôt radialement autour de l'ouver- ture 58 que axialement comme c'est le cas dans les. figures 1 et 2. Comme il est suggéré par les flèches 60 dirigées en sens opposé, ces deux modules travaillent dans des directions opposées de sorte qu'ils compriment et dilatent alternati- vement le volume 62 compris entre eux. De façon similaire (fig.8) les deux modules travaillent dans des directions opposées. L'ouverture 64 est constituée dans le volume 66, entre les modules et l'enveloppe 68, avec une ouverture ex- centrée 70 afin de réaliser l'addition en phase des pressions générées par les deux modules. On peut également combiner plus de deux modules conformément aux figures 7 et 8. Le fonctionnement des casques est bien connu. En utili- sant une paire- de préférence deux paires de films piézoélec- triques reliés électriquement en parallèle, les vibrations du film, et par suite le son produit, est accru,- pour la même tension électrique appliquée. Une telle structure produit donc plus de décibels par volt qu'une structure utilisant une seule couche. Pour la structure à quatre films de la figure 3 un accroissement de plus de 5 décibels est obtenu par rapport à une structure ne comportant qu'un seul film. Le fait de relier physiquement les films en leur centre, permet de donner à des films très minces, d'une épaisseur de 5 à 30 microns, une forme conique très applatie, par exemple avec un demi angle au sommet supérieur à 1,20 radians et de préférence supérieur à 1,50 radians et d'utiliser une faible tension L'utilisation de films minces, de formes coniques applaties et d'une faible tension est important, car cela réduit la dureté du film, et de ce fait augmente sa déflexion et par conséquent le son généré par une tension donnée. Le fait d'arranger les films par paire de cônes applatis inversés l'un par rapport à l'autre et reliés en leur centre présente l'avantage supplémentaire de limiter l'intensité maximal du son parce que ni l'un ni l'autre c8ne ne peut anormalement passer au-delà de la forme plane et ainsi limiter la déflexion de films aux deux directions. Dans le fonctionnement des microphones à films piézoélec- triques, on sait que le niveau de sortie le plus élevé est obtenu avec la courbure la plus faible du diaphragme, un diaphragme plat ne pouvant être utilisé car il double la fréquence. En reliant deux films par leur centre on a un excellent moyen de maintenir une faible courbure de diaphragme pour des films très minces avec une faible tension (comme pour les casques). La connexion de deux films en série augmente le voltage de sortie. REVENDICATIONS 1. Transducteur acoustique comprenant un support creux et une pluralité de films polymères piézoélectriques métallisés fonctionnant en oscillateur, caractérisé par le fait que lesdits films (14,16> sont montés à leurs périphéries sur le support creux (20) de sorte que leurs périphéries soient séparées et qu'ils sont physiquement reliés au voisinage de leur centre à au moins un film adjacent. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est conçu pour produire du son et que lesdits films sont électriquement connectés en parallèle avec leurs polarités sélectionnées de telle façon que lesdits films se déplacent dans la même direction lorsqu'ils sont excités élec- triquement. 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est conçu pour convertir le son en un signal électrique et que lesdits films sont électriquement connectés en série avec -leurs polarités sélectionnées de telle façon que le voltage de sortie de chacun desdits films s'ajoute lorsque lesdits films oscillent. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que lesdits films sont physiquement reliés ensemble, au voisinage de leur centre par un point d'époxy adhésive. 5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que deux desdits films ont la forme de cône applati, un cône étant inversé par rapport à l'autre et que les deux dits films sont physiquement reliés aux sommets des cônes. 6. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que chacun desdits films piézoélectriques est composé d'une couche intérieure de polyfluorure de vinylidène polarisé et métallisé sur les deux faces par de l'or. 7. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre desdits films est pair, de préférence quatre, et que les films adjacents sont physiquement reliés au voisinage de leurs centres. 8. Transducteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits films ont la forme de cônes applatis. 9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications ou 8, caractérisé par le fait que le demi angle au sommet desdits cônes est supérieur à 1,20 radian, de préférence à 1,50 radian. 10. Transducteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 5 ou 8, caractérisé par le fait que l'épaisseur totale de chacun desdits films est de 5 à 30 microns. 11. Transducteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 5 ou 8, caractérisé par le fait que la fréquence de résonance naturelle dudit transducteur est ajustée au dessous de 6000 Hz. 12. Transducteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la fréquence de résonance naturelle dudit transducteur est ajustée entre 2000 et 5000 Hz. 13. Transducteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 5 ou 8, caractérisé par le fait que ledit support creux a une forme intérieure cylindrique à laquelle ledit film est fixé par sa périphérie, et ladite forme intérieure cylin- drique a un diamètre compris entre 30 et 60 mm.