Brevet FR2500635A1 — publié le 19820827

La présente invention concerne des dispositifs acoustiques sous-marins et des ensembles acoustiques formés avec de tels dispositifs. L'invention se rapporte plus particulièrement, bien que non exclusivement, à des dispositifs acoustiques, et à des ensembles de tels dispositifs, qui sont, en service, suspendus dans l'eau à une bouée ou un autre équipement de flottation. Des dispositifs acoustiques ou des transducteurs de sons sous-marins de types connus utilisent soit un barreau de matière piézoélectrique, soit un élément céramique ferro-électrique, soit une bobine mobile comme élément actif. Plusieurs transducteurs de types connus ont été décrits dans le Rapport NRL 7735 du " US Naval Research Laboratory ", intitulé " Twenty Years of Underwater Electro- acoustic Standards " et daté du 21 Février 1974. En outre, de nombreux transducteurs connus destinés à un fonctionnement sous-marin ont tendance à être encombrants et à nécessiter des courants d'alimentation excessivement élevés et en outre ils ne conviennent pas pour être utilisés comme des éléments d'un ensemble à transducteur multiple. Coeformément à la présente invention, un disposi- tif acoustique sous-marin comprend une structure tubulaire allongée qui est pourvue d'une pluralité d'éléments transducteurs tubulaires qui sont espacés l'un de l'autre le long d'un axe commun, chacun desdits éléments transduc- teurs comprenant un tube, ou une partie d'un tube, qui est composé d'une matière piézoélectrique, ainsi que des bornes électriques qui entrent en contact avec des surfaces incurvées intérieure et extérieure de chaque élément tubulaire. La structure peut comporter des tubes d'espace- ment qui sont placés sur l'axe commun, des éléments transducteurs adjacents étant séparés par un desdits tubes d'espacement. En variante, la structure peut comprendre un seul tube de matière piézoélectrique, les bornes étant disposées de manière à entrer en contact avec des parties espacées longitudinalement du tube, lesdites parties comprenant les éléments transducteurs. Chaque élément transducteur peut porter un organe porteur interne qui est placé à l'intérieur du tube afin d'empêcher son aplatissement lorsqu'il est immergé dans l'eau. Les éléments sont de préférence mis en pression avec un gaz. La matière piézoélectrique précitée est de préférence du fluorure de polyvinylidène. Le dispositif peut en outre comporter un câble qui est fixé à une extrémité de la structure tubulaire pour permettre la suspension ou le remorquage de la structure dans l'eau. Conformément à un autre aspect de l'invention, un ensemble acoustique sous-marin comprend une pluralité desdites structures tubulaires allongées et des supports pour maintenir les structures tubulaires de façon que leurs axes longitudinaux soient parallèles pour former une cage cylindrique. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue latérale schématique d'un dispositif acoustique conforme à la présente invention, la fig. 2 est une vue latérale en coupe partielle du dispo- sitif de la fig. 1, la fig. 3 est une vue latérale en coupe partielle d'une partie d'un autre dispositif acoustique conforme à la présente invention, la fig. 4 est une vue latérale d'un ensemble acoustique conforme à la présente invention, la fig. 5 est une vue en plan de l'ensemble de la fig. 4. Le dispositif représenté sur la fig. 1 comprend une bouée 1 sur le côté de laquelle est montée une antenne 2 qui est reliée à un émetteur-récepteur radio ( non repré- senté) qui est logé à l'intérieur de la bouée, le disposi- tif comprenant en outre un ensemble tubulaire allongé 4 qui se compose de trois transducteurs acoustiques empilés a, 5b, 5c, suspendus par un câble 3 à la bouée 1. Le câble 3 comporte des fils qui relient chacun des transduc- teurs acoustiques 5a à 5c à l'émetteur-récepteur placé dans la bouée 1. Les transducteurs acoustiques Sa, 5b, 5c sont répartis sur un axe commun alternativement avec des tubes d'espacement 6a à 6d. La fig. 2 représente des détails du transducteur a et des organes adjacents d'espacement 6a et 6b. Les transducteurs 5a à 5c comprennent chacun un tube 12 formé de fluorure de polyvinylidène, ayant une épaisseur de paroi de 0,45 mm et un diamètre extérieur de 2 cm. Le tube 12 est supporté par un gabarit 10 formé de polytetrafluor- éthylène, ayant dans l'ensemble une configuration tubulaire et comportant cinq nervures 14a à 14e s'étendant circon- férentiellement et venant buter contre la surface inté- rieure du tube 12 en délimitant des chambres annulaires 13a à 13d remplies d'air. Le gabarit 10 empêche l'aplatis- sement du tube 12 lorsqu'il est immergé à des profondeurs importantes sans altération des performances du tube comme hydrophone. Le tube 12 est rempli d'air de manière que des pressions externes créent de fortes contraintes circon- férentielles dans le tube de manière à produire à la sortie un signal piézoélectrique élevé par comparaison à par exemple un tube rempli d'eau et ayant la même structure. Les entretoises 6a à 6d comprennent chacune un tube rigide 11 formé de méthacrylate de méthyle, qui pénètre par chaque extrémité dans une partie extrême d'un tube adjacent 12 avec lequel il est relié. Le fluorure de polyvinylidène est un polymère disponible dans le commerce qui est utilisé dans une diversité d'applications, en particulier dans l'industrie chimique, o sa très grande inertie à des attaques chimiques est avantageuse. Des propriétés piézoélectriques et pyro- électriques peuvent être créées dans le fluorure de poly- vinylidène en soumettant par exemple une tige ou un tube formé de ce matériau à un allongement et en polarisant électriquement cette tige ou tube allongé. Le tableau ci-dessous donne des propriétés typiques du fluorure de polyvinylidène piézoélectrique et d'une matière céramique piézoélectrique classique. TABLEAU 4 Propriétés Fluorure de Céramique U _ polyvinyli- piézoélec- nités dènerique Constante diélectri- que relative 13 1300 Constante de contrain- te piézoélectrique 200 11,1 10 Vm/N Constante de déforma- -12 tion piézoélectrique 23 123 10 M/V Densité 1,8 7,5 10 kg/m3 Module de Young 3, 03 83 N/m2 Les tubes 12 sont polarisés lorsqu'ils sont allongés dans la direction longitudinale. Chacun des tubes 12 est pourvu de contacts électriques comprenant un ressort 17 en cuivre au beryllium qui entre en contact élastique avec la surface intérieure incurvée du tube 12, et une couche 7 d'une peinture élec- triquement conductrice qui s'étend le long des surfaces extérieures des transducteurs 5 assemblés avec les entre- toises 6 de façon à former une ligne commune de transmis- sion de signaux électriques. Le contact électrique 17 est relié par un fil 16, qui s'étend le long du volume intérieur de l'ensemble, jusqu'à une boite à bornes ( non représentée) à laquelle les fils du câble 3 sont reliés. Les autres transducteurs 5b et 5c comprennent chacun des contacts à ressort et un fil de connexion correspondant au contact 17 et au fil 16 et ils sont reliés à la boite à bornes du câble. Les volumes intérieurs des tubes 11 et 12 sont remplis d'une résine époxy 15. Des matériaux dont l'ensemble 4 est constitué ont été sélectionnés de façon à donner à cet ensemble les mêmes caractéristiques de transmission de sons que l'eau. En fonctionnement, lorsque le dispositif acoustique représenté sur les fig. 1 et 2 est immergé dans l'eau et est utilisé dans le mode passif, c'est-à-dire comme un hydrophone récepteur, le transducteur produit un signal piézoélectrique destiné à être transmis par l'inter- médiaire du câble 3 à partir de l'émetteur-récepteur placé dans la bouée 1. En faisant varier les longueurs des tubes de transducteurs 12 et les longueurs des tubes d'espace- ment 6, on peut modifier la réponse du dispositif à un son provenant d'une direction particulière par rapport à l'ensemble 4 et on peut améliorer le rapport signal/bruit. La fig. 3 représente une partie d'un autre dispo- sitif acoustique qui comprend un ensemble transducteur tubulaire 25 d'une construction plus simple que celle décrite ci-dessus. L'ensemble 25 comprend un seul tube 20, formé de fluorure de polyvinylidène et dont trois transduc- teurs acoustiques font partie intégrante. Un des transduc- teurs a été représenté en détail sur la fig. 3. Une couche de peinture de haute conductivité 23 s'étend sur la surface extérieure incurvée d'une partie centrale, A, du tube 20 représenté sur la fig. 3 et une couche semblable de peinture ( non représentée) s'étend sur la surface intérieure de la partie centrale A, du tube 20, de façon à former un trans- ducteur acoustique comportant des contacts constitués par des couches de peinture. Le transducteur comporte un gabarit tubulaire nervuré 26, formé de polytetrafluoréthylène et qui est semblable à celui indiqué sur la fig. 2. Les deux transducteurs restants ( non représentés) sont semblables au transducteur représenté sur la fig. 3. Des signaux élec- triques sont transmis vers et à partir des transducteurs par l'intermédiaire de lignes comprenant des bandes de peinture conductrice 22a et 22b qui s'étendent le long de la surface extérieure du tube 20 ainsi que des bandes correspondantes ( non représentées) qui s'étendent le long de la surface intérieure du tube 20, de façon que les trois transducteurs soient branchés en parallèle. Le volume intérieur du tube 20 est rempli de résine époxy 24. Le fonctionnement du dispositif, dont une partie est représentée sur la fig. 3, est conforme à ce qui a été décrit pour le mode précédent de réalisation représenté sur les fig. 1 et 2 mais la structure du dispositif de la fig. 3 est grandement simplifiée. Les gabarits 26 sont emmanchés dans le tube 20 en portant les contacts formés par les couches de peinture, ils sont placés dans les positions correspondant auxtransducteurs et la résine époxy 24 est coulée dans le tube pour former une structure rigide après son durcissement. L'ensemble acoustique représenté sur les fig. 4 et 5 comprend une série de six ensembles tubulaires iden- tiques 21a à 21f qui sont chacun semblables au dispositif représenté sur la fig. 3 et qui comprennent chacun trois transducteurs piézoélectriques. En se référant à l'ensemble 21c à titre d'exemple, on voit que cet ensemble comprend des couches extérieures de peinture électriquement conduc- trice 32 à 38, parmi lesquelles les couches 33, 35 et 37 s'étendent autour de leurs transducteurs respectifs tandis que les couches 32, 34, 36 et 38 forment des lignes de connexion électrique entre les transducteurs et une boîte à bornes ( non représentée) reliée à une ligne d'un câble 29. Des couches de peinture conductrice ( non représen- tées) ayant la même configuration que les couches exté- rieures sont prévues sur la surface intérieure du tube de l'ensemble 21c et sont reliées à une seconde ligne du câble 29 par l'intermédiaire de la boîte à bornes. Les ensembles tubulaires 21a à 21f sont disposés sous la forme d'un ensemble cylindrique entre des éléments porteurs supérieur 27 et inférieur 30 en forme de disque. Les extrémités de chacun des ensembles tubulaires 21a à 21f pénètrent dans et sontliées avec les éléments porteurs pour former une structure rigide. Les ensembles tubulaires sont répartis à intervalles égaux sur un cercle d'un diamètre égal appro- ximativement à la moitié de la longueur d'onde de la fréquence centrale acoustique de la bouée. Chaque ensemble tubulaire fournit une réponse uniforme en azimuth, avec une largeur verticale de faisceau d'environ 28 . Des faisceaux horizontaux sont formés par combinaison des signaux de sortie de manière à produire six faisceaux horizontaux ayant chacun une largeur d'environ 600. Des expériences faites avec des ensembles de tubes de fluorure de polyvinylidène, remplis d'air et d'une longueur de 30 cm sans entretoises ont montré que les effets de dispersion des tubes remplis d'air étaient tels qu'un tel ensemble n'était pas acoustiquement suffisamment transparent et que la capacité de formation de faisceau était réduite. En divisant les tubes de 30 cm de longueur en trois tronçons et en utilisant des entretoises rigides,- on a obtenu pour le tube une impédance acoustique se rapprochant de celle de l'eau de mer. REVENDICATIONS 1. Dispositif acoustique sous-marin comprenant une structure tubulaire allongée se composant d'une pluralité d'éléments transducteurs tubulaires espacés l'un de l'autre le long d'un axe commun, caractérisé en ce que chaque élément transducteur (5a, 5b, 5c) comprend un tube (12), ou une partie de-tube, composé d'une matière piézoélectrique ayant une grande constante de contrainte piézoélectrique et un faible module de Young, ainsi que des bornes électriques (7, 17) qui établissent un contact avec les surfaces incurvées intérieure et extérieure de chaque élément tubulaire. 2. Dispositif acoustique sous-marin selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la structure comprend des tubes ou tiges d'espacement (6a, 6b, 6c, 6d) qui sont placés sur l'axe commun et en ce que des éléments transduc- teurs adjacents sont séparés par un ou plusieurs desdits tubes ou tiges. 3. Dispositif acoustique sous-marin selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la structure comprend un seul tube (20) formé d'une matière piézoélectrique et en ce que les bornes de contact sont agencées de manière à établir un contact avec des parties longitudinalement espacées du tube, lesdites parties comprenant les éléments transducteurs. 4. Dispositif acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque élément transducteur (5a, 5b, 5c) supporte un élément porteur interne (10) placé à l'intérieur du tube de façon à empêcher un aplatissement de celui-ci quand il est immergé dans l'eau. 5. Dispositif acoustique sous-marin selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément porteur interne est constitué par un tube nervuré sur sa circonférence (26). 6. Dispositif acoustique sous-marin selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce les éléments transducteurs constituent une partie d'une enveloppe contenant un gaz et en ce que les éléments transducteurs sont mis en pression à l'aide d'un gaz. 7. Dispositif acoustique sous-marin selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce S la matière piézoélectrique est du fluorure de polyvinyli- dène. 8. Dispositif acoustique sous-marin selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un câble (3; 29) qui est fixé sur une extrémité de la structure de manière à permettre la suspension ou le remorquage de la structure dans l'eau. 9. Ensemble acoustique sous-marin, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ainsi que des moyens de support pour maintenir la structure tubulaire de chacun des dispositifs de façon que leurs axes longitudinaux soient parallèles pour former une cage cylindrique.