Brevet FR2536622A1 — publié le 19840525

*P BOU HYDROPHONE DE VITESSE L'objet de la présente invention est un hydrophone directif, qui pour chaque direction d'ondes acoustiques incidentes fournit un courant électrique sensiblement proportionnel à la vitesse vibratoire de ces ondes et ceci dans une bande de fréquence pouvant aller de 10 Hz à 10 k Hz. Les hydrophones de vitesse sont utilisés comme transducteurs pour les antennes de sonars passifs ou des bouées acoustiques. Pour ces applications ils présentent l'avantage d'une sensibilité constante avec la fréquence. Il est connu de réaliser des capteurs de vitesse vibratoire par des lames piézoélectriques rigides, ces lames étant encastrées dans une masse sismique Etant donnée la valeur de la raideur d'une telle lame, on ne peut faire des mesures que pour des fréquences supérieures à 100 Hz. Le capteur de vitesse vibratoire, suivant l'invention, remédie à cet inconvénient en permettant des mesures pour des fréquences de l'ordre de 10 Hz. Brièvement, c'est un hydrophone de mesure de vitesse vibra- toire pour des fréquences supérieures à une valeur f min de l'ordre de Hz, comprenant un élément transducteur piézoélectrique lié mécaniquement à une masse inertielle caractérisé par le fait que la fréquence de résonance f Rde cet hydrophone est telle que f R moyens de mesure de courant, qui fournissent un signal propor- tionnel à cette vitesse vibratoire. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la des- cription qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, un bilame piézoélectrique; figure 2, un bilame encastré dans une masse inertielle; figure 3, le diagramme de directivité d'un hydrophone; figures 4, 5, 6, 7 et 8, des variantes de réalisation d'un hydrophone, suivant l'invention; figure 9, un hydrophone suivant l'invention, ayant un dia- gramme de directivité adapté. Le principe de l'hydrophone, capteur de vitesse vibratoire suivant l'invention est l'utilisation d'un bilame ou trilame piézoélec- trique très souple dont la déformation suit le mouvement vibratoire de l'eau et de mesurer le courant de sortie entre les électrodes du senseur Ce senseur est maintenu à un support constituant une masse inertielle Ms Si k est la raideur du senseur, les fréquences f pour lesquelles la déformation suit le mouvement vibratoire sont telles que: f > 21 XM 1 avec 1/M = 1/M + 1/Me o Me es't la masse d'eau entraînée Dans cette égalité on néglige la masse du senseur devant la masse d'eau entraînée Pour que la déformation suive le mouvement vibratoire il est, de plus, nécessaire que le support soit le moins mobile possible en présence d'un champ acoustique Pour cela il est dense et allongé dans la direction de l'axe sensible. Si la condition ( 1) n'est pas réalisée, le senseur ne se déforme pas ou peu et il apparaît un gradient de pression entre ses deux faces et l'hydrophone est un capteur de gradient de pression Donc, pour obtenir un hydrophone utilisable à des fréquences basses en capteur de vitesse, il faut que F soit faible et donc principalement k faible, la masse M ne pouvant pas être trop importante pour des raisons évidentes d'encombrement, d'o la nécessité d'une grande souplesse (ou compliance) du senseur Cependant la sensibilité étant proportionnelle au volume piézoélectrique, l'épaisseur du bilame ne doit pas être trop faible pour ne pas trop diminuer la sensibilité Le senseur utilisé dans Phydrophone proposé est à la fois souple et suffisamment épais. La structure préférée du senseur utilisé est représentée sur la figure l Le senseur comporte deux lamelles piézoélectriques 10 et Il séparées par une électrode centrale 12 et recouvertes par deux électrodes 13 et 14 constituant les deux faces extérieures. Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, on utilise deux feuilles de polyfluorure de vinylidène (PVF 2), qui est un polymère ferroélectrique D'autres polymères de synthèse connus ayant les propriétés piézoélectriques peuvent être utilisés On peut aussi utiliser un matériau composite constitué de grains de céra- mique piézoélectrique noyés dans un polymère. Le PVF 2 se présente comme un matériau mince, très souple, à faible densité ( 1,8) Son impédance acoustique est voisine de celle de l'eau et il est donc bien adapté à l'émission/réception d'ondes acoustiques dans l'eau De plus, son facteur de mérite, c'est-à-dire la puissance électrique convertie par effet piézoélectrique dans un volume unité sous une pression unité est comparable à celui des céramiques piézoélectriques du type titanozirconate de plomb (PZT) Le PVF 2 est connu pour ses utilisations en acoustique aérienne (microphones, écouteurs, haut- parleurs), o il se présente sous forme de membranes métallisées sur deux faces Toutefois dans ces applications les épaisseurs sont de quelques microns, typi- quement 10 à 20 um. Les lamelles 10 et Il sont en PVF 2 d'épaisseur de l'ordre de 500 pm à 1 mnm, pour procurer une sensibilité suffisante tout en gardant une raideur k faible L'électrode centrale 12 est par exemple en graphite pour permettre une bonne adhérence du PVF 2. Les électrodes 13 et 14 sont des couches minces métalliques. L'électrode centrale peut être une lamelle de métal ou d'isolant dont l'épaisseur est comparable à celle des deux lamelles piézoélectriques dans ce cas c'est une structure trilame. L'axe xx' est l'axe le long duquel le coefficient piézoélec- trique, qui mesure la densité de charge électrique pour une défor- mation donnée (en coulomb/m 2), est le plus grand Compte tenu également des techniques de fabrication employées, les vecteurs polarisation Pl et P 2 des deux films piézoélectriques 10 et 11 sont en sens opposés. Comme représenté figure 2, le senseur 20 décrit précédem- ment est encastré par une extrémité à une masse 21 en matériau dense, représentée de forme cubique, mais qui avantageusement est de forme profilée de manière à être entraînée le moins possible par le mouvement vibratoire On choisit pour cela des profils hydrodyna- miques, c'est-à-dire allongés suivant la direction du mouvement. L'encastrement est réalisé de manière à ce que la lame travaille en flexion suivant l'axe xx' En présence d'énergie acoustique le senseur présente un maximum de sensibilité suivant les directions perpen- diculaires aux faces principales 22 et 24, tandis qu'il y a-un minimum de sensibilité suivant les directions parallèles à ces faces On obtient un diagramme de directivité dont la forme en projection -sur le plan contenant xx' est -représentée schématiquement sur la figure 3. Les électrodes 22 et 24 du senseur sont connectées à un amplificateur du type amplificateur de courant 23, dont la tension en sortie est proportionnelle au courant i d'entrée: Les vecteurs de polarisation étant opposées, les deux lamelles Il et 12 constituent deux générateurs en série L'électrode 22 est donc reliée à l'entrée signal de l'amplificateur 23, tandis que l'électrode 24 est reliée à la masse de l'amplificateur. Si les polarisations sont de même sens l'électrode centrale 12 est reliée à la masse, les électrodes 22 et 24 étant alors connectées entre elles et reliées à l'entrée signal de l'amplificateur. Une première réalisation suivant l'invention, est représentée en coupe sur la figure 4. Le senseur 40 tel que décrit précédemment est fixé par ses deux extrémités à l'intérieur d'une masse rigide 41 de densité beaucoup plus grande que celle de l'eau Cette masse est formée autour d'un axe de symétrie 45 et sa section est soit rectangulaire ou carrée, soit circulaire Ses extrémités sont arrondies ou profilées pour diminuer la force d'entraînement en présence d'un champ acoustique La fixation du senseur 40 est par exemple obtenue au moyen de deux mâchoires 42 solidaires de la masse situées de part et d'autre de l'axe xx' assurant de bonnes conditions d'encastrement. Pour obtenir un maximum de sensibilité le senseur occupe avanta- geusement la totalité de la section délimitée par la masse. Les électrodes du senseur 40 sont connectées à un amplifi- cateur de courant 23 qui fournit une tension proportionnelle à la vitesse vibratoire Une membrane étanche très souple 44 peut être placée à chaque extrémité de la masse pour la fermer L'intérieur est alors rempli d'huile permettant une bonne isolation électrique et un équilibrage de flottabilité La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle les parois intérieures 52 de la masse sont profilées pour augmenter la sensibilité de l'hydrophone. La figure 6 représente une variante de cette réalisation dans laquelle est insérée au centre du senseur une pièce 70 composée d'un matériau léger non piézoélectrique; en particulier ce matériau peut être du PVF 2 non traité et donc neutre Le senseur peut être séparé en deux parties actives 71 et 72 reliées en parallèle à l'amplificateur de charge différentiel 43. Une autre réalisation est représentée en coupe sur la figure 7. Cette réalisation comporte un senseur 81 fixé sur une masse compacte de forme allongée en matériau dense 80 Le senseur est fixé à la masse par exemple au moyen de deux mâchoires comme décrit précédemment et ses électrodes sont connectées en parallèle à un amplificateur. La masse a une forme allongée, sa section étant ronde ou rectangulaire Sur la figure le senseur est placé au centre de la masse mais il peut être également placé près d'une extrémité. La figure 8 représente une variante de cette réalisation dans laquelle l'extrémité libre du senseur comporte une masselotte en alliage léger 83. Suivant une autre variante de l'invention, montrée par la figure 9, la directivité du dispositif peut être modifiée Les élec- trodes du senseur 81 sont reliées d'une part à un amplificateur différentiel 90 et d'autre part à un amplicateur sommation 91. L'électrode centrale du senseur est reliée à la masse Les polari- sations étant opposées l'amplificateur différentiel 90 fournit un signal proportionnel à la vitesse vibratoire et l'amplificateur de sommation 91 un signal proportionnel à la pression Les deux signaux ainsi obtenus sont pondérés par des résistances R 1 et R 2 et additionnés fournissant un signal S On obtient ainsi un diagramme en cardiolde résultant du diagramme "en huit", obtenu par la vitesse et du diagramme circulaire obtenu par la pression. Il faut noter que cette variante peut être appliquée à toutes les formes de réalisation décrites précédemment. Suivant un exemple de réalisation de l'invention, les lamelles de l'hydrophone forment un bilame et sont en PVF 2, qui est encastré par une extrémité dans une masse en tungstène Les dimensions du bilame sont les suivantes: épaisseur: 270 P m longueur: 36 mm largeur: 19 mm. La fréquence de résonance dans ces conditions est de 12 Hz. REVENDICATIONS 1 Hydrophone de mesure de vitesse vibratoire pour des fréquences supérieures à une valeur f min de l'ordre de 10 Hz, comprenant un élément transducteur piézoélectrique bilame ou trilame lié mécaniquement à une masse inertielle, caractérisé par le fait que la fréquence de résonance f R de cet hydrophone est telle que f R ducteur ( 20) sont reliées à des moyens de mesure ( 23) du courant de sortie des électrodes qui fournissent un courant proportionnel à cette vitesse vibratoire. 2 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux lamelles piézoélectriques ( 10, 11) formant le bilame ou le trilame de l'élément transducteur ( 20) sont réalisés en plastique piézoélectrique. 3 Hydrophone suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le plastique piézoélectrique est constitué de grains de céramiques noyés dans un polymère. 4 Hydrophone suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le plastique piézoélectrique est du polyfluore de vinylidène (PVF 2). Hydrophone suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les deux lamelles piézoélectriques ( 10, 11) formant le bilame ou le trilame sont polarisées en sens inverse. 6 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément transducteur a une structure trilame et que la lamelle centrale est réalisée en matériau isolant. 7 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément transducteur a une structure trilame et que la lamelle centrale est réalisée en matériau conducteur. 8 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la masse inertielle est réalisée dans un matériau ayant une densité très supérieure à celle de l'eau et que cette masse a un profil hydrodynamique. 9 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la masse inertielle a un axe de symétrie ( 45) et -que l'élément transducteur ( 40) est encastré à l'intérieur de cette masse et a la forme d'un disque. Hydrophone suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que la masse est fermée à ses deux extrémités par une membrane ( 44) et que l'enceinte ainsi formée contient un liquide. 11 Hydrophone suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que la masse -a ses extrémités arrondies ou profilées pour diminuer la force d'entraînement par le champ acoustique. 12 Hydrophone suivant la revendication 9, caractérisé par le- fait que l'élément transducteurs comporte en son centre une pièce ( 70) en matériau non-piézoélectrique - 13 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément transducteur ( 81) est encastré dans la masse inertielle par une extrémité. 14 Hydrophone suivant la revendication 13, caractérisé par le fait que l'élément transducteur encastré par une extrémité com- porte à l'autre extrémité une masselotte ( 83) en alliage léger. 15 Hydrophone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la directivité est en cardiolde, les deux électrodes de l'élément transducteur étant reliés à un amplificateur différentiel ( 90) et à un amplificateur sommateur ( 91) et que les signaux fournis par ces deux amplificateurs sont additionnés après pondération par des résistances (R 1, R 2) pour fournir le signal de sortie ( 5).