Brevet FR2570915A1 — publié le 19860328

Transducteur électro-acoustique multifréquence et procédé de construction. L'invention a pour objet des transducteurs électro-acousti- ques multifréquence destinés à équiper des émetteurs sonarset un pro- cédé de construction de ceux-ci. Le secteur technique de l'invention est celui de la cons- truction des sonars. On connaît des émetteurs sonar à grande puissance dits à lar- ge bande passante, qui peuvent émettre avec un bon rendement dans une large bande de fréquences, avec un niveau d'émission par volts Sv qui reste sensiblement constant sur toute la largeur de la bande à 3db près. Un tel transducteur à large bande est décrit par exemple dans la demande de brevet FR. 70/24.556 (Etat Francais). A ce jour, les émetteurs sonars connus, à large bande, ne peuvent guère être utilisés avec des rendements acceptables que dans des bandes ayant une largeur de l'ordre d'une octave, c'est-à-dire entre une fréquence basse fb et une fréquence haute fh sensiblement égale à deux fois fb. Il est souhaitable,pour plusieurs applications, de disposer d'émetteurs sonars multifréquence qui peuvent émettre sur au moins deux fréquences fb et fh, telles que fh soit de l'ordre de trois fois fb et on ne sait pas obtenir ce résultat avec les transduc- teurs connus à large bande. Par exemple les emetteurs sonars à grande puissance qui. équipent les navires de reconnaissance charges de détecter d'autres navires ou un obstacle, émettent généralement à basse fréquence, de l'ordre de 3 KHz, car les basses fréquences sont peu atténuées et ont donc une grande portée. Cependant, les basses fréquences sont plus sensibles à la réverbération que les fréquences plus élevées. Donc, si le navire de reconnaissance se trouve amené à opérer prés des côtes ou dans une mer peu profonde, il est préférable qu'il émette sur une fréquence plus ëlevee et qu'il dispose donc d'un émetteur sonar qui lui permette de tripler la fréquence d'émission. pe même, il est avantageux que le sonar émetteur puisse Emettre à basse'fréquence pour faire une recherche exploratoire et que, dés qu'il a repéré une cible, il puisse passer sur une fréquence plus élevèe, ce qui lui assure une meilleure directivité et une plus 257091-5 grande précision et aussi une plus grande discrétion qui le met à l'abri des sonars d'écoute passive de l'adversaire. L'objectif de la présente invention est de procurer un procédé de construction de transducteurs électro-acoustiques, de type "Tonpilz", pouvant émettre avec une bonne efficacité dans deux bandes de fréquence séparées par un intervalle supérieur à une octave, par exemple dans une première bande étroite centrée sur une fréquence basse fb et dans une deuxième bande étroite centrée sur une fréquen- ce haute fh égale à au moins trois fois fb. On rappelle qu'un transducteur électro-acoustique de type "Tonpilz" comporte, à l'extrémité avant, une partie métallique appelée pavillon, qui est chargée de transmettre les vibrations au milieu am- biant, à l'extrémité arrière une contre-masse métallique et entre les deux, un empilement de plaquettes de céramiques piézo-électriques et d'électrodes de polarités alternées, qui sont intercalées entre les plaquettes. L'empilement transforme les signaux électriques reçus par les Iélectrodes en vibrations des plaquettes piézo-électriques et il est appelé le moteur. Les éléments qui composent la structure d'un Tonpilz présen- tent des fréquences propres qui dépendent des modes de vibration et il est évidemment normal de faire fonctionner le transducteur sur des fréquences rentrant en résonance avec une ou plusieurs des fréquences propres. On cherche à obtenir des ondes acoustiques planes et, pour cela, on utilise des modes de vibration longitudinaux, dans lesquels le pavillon se déplace en piston. Un transducteur présente plusieurs modes de vibration lon- gitudinaux qui correspondent à des trains d'ondes stationnaires, comportant un ou plusieurs noeuds. Le premier mode longitudinal, ou en piston, qui correspond à la fréquence la plus basse, ou fréquence fondamentale, correspond à un système d'ondes stationnaires à un seul noeud. Le deuxième mode de vibration longitudinal, ou en piston, correspond à un train d'ondesstationnairesà deux noeuds. Le pavillon peut vibrer en flexion suivant plusieurs modes de déformation dits modes de papillonnage. Un pavillon rectangulaire libre ayant deux plans médiateurs de symétrie de la face avant présente six modes de flexion, selon qu'il se déforme de façon symétrique ou asymétrique par rapport à l'un ou à l'autre de ces deux plans. Pour atteindre les objectifs de l'invention, c'est-à-dire pour construire un transducteur électro-acoustique de type Tonpilz pouvant émettre sur une première bande centrée sur une fréquence basse fb et sur une deuxième bande centrée sur une fréquence plus élevée fh, telle que fh soit de l'ordre de 3.fb, on calcule d'abord un pavillon ayant une fréquence propre de papillonnage égale à fh et on construit un ensemble Tonpilz-équipé de ce pavillon ayant une frg- quence fondamentale égale à fb et une fréquence de l'un des autres modes de vibration longitudinaux sensiblement égale à Eh, Un transducteur dlectro-acoustique de type Tonpilz selon l'invention pouvant émettre sur une fréquence basse fb et sur une fréquence plus élevée fh, de l'ordre de 3 fb, comporte: un pavil- lon en métal ou alliage léger ayant une fréquence de papillonnage égale à fh et un ensemble pavillons moteur et contre-masse ayant une fréquence fondamentale égale à fb et une fréquence de l'un des autres modes de vibration longitudinaux sensiblement égale à fh. De préférence, c'est la fréquence du deuzieme mode de vi- bration longitudinal de l'ensemble qui est sensiblement égale à la fréquence fh de l'un des modes de-papillonnage du pavillon. L'invention a pour résultat de nouveaux émetteurs sonars à grande puissance pouvant émettre avec un bon rendement acoustique sur deux plages de fréquence relativement basses, de l'ordre de quelques kilovolts, telles que la fréquence la plus élevée fh soit de l'ordre de trois fois la fréquence la plus basse fb. Les émetteurs sonars selon l'invention permettent d'équi- per des navires de reconnaissance d'un sonar qui peut effectuer une exploration générale en émettant sur la fréquence la plus basse fb, en vue de repérer une cible ou un obstacle. Lorsque la cible a été repérées le sonar peut suivre celle-ci en passant sur la fréquence plus élevée fb, ce qui lui assure une meilleure directivité et le met à l'abri que ses émissions ne soient détectées par des sonars d'écoute passifs situés à plus grande distance que la cible. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisa- tion d'un transducteur selon l'invention. La figure I est une coupe axiale d'un transducteur de type Tonpilz. La figure 2 est un diagramme représentant le coefficient de réponse Sv en fonction de la fréquence. La figure 3 représente un quadrant de la structure. La figure 1 est une coupe axiale d'un transducteur de type Tonpilz, d'axe x xl, qui est composé essentiellement d'un pavillon 1, d'un moteur piézoélectrique 2, d'une contre-masse 3 et d'un bottier étanche 4, en butadiène ou en tout autre matériau sou- ple équivalent. Le moteur 2 est un empilement de plaquettes piézo- électriques 5 et d'électrodes 6 qui sont intercalées entre les plaquettes et qui sont connectées respectivement sur deux conducteurs électriques 7a, 7b. Les plaquettes et les électrodes sont enfilées sur un tirant central 8 qui relie le pavillon à la contre-masse. Le moteur 2 est relié au boîtier 4 par un support 9 qui est situa au voisinage du noeud de l'ondestationnaire qui se forme lorsque l'ensemble vibre en piston sur la fréquence fondamentale fb, c'est- à-dire la fréquence qui entre en résonance avec la fréquence propre en mode 1. Dans ce cas, il se forme un système d'ondes stationnaires à un seul noeud. Le problème à résoudre est de calculer et de construire un transducteur émetteur de ce type pouvant émettre avec un bon coef- ficient de réponse aussi bien sur une fréquence basse fb, qui est généralement la fréquence fondamentale, que sur une deuxième fréquence fh, de l'ordre de trois fois -fb. Pour arriver à ce résultat, on calcule d'abord un pavillon 1, de forme générale traditionnelle, c'est-à-dire ayant une face émis- sive de forme générale rectangulaire et une épaisseur qui décroît du centre vers la périphérie. La formulation mathématique suivant la méthode des éléments finis de la réponse dynamique d'une structure telle qu'un pavillon est connue et il est possible de calculer théoriquement, avec une très bonne approche de la réalité, les fréquences propres correspondant aux différents mode de papillonnage d'un pavillon. À gEtant donné une fréquence fh que l'on veut obtenir, il est possible de calculer et de construire un pavillon ddnt ia fré- quence propre de l'un des modes de papillonnage se rapproche de. fh. Des études théoriques détaillées des modes de papillonnage de structures comportant un pavillon associé à un empilement de céramiques ont montré que l'interface entre le pavillon et la colonne de céramique a un mouvement en piston quasi parfait et de faible am- plitude. De ce fait, il est possible d'obtenir des informations utiles sur les modes de papillonnage en modélisant un pavillon indépendant, déconnecté du reste de la structure et en imposant une amplitude de déplacement normal identique à tous les noeuds de l'interface. Une analyse modale a été faite d'un pavillon seul et du même pavillon associé à un empilage. Cette analyse montre que les déformations du pavillon associées aux trois premiers modes de papil- lonnage, sont quasiment identiques dans les deux cas et que les fré- quences propres de papillonnage sont très voisines. Par exemple pour le premier mode de papillonnage on calcule que la fréquence propre théorique est de 1923 Hz pour le pavillon seul, de 1994 Hz pour le pavillon associé à un empilement et la fréquence réelle mesurée est de 1806 Hz. Pour le deuxième mode de papillonnage, ces mêmes valeurs sont respectivement de 2442 Hz, 2232 Hz et 2020 Hz. Pour le troisième mode de papillonnage, les valeurs respectives sont de 3899 Hz, 3714 Hz et 3417 Hz. Ces résultats montrent qu'il est possible de calculer sépargment,par la méthode des glements finis, un pavillon ayant une fréquence propre de papillonnage voisine de fh et d'être certains que la fréquence propre de ce même mode de papillonnage restera voi- sine de la valeur calculée lorsque le pavillon sera incorporé dans un transducteur. Afin d'obtenir une fréquence propre de papillonnage assez élevée, on construit un pavillon relativement mince, en un alliage lé- ger, par exemple en un alliage d'aluminium ou en titane. Une fois le pavillon calculé et construit, on calcule; tou- jours par la méthode des éléments finis, le nombre de plaquettes 5 qu'il faut utiliser pour construire uî moteur et une contra-masse 3 tels que la structure d'ensemble formes par le pavillon, l'empilage de céramiques et la contre-masse, remplisse simultanément les deux conditions suivantes. Il faut d'abord que la fréquence propre du pre- mier mode de vibration longitudinal ou en piston, qui est appelge la fréquence fondamentale, soit sensiblement égale à la fréquence fb. Cette première condition est facile à réaliser car l'on sait parfai- tement construire des structures de type Tonpilz ayant une fréquence fondamentale voisine d'une fréquence déterminée. Il faut ensuite que la fréquence propre de l'un des autres modes de vibration longitudi- naux de la structure soit sensiblement égale à la fréquence haute fh. De préférence, on choisira la fréquence propre d'un mode de vi- bration longitudinal qui conduit à un système d'ondes stationnaires ayant deux noeuds et ayant un ventre situé au niveau de la face externe du pavillon. L'analyse modale par la méthode des éléments finis d'une structure ayant la forme d'un transducteur de type Tonpilz, permet de calculer des structures ayant une fréquence fondamentale dans le pre- mier mode longitudinal égale à une fréquence déterminée fb et une fréquence fondamentale dans un autre mode longitudinal voisine d'une fréquence fh. Lorsque l'on excite le moteur sur la fréquence fb, l'en- semble vibre en piston et rentre en résonance sur cette fréquence. Lorsqu'on excite le moteur sur la fréquence fh, l'empilage et la contremasse vibrent en piston avec deux noeuds de vibration. Mais le pavillon se déforme aussi en flexion ou en papillonnage et rentre en résonance sur la fréquence fh puisqu'il a été calculé de telle sorte que l'une de ses fréquences propres de papillonnage soit égale à fh et l'on a vu que les fréquences propres de papillonnage étaient pratiquement inchangées lorsque le pavillon était associé à un empilement et à une contre-masse. La figure 2 représente en abscisses lès fréquences compri- ses entre 0 et 12 KHz et en ordonnées, le coefficient Sv qui s'exprime en décibels et qui est égal à vingt fois le rapport entre la pression acoustique en baryes et la tension d'excitation en volts. Le coefficient Sv présente deux maxima correspondant aux fréquences de résonance fb 3 KHz et fh = 9 KHz et on obtient deux bandes de fréquence bien séparées l'une entre 2 et 4 KHz et l'autre entre 8 et 9,8 KHz environ. On voit donc que le procédé selon l'invention permet de construire des émetteurs de sonar à grande puissance capables d'émet- tue avec un bon rendement acoustique à la fois dans une gamme de fréquences trois fois plus élevées, ce qui est avantageux dans de nombreuses applications. - Ce résultat est obtenu en faisant coïncider approximativement une des fréquences propres fh de papillonnage du pavillon avec la fréquence propre de l'ensemble correspondant au deuxième mode de vibra- tion longitudinal tandis que la fréquence fondamentale de l'ensemble donne la fréquence basse fb. La figure 3 est une coupe longitudinale par deux plans axiaux perpendiculaires qui délimitent entre eux un quart de structure. on a représenté en traits pointillés des sections perpendiculaires d l'axe x xl au repos et en traits pleins l'amplitude maxima des vi- brations de ces sections lorsque la structure vibre à la fréquence fh. Dans ce cas, l'empilement et la contre-masse vibrent en piston avec deux noeuds NI et N2 et un ventre situé au voisinage de la face externe du pavillon. De plus le pavillon vibre en papillonnage en mode 5 et subit une déformation en flexion importante visible sur - la figure. La figure 3 correspond à une construction théorique par la méthode des éléments finis. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de construction d'un transducteur électro- acoustique de type Tonpilz, pouvant émettre dans une première bande de fréquences centrée sur une fréquence basse fb et sur une deuxième bande de fréquences centrée sur une fréquence plus élevée fh, telle que fh soit de l'ordre de 3 fb, caractérisé en ce que: - on calcule d'abord un pavillon ayant une fréquence propre de papillonnage, lorsqu'il est considéré séparément, égale à fh; - et on construit un ensemble Tonpilz équipé de ce pavillon ayant une fréquence fondamentale longitudinale égale à fb et une fréquence de l'un des autres modes de vibration longitudinaux sensi- blement égale à fh. 2. Transducteur électro-acoustique de type Tonpilz pouvant émettre sur une première bande centrée sur une fréquence basse fb et sur une deuxième bande centrée sur une fréquence plus élevée fh, telle que fh soit de l'ordre de 3.fb, caractérisé en ce qu'il com- porte un pavillon ayant une fréquence de papillonnage égale à fh et un ensemble pavillon, moteur et contre-masse ayant une fréquence fonda- mentale égale à fb et une fréquence de l'un des autres modes de vibration longitudinaux sensiblement égale à-fh. 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mode de vibration longitudinal de l'ensemble ayant une fréquence propre sensiblement égale à la fréquence fh de l'un des modes de papillonnage du pavillon est un mode comprenant deux noeuds de vibration (NI, N2) et un ventre au niveau de la face externe du pavillon.