Brevet FR2570916A1 — publié le 19860328

Procédé et transducteur électro-acoustique pour émettre ou recevoir des ondes acoustiques dans plusieurs bandes passantes. La présente invention a pour objet des transducteurs élec- tro-acoustiques multifréquence de type "Tonpilz" ayant plusieurs ban- des passantes et un procédé de construction de ceux-ci. Le secteur technique de l'invention est celui de la construc- tion des sonars. Dans une demande de brevet déposée antérieurement en FRANCE sous le No. 82/08.321, on a décrit un procédé de construction de trans- ducteurs de type Tonpilz permettant d'obtenir des émetteurs sonar à grande puissance pouvant émettre dans deux plages à basse fréquence, séparées par un écart supérieur à une octave. La présente invention a pour objet des perfectionnements aux transducteurs multifréquence décrits dans cette demande. Les transducteurs décrits dans cette demande antérieure sont conçus pour émettre dans une première plage de fréquence basse fb qui correspond au premier mode de vibration longidutinal, c'est-à- dire à un mode de vibration qui correspond à un système d'ondes sta- tionnaires ayant un seul noeud situé vers le centre de l'empilement de céramiques piézo-électriques, un ventre situé sur le pavillon dont l'amplitude de vibration est alors maxima et un ventre situé vers la contremasse. Lorsqu'on utilise ce transducteur pour émettre sur des fréquences plus élevées, le système d'ondes stationnaires se déforme et les ventres du système d'ondes stationnaires se rapprochent et un ou plusieurs ventres se situent dans l'empilement de céramiques piézo- électriques. Dans ce cas, l'amplitude de vibration du pavillon devient plus faible. Les céramiques situées entre deux ventres se déforment en opposition de phase avec les céramiques qui sont situées symétriquement de part et d'autre des deux ventres et leurs effets se contrarient, de sorte que le rendement du transducteur diminue lorsqu'on l'utilise aux fréquences plus élevées. L'objectif de la présente invention est de perfectionner les transducteurs multifréquence de type Tonpilz, de telle sorte qu'on puisse les utiliser sur une large bande de basses fréquences, dont la largeur est supérieure à une octave, en conservant un bon rendement. Un procédé selon l'invention pour émettre ou pour recevoir des ondes acoustiques dans plusieurs bandes passantes situées dans une très large plage de fréquences, utilise un transducteur électro- acoustique de type Tonpilz comportant un empilement de plaquettes piézoélectriques placées entre un pavillon et une contre-masse et des électrodes qui sont intercalées entre les plaquettes piézo-électriques et qui sont connectées en parallèle sur un conducteur commun par lequel transite la tension alternative d'excitation ou de sortie. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un procédé selon lequel une partie des électrodes sont connectées sur le conducteur commun par l'intermédiaire de circuits pondérateurs de phase et on équipe le transducteur d'une unité logique qui commute lesdits circuits pondérateurs et les répartit dans des groupes dont la composition et la distribution varie selon les bandes passantes à l'intérieur de ladite plage de fréquence. Un transducteur électro-acoustique selon l'invention est du type connu comportant un premier sous-ensemble d'électrodes qui sont à la masse et un deuxième sous-ensemble d'électrodes, qui sont inter- calées entre celles du premier sous-ensemble et qui sont connectées en parallèle sur un conducteur commun par lequel transite une tension alternative d'excitation ou de sortie. Un transducteur électro-acoustique selon l'invention est carac- térisé par le fait que certaines des électrodes du deuxième sous- ensemble sont connectées sur le conducteur commun par l'intermédiaire d'un circuit pondérateur de phase. Selon un mode de réalisation préférentiel, chacune des élec- -trodes du deuxième sous-ensemble sauf une est connectée sur un conduc- teur commun par l'intermédiaire d'un circuit pondérateur de phase et/ou d'amplitude et tous les circuits pondérateurs sont reliés à une unité logique de commutation qui permet de mettre hors service tout ou partie desdits circuits pondérateurs et de faire varier le nombre et la distribution des circuits pondérateurs qui sont en service selon la bandé de fréquence dans laquelle on doit émettre ou recevoir ce qui permet d'obtenir avec un même transducteur plusieurs bandes passantes réparties dans une très large plage de fréquences. L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs de type Tonpilz destinés à équiper les sonars de puissance à longue portée, plus spécialement les sonars émetteurs destinés à explorer la mer pour détecter la présence d'un obstacle ou d'un submersible. Le procédé selon l'invention suivant lequel on équipe un 25709 16 transducteur de circuits pondérateursde phase et d'une unité logique de commutation qui est programmée pour répartir les circuits pondéra- teurs en plusieurs groupes dont la composition et la distribution varient selon la bande de fréquence à utiliser permet d'utiliser un même transducteur de puissance sur plusieurs bandes de fréquence, par exemple sur des bandes centrées respectivement sur 3,2 KHz, 7,5 KHz, 12,5 KHz et 16,5 KHz, c'est-à-dire sur des bandes qui permettent de couvrir plus de deux octaves dans la plage des fréquences sonores et d'obtenir dans chacune de ces bandes passantes, un coefficient Sv de réponse à l'émission très élevé, supérieur à 140 décibels. Les transducteurs selon l'invention permettent de construire des antennes de sonar, particulièrement de sonars émetteurs à grande puissance, permettant de faire de la détection à grande distance sur la bande de fréquence la plus faible, puis, dans le cas o on opère près d'une côte ou en mer peu profonde, d'émettre sur une fréquence plus élevée, moins sensible aux phénomènes de réverbération. On peut également passer sur une fréquence plus élevée lorsqu'une cible a été repérée pour avoir une meilleure directivité et pour être moins faci- lement repéré à grande distance. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisa- tion de transducteurs selon l'invention et les résultats obtenus. La figure 1 est une coupe axiale d'un premier mode de réa- lisation. La figure 2 est une coupe axiale d'un deuxième mode de réa- lisation. Les figures 3 à 6 sont des abaques représentant les varia- tions du coefficient Sv de réponse à l'émission en fonction de la fréquence. La figure 1 représente une coupe axiale d'un transducteur piézo-électrique de type Tonpilz, d'axe x xl. Celui-ci est composé d'un empilement 1 de plaquettes piézo-électriques qui est placé entre un pavillon 2 qui émet les ondes acoustiques ou qui les reçoit et une contremasse 3. L'empilement I constitue l'élément transducteur électroacoustique. Il comporte des plaquettes piézo-électriques 4, par exemple des céramiques piézo-électriques et des électrodes 5 qui sont intercalées entre les plaquettes. Dans l'exemple représenté, les électrodes sont divisées en Z c v2570916v deux sous-ensembles. - Un premier sous-ensemble est celui des électrodes impaires a qui sont connectées à la masse 6. Les électrodes paires 5b sont connectées habituellement en parallèle sur un conducteur 7 qui re- çoit une tension alternative dans le cas d'un émetteur ou qui génère une tension alternative dans le cas d'un hydrophone. L'un des axes piézo-électriques des plaquettes 4 est paral- leles à l'axe x xl mais, comme deux plaquettes voisines encadrent une électrode commune, les plaquettes adjacentes sont orientées en sens inverse l'une de l'autre. Le transducteur est par exemple un transducteur émetteur à grande puissance, qui équipe une antenne de sonar destinée à émettre dans la mer des ondes acoustiques à basse fréquence, par exemple sur des fréquences comprises entre 2 KHz et 20 KHz, qui se propagent à gran- de distance, en vue de repérer des obstacles-ou des navires sous-marins. Ce transducteur est calculé par la méthode des éléments finis, de telle sorte que sa première fréquence propre fb, en mode de vibra- tion longitudinal, soit une fréquence très basse, de l'ordre de 2 à 3 KHz et que l'une de ses fréquences propres d'ordre plus élevé fh, en mode de vibration longitunal,eorresponde à l'une des fréquences propres en flexion du pavillon et soit de l'ordre de trois fois la première fréquence, de telle sorte que le transducteur peut émettre avec un fort niveau et unbon rendement dans deux bandes de fréquence centrées l'une sur la fréquence basse fb et l'autre sur une fréquence plus -élevée fh telle que fh soit de l'ordre de 3 fb. Le procédé de construction d'un tel transducteur est décrit dans la demande de brevet FR. 82/08.321. Le problème à résoudre est d'obtenir un bon niveau d'émission d'un transducteur de ce type lorsqu'on passe d'une fréquence basse à une fréquence plus élevée et d'obtenir un rendement à peu près constant dans une large bande de fréquences, de l'ordre de plusieurs octaves, de telle sorte qu'il soit possible de faire varier à volonté la fréquence d'omission ou de réception sans altérer les performances du sonar. La figure 1 repr6sente un mode de réalisation général dans lequel chaque électrode paire 5b, à l'exception de l'une, est connec- tée sur la conducteur commun 7 par l'intermédiaire d'un circuit 8 qui est un circuit déphaseur qui peut être couplé éventuellement à un circuit pondérateur d'amplitude. Par exemple, les circuits 8 sont des déphaseurs à 180 , de tout type connu, par exemple des déphaseurs inductifs ou capa- citifs qui permettent d'alimenter certaines électrodes en opposition de phase par rapport aux autres. Si n est le nombre total d'élec- trodes paires, le nombre m de circuits pondérateurs est égal à n - 1. Selon un mode de réalisation simplifié, on peut diviser les électrodes paires 5b en deux groupes, un premier groupe qui est équipé de circuits pondérateurs 8 et un deuxième groupe qui en est dépourvu. Par exemple dans un cas o l'empilement comporte vingt six plaquettes et donc treize électrodes paires, une moitié seulement des électrodes paires formant un groupe d'électrodes juxtaposées sont connectées sur un déphaseur à 180 . Par exemple, les électrodes paires 1 à 7 ne comportent aucun déphaseur et les électrodes paires 8 à 13 comportent un déphaseur à 180 et comportent également un commutateur ou tout autre circuit de commande qui permet de mettre le déphaseur en service ou d'interrompre le fonctionnement de celui-ci. Les figures 3 et 4 sont des enregistrements qui représen- tent en abscisses, la fréquence d'émission dans une plage allant de 0 à 20 KHz et en ordonnées le coefficient Sv qui est exprimé en dé- cibels et qui est égal à vingt fois le logarithme du rapport entre la pression acoustique à un mètre exprimée en micro-pascal et la ten- *sion d'excitation exprimée en volts. Sv est le coefficient de réponse à l'émission. La figure 3 représente les variations du coefficient Sv en fonction de la fréquence dans le cas o les circuits 8 ne fonc- tionnent pas et o toutes les électrodes sont excitées en phase. On voit sur cette figure que le transducteur fonctionne avec un bon niveau pour une fréquence de l'ordre de 3,2 KHz qui est la fréquence fondamentale correspondant au premier mode de vibration longitudinal. Par contre, on voit que le-coefficient Sv est relativement plus faible dans deux bandes de fréquence centrées sur 8 KHz et sur 20 KHz. La figure 4 représente les variations du coefficient Sv en fonction de la fréquence dans le cas o les déphaseurs équipant les six électrodes paires 8 à 13, c'est-à-dire les plus proches du pavillon, sont mis en service. On voit sur la figure 4 qur le 70916 coefficient Sv présente alors deux pics centrés l'un sur 7,5 KHz et l'autre sur 16,5 KHz o l'on atteint des niveaux très élevés de l'ordre de 150 décibels. On voit donc qu'un tel transducteur peut émettre avec une très bonne efficacité dans trois bandes de fréquence distinctes,une première bande centrée sur une fréquence de 3,2 KHz sans utiliser les déphaseurs et deux bandes centrées respectivement sur 7,5 KHz et sur 16,5 KHz en utilisant les déphaseurs, c'est-à-dire sur des bandes qui sont séparées par plus de deux octaves. On vient de décrire un mode de réalisation particulier dans lequel les électrodes paires sont réparties en deux groupes symétri- ques par rapport au milieu de l'empilement. On peut réaliser d'autres modes de répartition en deux groupes ou plus. La figure I représente un mode de réalisation très général qui comporte une unité logique 9 qui est relié à tous les circuits pondérateurs 8 et qui permet de diviser ceux-ci en plusieurs groupes, ceux qui sont en service et ceux qui laissent passer la tension d'exci- tation ou de sortie sans la déphaser. L'unité logique.. 9 comporte des circuits de commutation qui sont commandés en fonction de la fréquence à émettre ou.à détecter, qui sélectionnent les circuits pondérateurs 8 qui doivent être en service et qui les répartissent différemment selon les fréquences. La figure 2 représente un mode de réalisation simplifié qui permet d'obtenir une excitation pondérée avec des groupements d'électrodes qui diffèrent pour trois fréquences de résonance correspondant aux trois premiers modes de vibration longitudinaux. Les parties homologues à celles de la figure I sont représentées par les memes repères et remplissent les memes fonctions. Les électrodes paires 5b sont divisées en quatre groupes d'électrodes voisines. Le premier groupe en partant de la contre-masse comprent les électrodes paires No. 2, 4 et 6 qui sont connectées en parallèle di- rectement sur le conducteur commun 7. Le deuxième groupe d'électrodes comprend les quatre électro- des paires No. 8, 10, 12 et 14 qui sont connectées en parallèle sur un premier circuit pondérateur 81. Le troisième groupe comprend les trois électrodes paires No. 16, 18, 20 qui sont connectées en parallèle sur un deuxième circuit pondérateur 82. Le quatrième groupe d'électrodes comprend les électrodes paires No. 22, 24 et 26 qui sont connectées en parallèle sur un troisième circuit pondérateur 83. Les circuits pondérateurs 8, 82, 83 sont par exemple des déphaseurs à 180 ou bien des circuits qui introduisent à la fois un déphasage et une modification de l'amplitude de la tension d'excitation ou de sortie. Chaque circuit pondérateur est connecté sur le conduc- teur commun 7 et sur une unité logique de commande 9 qui comporte un fréquencemètre et qui est programmée pour commander la mise en ser- vice ou hors service des circuits pondérateurs comme suit. Lorsqu'on désire émettre ou recevoir sur la première fréquence de résonance,qui est la fréquence basse fb, les trois circuits pondé- rateurs 81, 82, 83 sont mis hors service et toutes les électrodes sont donc excitées en phase.. Lorsqu'on désire émettre ou recevoir sur la deuxième fréquen- ce de résonance fl, le premier circuit pondérateur 81 est mis hors service tandis que les deuxième et troisième circuits pondérateurs 82 et 83 sont mis en service. Les électrodes paires sont alors divisées en deux groupes symétriques par rapport au milieu, un premier groupe du coté de la contre-masse pour lesquelles la tension d'excitation ou de sortie n'est pas modifiée et un deuxième groupe, du côté du pavil- lon, pour lesquelles la tension d'excitation ou de sortie est dépha- sée. Ce groupement correspond à celui qui a été décrit précédemment et dont les résultats sont représentés sur la figure 4. Lorsqu'on désire émettre ou recevoir sur la troisième fréquence de résonance f2, le premier et le deuxième circuit pondérateur 81 et 82 sont mis en service et le troisième circuit pondérateur 83 est mis hors service. Les électrodes paires sont alors divisées en deux groupes de la façon suivante:un premier groupe comprend les trois électrodes paires voisines de la contre-masse et les trois électrodes paires voisines du pavillon pour lesquelles la tension d'excitation ou de sortie n'est pas modifiée. Un deuxième groupe d'électrodes comprend toutes celles qui sont intercalées entre les précédentes, dans la partie centrale de l'empilement,qui reçoivent ou qui émettent une tension qui est déphasée. La figure 5 représente le coefficient Sv obtenu dans ce dernier cas,-avec le même transducteur. On voit que ce coefficient présente un-pic de résonance très accusé pour une fréquence de 12,5 KHz qui est intermédiaire entre les deux pics de fréquence de la figure 4. Un montage conforme à celui de la figure 2 permet donc de faire fonctionner le transducteur dans quatre bandes de fréquence dif- férentes, une bande de fréquence basse centrée sur une fréquence de 3,2 KHz (cas de la figure 3) en excitant toutes les électrodes paires en parallèle, deux bandes de fréquence centrées sur les fréquences 7,5 KHz et 16,5 KHz (cas de la figure 4), en divisant ies électrodes paires-en deux groupes symétriques par rapport au milieu de l'empile- ment et une bande de fréquence centrée sur une fréquence de 12,5 KHz (cas de la figure 5) en divisant les électrodes entre deux sous-grou- pes d'extrémité. Pour les quatre bandes de fréquence on obtient une réponse à l'émission Sv supérieur à 140 décibels qui est une valeur élevée. Cet exemple montre les possibilités du procédé selon l'invention. Les exemples de distribution des groupes d'électrodes qui ont été décrits à titre d'exemple ne sont pas limitatifs et on peut équiper un transducteur selon l'invention d'une unité logique 9 permettant de répartir les électrodes suivant des groupes distribués différemment. Les deux modes de groupement des électrodes simplifiés qui ont été décrits sont des modes préférentiels. La figure 6 représente les variations du coefficient Sv -en fonction de la fréquence qui ont été mesurées toujours avec le même transducteur en groupant les électrodes paires de la façon suivante: - un premier groupe comportant les électrodes No. 2 et 20, 22, 24, 26 et un deuxième groupe comportant les électrodes 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 et 18, les deux groupes étant excités en opposition de phase. Cette fi- gure montre que dans ce cas on obtient un coefficient Sv supérieur à 140 dans deux bandes de fréquence centrées sur 7,5 KHz et 12 KHz. On a hachuré sur les figures 3 à 6 des bandes passantes correspondant à une atténuation de 3db par rapport aux maximum. La description qui précede montre qu'il est possible d'utili- ser un même transducteur électro-acoustique sur plusieurs bandes de fréquence allant de 3,2 KHz jusqu'à 17 KHz, c'est-à-dire sur une très large plage couvrant plusieurs octaves. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour émettre ou recevoir des ondes acoustiques dans plusieurs bandes passantes situées dans une large plage de fré- quences, au moyen d'un transducteur électro-acoustique de type Ton- pilz, comportant un empilement (1) de plaquettes piézo-électriques (4), placées entre un pavillon (2) et une contre-masse (3) et des électrodes (Sa, 5b) qui sont intercalées entre lesdites plaquettes et qui sont connectées en parallèle sur un conducteur commun (7) par lequel transite la tension alternative d'excitation ou de sortie, caractérisé en ce qu'une partie des électrodes (5b) est connectée sur ledit conducteur commun par l'intermédiaire de circuits (8) pondé- rateurs de phase et on équipe le transducteur d'une unité logique qui commute lesdits circuits pondérateurs et qui les répartit dans des groupes dont la composition et la distribution varient selon les bandes passantes à l'intérieur de ladite plage de fréquen- 15.ces. 2. Transducteur électro-acoustique de type Tonpilz compor- tant un empilement (1) de céramiques piézo-électriques (4) placées entre un pavillon (2) et une contre-masse (3) et des électrodes (5a, b) intercalées entre lesdites céramiques, lesquelles électrodes sont divisées en deux sous-ensembles intercalés, un premier sous-ensemble d'électrodes (5a) qui sont à la masse et un deuxième sous-ensemble d'électrodes (5b) qui sont connectées en parallèles sur un conducteur commun (7) par lequel transite une tension alternative d'excitation -ou de sortie, caractérisé en ce que certaines électrodes du deuxième sous-ensemble (5b) sont connectées sur ledit conducteur commun par l'in- termédiaire d'un circuit pondérateur de phase (8). 3. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes du deuxième sous-ensemble (5b) sont divisées en deux groupes égaux: un premier groupe qui sont connectées en parallèle directement audit conducteur commun (7) et un deuxième groupe qui sont connectées audit conducteur à travers un cir- cuit pondérateur (8),par exemple à travers un déphaseur à 180 . 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes du deuxième sous-ensemble sont divisées en deux groupes symétriques par rapport au milieu de l'empilement. 5. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes du deuxième sous-ensemble sont divisées en deux groupes égaux: un premier groupe situé au milieu de l'empilement et un deuxième groupe composé de deux sous-groupes situés aux deux extrémités de l'empilement. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des électrodes (5b) du deuxième sous-ensemble sauf une est connectée sur un conducteur commun (7) par l'intermédiaire d'un circuit (8) pondérateur de phase et tous les circuits pondérateurs sont reliés à une unité logique de commutation (9) qui permet de met- tre hors service tout ou partie desdits circuits pondérateurs et de faire varier le nombre et la distribution des circuits pondérateurs qui sont en service selon la bande de fréquence dans laquelle on doit émet- tre ou recevoir ce qui permet d'obtenir avec un même transducteur plusieurs bandes passantes réparties dans une très large plage de fréquences sonores. - 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes du deuxième sous-ensemble (5b) sont réparties en quatre groupes sensiblement égaux d'électrodes voisines, que les élec- trodes du premier groupe sont connectées en parallèle directement sur ledit conducteur commun (7), que les électrodes de chacun des autres groupes sont connectées en parallèle respectivement sur trois circuits déphaseurs à 180 (81, 82, 83) qui sont eux-mêmes connectés en parallèle sur ledit conducteur commun (7) et que lesdits circuits déphaseurs sont connectés sur une unité logique de commutation (9), qui met hors ser- vice tous les circuits déphaseurs lorsqu'on utilise le transducteur dans une bande de fréquence centrée sur 3,2 KHz, qui met en service le 25. deuxième et le troisième circuit déphaseur (82, 83) lorsqu'on utilise le transducteur dans deux bandes de fréquence centrées sur 7,5 et 17,5 KHz (81, 82) lorsqu'on utilise le transducteur sur une bande de fréquen- ce centrée sur 12,5 KHz. -