Brevet FR2570567A1 — publié le 19860321

Agencement d'hvdroDhone La présente invention se rapporte à un agencement d'hydrophone piézo-électrique comportant une enveloppe deprotec- tion extérieure dans laquelle se trouve un boîtier fermé étanche, comprenant deux supports de membranes parallèles et opposés se comportant tous deux, sur leurs surfaces intérieures, des cristaux piézo-électriques à surfaces métallisées, et duquel des fils de connexion sortent à travers sa partie centrale creuse. La structure d'hydrophones se basant sur le principe ci-dessus est connue en soi, et des structures de ce type sont divulguées, entre autres, dans le brevet US N 3.255.431 et le brevet US N 3.970.878. Le brevet indiqué en premier lieu divulgue une réalisation comprenant un élément de support annu- laire pourvu d'un élément de membrane ou diaphragme planaire et un élément piézo-électrique présent de chaque côté. En prin- cipe, l'élément piézo-électrique peut être présent à l'intérieur et à l'extérieur de la membrane. Des fils électriques partent desdits éléments, et l'ensemble de la structure est placée dans un boîtier. Une autre réalisation d'hydrophone, utilisant dans son principe la même structure, est divulguée dans le brevet US N 3.970.878. L'objet principal de ce brevet est de rendre l'élément d'hydrophone étanche en soi pour empêcher du liquide et de l'eau de pénétrer dans cet élément et, par suite, d'entrer en contact avec les cristaux piézo-électriques. Le mode de réali- sation principal à cet égard est une structure dans laquelle le boîtier comprend deux moitiés métalliques soudées entre elles sur une bride et dans laquelle les bornes électriques sortent à travers des éléments de verre isolants. Dans un mode de réa- lisation spécial, la partie centrale du boîtier est entièrement constituée par du verre qui est collé ou fixé de n'importe quelle façon désirée aux supports de membrane formant les parois laté- rales du boîtier. Dans un tel mode de réalisation, il peut se présenter des problèmes d'étanchéité aux bords de jonction. On utilise fréquemment des hydrophones de ce type comme moyens de réception en prospection sismique. Pour la prospection marine, une "flûte immergée" est prévue; elle com- porte des hydrophones placés à l'intérieur d'un câble qui peut être rempli d'un liquide spécial, par exemple de kérosène, ou bien les hydrophones peuvent être exposées directement à l'eau de mer. Bien entendu, il est essentiel d'empêcher l'élément de cristal piézo- électrique de subir l'influence du liquide environnant. L'hydrophone conforme au brevet US N 3.255.431 ne remplit pas ces conditions, du fait entre autres, que des problèmes de fuite peuvent se présenter en liaison avec les bornes. On a accordé une attention particulière à ce problème dans le brevet US N 3.970.878. La possibilité de protéger l'hy- drophone contre les surpressions a été examinée et la possi- bilité de placer une pièce d'écartement ou un élément de renfor- cement à l'intérieur de l'hydrophone a été divulguée. Cependant, les progrès récents exigent une qualité des hydrophones supérieure, en raison, entre autres des progrès des systèmes numériques pour flutes à utiliser en prospection marine. De tels hydrophones doivent avoir une précision d'en- viron 2% en ce qui concerne la tension et la sensibilité de charge, contre 5 % antérieurement, pour obtenir une qualité des données maximale, avant la réduction des données qui a lieu dans le cadre de la sommation des hydrophones individuels d'une batterie. De plus, on utilise un nombre important d'hydropho- nes de ce type en prospection sismique et, par suite, il est essentiel de maintenir le coût de ces produits à un niveau aussi bas que possible. En outre, il est important qu'ils soient fia- bles. L'invention a pour objet une structure d'hydrophone simple et d'un faible coût de production, d'un fonctionnement fiable, et comportant un bottier complètement étanche vis-à- vis de l'environnement, et garantissant la meilleure sensibi- lité possible. Cet hydrophone doit également être capable de supporter une pression statique élevée. On atteint ces objectifs dans l'agencement de l'hydro- phone piézo-électrique selon l'invention comportant une enveloppe de protection externe dans laquelle se trouve un boitier étanche comprenant deux supports de membrane mutuellement opposés et parallèles sur les surfaces intérieures desquels des cristaux piézo-électriques sont fixés et sont métallisés sur leurs surfaces extérieures, et o des fils de connexion conducteurs sortent du boîtier à travers sa partie centrale creuse, caractérisé en ce que: a) la partie centrale du boîtier comprend au moins deux éléments céramiques assemblés s'étendant dans un plan parallèle aux supports de membrane et comportant une couche de métallisation dans les zones de contact mutuel. b) dans la cavité des deux éléments, respectivement, un disque de renforcement céramique est inséré et fixé aux éléments par des saillies de forme correspondante, et c) les pôles des cristaux piézo-électriques tournés vers l'in- térieur sont reliés électriquement à la couche de métallisation dans le plan de liaison des éléments avec une liaison conductrice supplémentairePartantdela couche de métallisation à l'extérieur tandis que les pôles des cristaux tournés vers l'extérieur sont joints extérieurement au boîtier par l'intermédiaire des supports de membrane. L'hydrophone selon l'invention présente en outre les caractéristiques suivantes: - chaque disque de renforcement comporte un trou qui le traverse près de sa circonférence et comporte, à sa surface éloignée du cristal, une couche de métallisation reliée électri- quement, à l'aide d'une matière de soudure, à une couche de métallisation adjacente située sur l'élément créamique. - la face intérieure de chaque cristal est reliée par l'intermédiaire d'un conducteur, de préférence un fil d'or, à la couche de métallisation située sur le disque ou sur un élément par l'intermédiaire du trou traversant, l'élément céramique, le disque et le support de membrane sont circulaire, et l'enveloppe de protection est -un cylindre elliptique retenant le boîtier par l'intermédiaire d'un revêtement intérieur. Lors de la mise au point de l'hydrophone selon la présente invention, on a également tenu compte des progrès actuels de la technique numérique et de la miniaturisation des composants. L'hydrophone selon l'invention est ainsi conçu pour permettre la présence de composants électriques ayant fonctions d'ampli- fication des signaux ou de traitement des signaux à l'intérieur de l'hydrophone. Il sera alors possible d'assembler une plura- lité d'éléments adaptés, ou d'effectuer des ajustements et des réglages des hydrophones individuels pour les adapter dans une batterie de flûte immergée. La conception des hydrophones selon la présente inven- tion permet également d'effectuer des essais avant achèvement. Cela permet de contrôler la fiabilité des hydrophones. On va décrire à présent l'invention avec davantage de détails, sur un exemple d'exécution non limitatif, en regard du dessin annexé dont: La figure 1 représente un hydrophone selon l'invention, en coupe, l'enveloppe protectrice extérieure ayant été retirée la figure 2 est une projection d'un hydrophone selon l'invention, avec son enveloppe protectrice. L'hydrophone selon l'invention comprend une envelop- pe extérieure 1 (figure 2) qui peut être avantageusement une enveloppe de laiton. Le rôle de cette enveloppe 1 est de pro- téger l'hydrophone contre les influences mécaniques extérieures et de simplifier le positionnement de l'hydrophone, ainsi que de permettre une fixation des bornes, c'est-à-dire des fils conducteurs que l'on décrira avec davantage de détails plus loin. L'élément d'hydrophone actif comprend un boîtier hermé- tique imperméable aux liquides et désigné par la référence géné- rale 2 sur les figures 1 et 2. Dans le mode d'exécution représenté, ce boîtier a une forme de cylindre circulaire. Le boîtier 2 est inséré dans l'enveloppe 1 de l'hydrophone qui, dans ce but, présente une section droite elliptique et une longueur de cy- lindre permettant l'insertion de l'ensemble du boitier/% l'intérieur de l'enveloppe 1. Le boîtier 2 est simplement calé dans l'enve- loppe 1, en contact avec des garnitures plastiques flexibles collées à la surface intérieure de l'enveloppe 1. Cet élément de retenue plastique 15 peut être constitué, par exemple, par du "Hytrell" d'une épaisseur de 1 mm. L'élément d'hydrophone est ainsi maintenu en place par des forces de friction. Le po- sitionnement et la fixation du boîtier 2 est donc très simple. Le boîtier 2 comprend deux supports de membrane extérieurs circulaires, dans le mode d'exécution représenté et en alliage cuivre-béryllium. Il est bien connu dans la tech- nique d'utiliser un tel matériau. Entre les deux supports de membrane 3, on trouve un isolant céramique en forme d'élément annulaire, dont la structure est indiquée avec davantage de détails plus loin. La partie centrale 6 est en alumine, A1 O, de grande pureté. La matière est, de préférence, une 2 3 alumine cuite à 1.800 C, ce qui entraîne une pureté supérieure à 85 %, de préférence de 96 %. La matière est d'une qualité dite de pellicule épaisse et permet d'obtenir une bonne métal- lisation de la surface. A la surface intérieure des supports de membranes 3, des éléments de cristaux piézo-électriques conducteurs sont fixés à l'aide d'adhésif électriquement conducteur et compor- tent des électrodes d'argent ou des faces polaires vers ledit support de membrane et sur la face opposée. A l'intérieur de la cavité de la partie centrale annulaire 6 se trouvent deux éléments de renforcement 8 pour constituer entre autre un moyen de protection de l'hydrophone contre la pression. On fabrique l'hydrophone de la façon suivante. On fabrique les éléments séparés devant être utilisés pour réaliser l'hydrophone selon l'invention. On munit les cris- taux piézo-électriques d'électrodes ou de pôles des deux côtés en appliquant une couche d'argent. On fabrique des supports de membranes en forme de plateau circulaire en alliage cuivre- béryllium (BeCu). On fabrique la partie centrale 6 du boîtier en deux parties, en obtenant d'abord deux éléments annulaires 7 en alu- mine (A1 0) d'une pureté de 96 % et d'une section droite du 2 3 type représenté sur la figure 1. On fabrique deux pôles d'écarte- ment ou élément de renforcement 8 de la forme indiquée sur la figure 1. Ces éléments comportent un trou traversant 14. Ces pièces d'écartement sont constituées par la même matière que les portions centrales annulaires 7, c'est-à-dire par de l'alumine pure. Les éléments 7 et 8 sont métallisés dans les zones représentées avec des liQnes moulée sur la figure 1. On fabrique alors l'enveloppe de l'hydrophone dans du laiton avec des plaques de fixation par friction pour le bottier 2 comme on l'a indiqué précédemment. On soude alors chaque support de membrane 3 à un anneau d'alumine 7, par l'intermédiaire de la couche de métal- lisation 11, par compression avec augmentation de température. Lorsque l'on a assemblé les deux parties, on colle le cristal piézoélectrique au support de membrane 3 dans la partie centrale à l'aide d'un adhésif argenté conducteur. Il faut ici un posi- tionnement très précis pour obtenir un agencement identique de tous les cristaux. On fixe alors l'élément de renforcement et d'écartement 8 par collage dans une saillie 13 de l'anneau central 7, comme on l'a indiqué sur la figure. La distance au cristal 4 est ainsi établie avec précision. Le stade de fabrication suivant consiste à réaliser une liaison entre le cristal piézo-électrique 4 et la couche de métallisation de l'élément de renforcement et respectivement la couche de métallisation 11 de la partie centrale annulaire. On utilise un fil d'or et on l'insère par le trou 14 de l'élément de renforcement 8, et on le fixe au cristal, par exemple par une technique de fixation par ultrasons. On soude l'autre partie du fil d'or à l'une des deux zones de métallisation d'une façon classique. On assemble alors deux telles "moitiés" d'hydrophone en un boîtier. On le fait en mettant les deux surfaces métalli- sées 11 en contact et en soudant la jonction de l'extérieur, avec chauffage pour souder ensemble par fusion les surfaces métallisées. On fixe alors des fils conducteurs aux deux supports de membrane et à la soudure tendre centrale, et l'on réunit les fils à une gaine souple. On insère alors le boîter 2 dans l'enveloppe 1 avec fixation par friction. Avant l'assemblage des deux moitités, on peut faire des essais sur chaque élément d'hydrophone individuel, pour contrôler sa qualité. On peut également effectuer un tel essai de chaque moitité après l'assem- blage en un hydrophone complet. On joint alors les fils métal- liques partant des pôles intérieurs du cristal piézo-électrique, par l'intermédiaire de la couche de métallisation Il de la partie centrale, en les faisant sortir, à la soudure 5 située au centre de l'anneau cérmnique, tandis que l'on peut relier les deux supports de membrane par un fil conducteur extérieur, comme on l'a indiqué sur la figure 1. En variante, on peut joindre ]es fils partant des deux supports de membrane et de l'anneau de contact central, sous forme de fils séparés, dans le conducteur partant de l'hydrophone. Apres l'essai-de fonctionnement, on peut souder les deux fils partant des supports de membrane en- semble à un conducteur situé à l'extérieur de l'enveloppe 1. Comme il ressort de la figure 1, il y a un intervalle entre les deux plaques de renforcement 8. Dans cet intervalle, des éléments électroniques d'amplification des signaux ou de traitement des signaux peuvent être présents. Lorsque de tels éléments électroniques amplificateurs ou analogues sont présents dans la partie centrale de l'hydrophone, on peut disposer les bornes électriques reliées aux éléments nécessaires en réalisant la partie centrale 6,uon pas avec deux éléments annulaires 7 seulement, avec trois de ces éléments ou davantage, tous pourvus d'une couche de métallisation sur leurs surfaces de contact mutuelles, ces couches étant soudées extérieurement. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précédente et au dessin annexé de nombreuses modifications de détail sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. RlV:E ND I CAT IO NS 1. Agencement dans un hydrophone piézo-électrique comportant une enveloppe de protection externe (1) dans laquelle se trouve un boîtier étanche (2) comprenant deux supports de membrane mutuellement opposés et parallèles (3) sur les surfaces intérieures desquels des cristaux piézo-électriques (4) sont fixés et sont métallisés sur leurs surfaces extérieures et o des fils de connexion conducteurs sortent du boîtier à travers sa partie centrale creuse (6), caractérisé en ce. que: a) la partie centrale (6) du boîtier comprend au moins deux éléments céramiques assemblés (7) s'étendant dans un plan paral- lèle aux supports de membrane et comportant une couche de métal- lisation (11) dans les zones de contact mutuel (9, 10). b) dans la cacité (12) des deux éléments (7), respectivement un disque de renforcement céramique (8) est inséré et fixé aux éléments (7) par des saillies (13) de forme correspondante, et c) les pôles des cristaux piézoélectriques (4) tournés vers l'intérieur sont reliés électriquement à la couche de métallisation dans le plan de liaison des éléments (7), avec une liaison conduc- trice supplémentaire (5) partant de la couche de métallisation (11) à l'extérieur tandis que les pôles des cristaux (4) tournés vers l'extérieur sont joints extérieurement au boîtier (2) par l'intermédiaire des supports de membrane (3). 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise, comme matière céramique, de l'alumine (A1 0) d'un degré de pureté supérieur à 85 %, de préférence 2 3 d'environ 96 %. 3. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments crémiques (7) sont arrondis des deux côtés dans le plan de jonction, et en ce que la couche de métal- lisation (11) est appliquée suivant les portions arrondies. 4. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle formé à l'extérieur par les portions arrondies des deux éléments (7) est rempli d'une matière de soudure, notamment de soudure tendre. 5. agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque disque de renforcement (8) comporte un trou qui le traverse près de sa circonférence et comporte, à Sa sur- face éloignée du cristal, une couche de métallisation reliée électriquement, à l'aide d'une matière de soudure, à une couche de métallisation adjacente située sur l'élément créamique (7). 6. Agencement selon la revendication 1 et/ou la reven- dication 5, caractérisé en ce que la face intérieure de chaque cristal (4) est reliée par l'intermédiaire d'un conducteur (5), de préférence un fil d'or, à la couche de métallisation (11) située sur le disque/gu sur un élément (7) par l'intermédiaire du trou traversant (4). 7. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que des composants électroniques ayant des fonctions d'am- plification des signaux ou de traitement des signaux sont présents sur les disques de renforcement (8). 8. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément céramique (7), le disque (8) et le support de membrane sont circulaires 9. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe (1)-est un cylindre elliptique retenant le boîtier par l'intermédiaire d'un revêtement intérieur (15). 10. Procédé de fabrication d'un hydrophone piézo- électrique selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on fixe un cristal piézo-électrique métal- lisé, à l'aide d'un adhésif électriquement conducteur, d'un côté d'un support de membrane, en ce qu'on soude à la circonfé- rence du support de membrane, un élément céramique annulaire métallisé sur sa surface tournée vers l'extérieur, sur lequel on fixe dans des saillies de l'élément annulaire un disque compor- tant un trou traversant, trou traversant par lequel on fixe un fil métallique à la couche de métallisation du cristal, fil qui assure, en outre, un contact électrique avec la couche de métallisation située sur la surface de l'élément annulaire opposée au support de membrane, et ce qu'on assemble deux de ces éléments, après des essais séparés, en un boîtier étanche que- l'on fixe dans une enveloppe d'hydrophone, après connexion des conducteurs nécessaires. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on effectue la jonction des faces métallisées, le sou- dage, etc. par chauffage et refroidissement, de façon connue en soi.