Brevet FR2581819A1 — publié le 19861114

Transducteurs piézo-électriques de type Tonpilz, récepteurs à large bande et émetteurs et antenne de sonar composée de ces transducteurs. La présente invention a pour objet des transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz utilisables alternativement comme émetteur sur une ou plusieurs fréquences de résonance bien déterminées et comme récepteurs à large bande passante. Elle a également pour objet des antennes de sonar composées de ces transducteurs. Le secteur technique de l'invention est celui de l'acoustique sous-marine. Les antennes émettrices de sonars à grande puissance sont constituées généralement de rangées de transducteurs de type Tonpilz qui sont excités par un oscillateur électronique qui oscille sur une fréquence bien déterminée correspondant à l'une des fréquences de résonance du transducteur. On rappelle qu'un transducteur de type Tonpilz comporte un moteur constitué par un empilement de plaquettes piézo-électriques entre lesquelles sont intercalées des électrodes reliées à l'oscillateur. Cet empilage est intercalé entre un pavillon qui est placé au contact de l'eau et une contremasse. I1 est avantageux d'utiliser une même antenne de sonar à la fois comme antenne émettrice et comme antenne d'écoute réceptrice. Mais une antenne d'écoute doit pouvoir détecter une source sonore pouvant émettre sur n importe quelle fréquence sonore et il faut donc qu'elle puisse explorer une large bande passante avec une bonne sensibilité. Or les transducteurs de type Tonpilz qui sont des transducteurs résonnants, ont une courbe de sensibilité présentant un ou plusieurs pics très accusés qui correspondent aux fréquence de résonance et ils ne peuvent pas être utilisés pour recevoir des fréquences situées en dehors des bandes étroites correspondant à ces pics de sensibilité. Diverses solutions ont été proposées pour transformer un transducteur émetteur en transducteur récepteur à large bande passante en utilisant pour la réception, les mêmes plaquettes piézo-électriques ou d'autres plaquettes associées à celles qui constituent le moteur d'ua transducteur. Un objectif de la présente invention est de procurer des transducteurs piézo-électriques résonnants de type Tonpilz, qui sont associés à un transducteur d'un autre type, qui est utilisé comme hydrophone à large bande, qui est placé sur le pavillon de l'émetteur et qui est réalisé dans un matériau tel qu'il ne réduit pas la sensibilité de l'émetteur et sous une forme telle qu'il permet d'obtenir des antennes ayant une bonne directivité à l'émission et à la réception. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un transducteur piézo-électrique de type Tonpilz dont la face externe du pavillon porte un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants, disposés symétriquement par rapport à au moins un plan passant par l'axe du transducteur. Selon un mode de réalisation préférentiel, la face externe du pavillon porte quatre hydrophones symétriques deux à deux par rapport à d'ux plans orthogonaux passant par l'axe du transducteur. Chacun des hydrophones comporte une plaque mince, en un polymère piézo-électrique, dont les deux faces sont recouvertes d'un clinquant conducteur, qui est intercalée entre deux plaques minces en un matériau visco-élastique. L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz et des antennes de sonar construites avec ces transducteurs. Ces transducteurs et ces antennes ont sensiblement le même encombrement et le même poids que les antennes émettrices composées de transducteurs émetteurs de type Tonpilz dont les pavillons ne sont pas équipés d'hydrophones. Les antennes selon 1 invention peuvent être utilisées alternativement comme antennes émettrices à grande puissance et comme antennes d'écoute à large bande passante. Un avantage important des transducteurs selon l'invention, associés à des hydrophones disposés sur la face externe du pavillon est que ces hydrophones sont facilement accessibles et donc faciles à réparer en cas d'avarie. Un autre avantage des transducteurs selon l'invention est qu'ils permettent de multiplier le nombre d'hydrophones et donc d'obtenir un meilleur diagramme de directivité en haute fréquence. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un transducteur selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale d'un transducteur mixte selon l'invention. La figure 2 est une vue de face du pavillon d'un transducteur selon la figure 1. Les figures 3 et 4 sont des vues analogue à la figure 2 représentant des variantes de réalisation. La figure 5 est une coupe partielle selon V-V de la figure 2. La figure 6 est un diagramme de sensibilité d'un hydrophone selon l'invention. La figure 1 représente une coupe axiale d'un transducteur piézo-électrique de type Tonpilz d'axe x xl. Ce transducteur comporte, de façon connue, un moteur piézo-électrique composé d'un empilement 1 de plaquettes piézo-électriques 2, entre lesquelles sont intercalées des électrodes 3 qui sont connectées alternativement sur les deux bornes d'un oscillateur électronique non représenté. L'empilement 1 est intercalé entre un pavillon 4 et une contremasse 5. En général, un tel transducteur est utilisé pour construire des antennes émettrice de sonar à grande puissance. Une antenne émettrice de sonar comporte des rangées de transducteurs identiques dont les faces externes des pavillons sont placées au contact de l'eau pour transmettre les ondes acoustiques provenant du moteur. Le problème à résoudre est d'utiliser la même antenne comme antenne réceptrice à large bande et bonne directivité, sans accroître notablement le poids et l'encombrement de celle-ci et sans nuire à la qualité de l'émission. Pour cela, des hydrophones 6 sont associes à chaque transducteur et sont fixés sur la face externe du pavillon 4. Les figures 1 et 2 représentent un exemple préférentiel dans lequel chaque pavillon porte quatre hydrophones identiques et indépendants 61, 62, 63 et 64, disposés en croix, c' est-à-dire avec une symétrie d'ordre 4 par rapport à l'axe x xl du transducteur. La figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle chaque pavillon porte quatre hydrophones 61, 62, 63, 64, identiques et indépendants, en forme de secteurs circulaires ayant une ouverture angulaire de 900, disposés symetriquement deux à deux par rapport à deux plans orthogonaux y yl et z zl passant par l'axe x xl. La figure 4 représente une autre variante dans laquelle chaque pavillon porte deux hydrophones 61 et 62, symétriques par rapport à un plan y yl passant par l'axe x xl. Selon une caractéristique de l'inyention, chaque pavillon porte un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants, soit deux hydrophones symétriques par rapport à un plan passant par l'axe x xl du transducteur, soit quatre hydrophones symétriques deux à deux par rapport à deux plans orthogonaux passant par l'axe x xl du transducteur. La figure 5 est une coupe transversale selon V-V de la figure 1. On voit sur cette figure que chaque hydrophone 6 comporte une plaque mince 7 en un polymère piézo-électrique,par exemple en polyfluorure de vinylidène (PVDF ou PVF2) ou tout autre polymère ayant des propriétés piézo-électriques équivalentes, ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de i mm, sur les deux faces de laquelle sont colles des disques en clinquant de laiton ayantune épaisseur de l'ordre de 0,1 mm qui font fonction d'électrodes. Chaque hydrophone comporte, en outre, deux plaques en un matériau visco-élastique 8a et 8b ayant une épaisseur de l'ordre de 1 mm, par exemple en poly-isoprène vendu sous la marque "Népurane", ou en tout autre matériau visco-élastique équivalent ayant, à la température ambiante, un module de Young E compris entre 105 et 109N/m2 et un coefficient d'amortissement ss compris entre 0,5 et 2. Chaque plaque visco-élastique 8a, 8b est intercalée entre deux plaques rigides respectivement 9a, 9b et 10a, 10b en alliage d'aluminium par exemple en AV4G, ayant une épaisseur de l'ordre de 0,7 mm. L'ensemble des hydrophones porté par un pavillon est enrobé dans une enveloppe étanche il en résine, par exemple en polyuréthane, qui forme autour du pavillon 4 une jupe 12. L'épaisseur totale des hydrophones 6 est de l'ordre de 10 mm, de sorte que la présence de ceux-ci ne modifie pas sensiblement les dimensions, ni le poids d'une antenne émettrice équipée de ces hydrophones. De plus, la composition des hydrophones selon l'invention fait qu'ils sont presque transparents acoustiquement, de sorte que leur présence ne modifie pas la sensibilité à l'émission du transducteur. A la réception, le pavillon fait fonction de réflecteur dur placé à l'arrière des hydrophones, tres près de la plaque centrale piézo-électrique 7. Les hydrophones 6 ne comportent pas de boîtier rigide ni d'air emprisonné dans l'hydrophone. Ils peuvent donc résister à de grandes profondeurs d'immersion et donc être associés à des antennes émettrices immergées à grande profondeur. Bien entendu, les clinquants en laiton faisant fonction d'électrodes sont connectés par des conducteurs 12 sur un récepteur électronique non représenté. Les hydrophones 6 selon la figure 5 comportant une plaque en polymère piézo-électrique intercalée entre des plaques en matériau visco-élastique ont une courbe de sensibilité à la réception très uniforme dans une large bande de fréquences. La figure 6 représente,en ordonnées, la sensibilité Sh mesurée sur un hydrophone selon l'invention exprimée en décibels référence IV/lmicropascal et en abscisses les fréquences en KHz. On voit que la sensibilité reste uniforme entre 4 KHz et 9 KHz et un transducteur équipé d'hydrophones ayant cette sensibilité peut être utilisé pour construire des antennes d'écoute dans une bande comprise entre 4 KHz et 9 KHz. La directivité d'une antenne réceptrice composée de rangées de transducteurs portant chacun un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants,symétriques par rapport à un plan ou à deux plans orthogonaux passant par l'axe du transducteur est bonne car tous les hydrophones occupant une même position sur tous les transducteurs d'une même colonne ou d'une même ligne horizontale, peuvent être couplés ensemble et reliés à un dispositif de commutation électronique qui permet d'effectuer un balayage de l'espace et d'obtenir en haute fréquence des diagrammes de directivité sans lobe secondaire gênant. Les hydrophones indépendants placés sur la face externe du pavillon de chaque transducteur, peuvent comporter une seule feuille de polymère piézo-électrique commune à tous les hydrophones et des électrodes en clinquant séparées pour chacun des hydrophones. REVENDICATIONS 1. Transducteur piézo-électrique de type Tonpilz, caractérisé en ce que la face externe du pavillon (4) porte un nombre pair d'hydrophones (6î, 62), identiques, indépendants, disposés symétriquement par rapport à au moins un plan (y yl) passant par l'axe(x xl) du transducteur. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la façe externe du pavillon (4) porte quatre hydrophones (61, (61, 62, 63, 64) symétriques deux à deux par rapport à deux plans orthogonaux (y yl, z zl) passant par l'axe (x xl) du transducteur. 3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun desdits hydrophones comporte une plaque mince (7) en un polymère piézo-électrique, dont les deux faces sont recouvertes d'un clinquant conducteur qui est intercalé entre deux plaques minces (8a, 8b) en un matériau visco-élastique. 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune desdites plaques (8a, 8b) en matériau visco-élastique est intercalée entre deux plaques minces(9a, 9b et 10a, 10b) en alliage d'aluminium. 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit polymère piézo-électrique est du polyfluorure de vinylidène. 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit matériau visco-élastique est du polyisoprène. 7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits hydrophones sont enrobés dans une enveloppe étanche (11) en résine polymérisable qui forme une jupe (12) autour du pavillon (4). 8. Antenne de sonar émettrice et réceptrice à large bande passante, caractérisée en ce qu'elle est composée de transducteurs piézo-électriques selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.