Brevet FR2573270A1 — publié le 19860516

TRANSDUCTEUR OMNIDIRECTIONNEL D'ONDES ELASTIQUES A LARGE BANDE PASSANTE METTANT EN OEUVRE UN BOBINAGE SPHERIQUE MAGNETOSTRICTIF ET PROCEDE DE FABRICATION La presente invention a pour objet un rra-ns- ducteur omnidirectionnel d'ondes élastiques à large bande passante mettant en oeuvre un bobinage sphérique magnétostrictif. Par ondes élastiques, on entend une onde de pression se propageant dans un liquide ou dans un gaz. Dans ce dernier cas, une onde élastique est souvent appelée onde acoustique. Le transducteur peut etre utilisé en émission, et il convertit alors un signal électrique en une onde élastique, ou en réception, et il convertit alors une onde élastique en un signal électrique. Le transducteur de L'invention est adapté notamment à La transmission des ondes sonores et ultrasonores. La transmission sous-marine de signaux élastiques de fréquence élevée (ondes ultrasonores) constitue un domaine privilégié d'application de t'invention. Le transducteur peut y être utilisé comme hydrophone aussi bien en récepteur qu'en émetteur. La Large bande passante de ce transducteur autorise la transmission de signaux de fréquence élevée tels que par exemple des signaux de télévision, des signaux de parole ou tous autres signaux d'information. La reproduction sonore de haute-fidélité constitue un autre domaine privilégié d'application de l'invention. Le transducteur utilisé en émission réalise un haut-parleur de hautes performances en particulier pour les fréquences aigues du spectre sonore. Le principe du transducteur de l'invention est fondé sur l'effet de magnétostriction. La magnetostriction est la propriété pour certains corps de subir une modification géométrique L'utilisation de tels matériaux pour ta conversion d'une onde électrique en une onde élastique n'est pas nouvelle. Le brevet français n" 7702333 in titulé "transducteur électroacoustique à noyau magné tostrictif" décrit un tel dispositif. Ce transducteur connu comporte prin-cipalement un barreau magnétostrictif disposé dans un solé- onde. Lorsqu'un signal de tension électrique est ap pliqué aux bornes de la bobine, il se crée dans L'axe du solénoïde un champ magnétique qui contracte ou dilate le barreau magnétostrictif selon la nature du matériau magnétostrictif employé. Ceci crée, au niveau de chacune des extrémités du barreau magnétostrictif, une onde élastique qui se propage suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe du barreau magnétostrictif. Il s'agit donc ici d'un transducteur électroacoustique monodirectionnel puisque L'onde élastique n'est émise que suivant la direction de L'axe du barreau. Ce caractère d'émission axial n'est pas souhaité dans toutes Les applications et peut même constituer un inconvénient important, notamment dans le cas de la reproduction d'ondes sonores en haute fidélité où l'on désire au contraire que l'onde élastique soit émise avec la même intensité dans toutes les directions. Le brevet français n08106150 intitulé "haut-parleur omnidirectionnel pour les fréquences aiguës du spectre sonore" décrit un transducteur électroacoustique utilisabLe dans l'air qui autorise la production d'une onde élastique sensiblement omnidi rectionnelle à partir de la dilatation linéaire, ou de la contraction linéaire selon le matériau employé, d'un barreau magnétostrictif On a représenté sur la figure 1 un mode de réalisation d'un haut-parleur selon l'enseignement de ce brevet. Ce haut-parleur comprend essentiellement deux hémisphères rigides 2 et 4 reliés l'un à l'autre par un joint annulaire élastique 6, auquel ils peuvent être fixés par collage, de manière à former une sphère pulsante, et un élément de commande 8 disposé à l'in térieur de la sphère et relié rigidement aux hémisphé- res 2 et 4. L'élément de commande 8 a une forme allongée et peut subir une variation de longueur en réponse à un signal électrique devant être converti en onde élastique. Cet élément de commande est orienté à l'intérieur de la sphère de telle manière que les forces résultant de ces variations de longueur soient transmises aux hémisphères 2 et 4 dans des directions perpendiculaires au plan de raccordement desdits hémisphares. La longueur de cet élément de commande 8 est de préférence inférieur au diamètre de la sphère et il est alors relié aux hémisphères 2 et 4 par des pièces rigides de transmission 10 et 12 qui prennent perpendiculairement appui sur les hémisphères 2 et 4 à des endroits suffisamment éloignés de la région de leurs sommets pour que chacun desdits hémisphères se déplace ou vibre d'un seul tenant, sans se déformer, en réponse aux variations de longueur de l'élément de commande 8. Ces pièces de transmission ont sensiblement la forme d'une calotte sphérique. L'élément de commande 8 est constitué d'un barreau 14, à section circulaire ou carrée, en un ma tériau magnétostrictif, autour duquel est disposée une bobine d'induction 16. Le signal éLectrique devant être converti en onde élastique est appliqué aux ex trémités de la bobine 16 par deux conducteurs électriques 18 et 20 qui passent à travers une ouverture formée dans le joint annulaire 6. Les pièces de transmission 10 et 12 permettent de convertir la vibration axiale du barreau magnétostrictif 14 en un déplacement de chacun des deux hémisphères 2 et 4. L'onde élastique produite est donc sensiblement omnidirectionnelle. Cependant, L'onde produite ne peut être parfaitement omnidirectionnelle. Ceci est du. en partie à La présence du joint annulaire élastique 6 qui relie Les deux hémisphères et qui interdit donc L'émission de l'onde sonore dans son plan, et ceci est dû également au fait que les pièces de transmission ne modifient pas le caractère linéaire de ta forcie transmise. Il ne s'agit donc pas exactement d'une sphère pulsante, c'est-à-dire ayant un rayon variable mais identique en chaque point à un instant donné, mais simplement de deux hémisphères ayant simultanément un mouvement linéaire de même direction et de sens opposé. Le but de l'invention est de remédier aux imperfections du dispositif décrit dans le brevet cité. Ce but est atteint par utilisation d'un bobinage sphérique en un matériau magnétostrictif. L'excitation de cette bobine magnétostrictive en émission, et la détection de sa pulsation en réception, sont obtenues par un fil électriquement conducteur isolé enroulé sur le fil magnétostrictif constituant la bobine magnétostrictive. De manière précise, L'invention a pour objet un transducteur omnidirectionnel d'ondes élastiques à large bande passante, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine sphérique formée d'un fil en matériau ma gnetostrictif autour duquel est enroulé un fit électriquement conducteur isolé, les extrémités dudit fil conducteur isolé servant, en émission, à appliquer un signal de tension alternatif qui est transformé en une onde élastique correspondante ; un signal de tension alternatif correspondant à l'onde élastique reçue apparaissant, à la réception, entre lesdites extrémités Selon un mode de réalisation préféré, le transducteur comprend en outre une couche d'enrobage afin d'assurer une bonne rigidité mécanique à la bobine. De manière préférée, le matériau magnétostrictif est un alliage au nickel. De manière préférée, la bobine comprend des moyens d'égalisation de ses pressions interne et externe. Ces moyens peuvent consister en au moins un orifice situé à proximité d'une extrémité de ladite bobine afin de permettre l'introduction du fluide enveloppant ladite bobine, par exemple de l'eau. Selon un autre mode de réalisation, le volume interne de la bobine est rempli d'un matériau élastique. Selon un mode de réalisation préféré, le transducteur de l'invention comporte un moyen de polairisation continue de la bobine. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ce transducteur. Ce procédé comporte les opérations successives suivantes - réalisation d'un moule sphérique creux, - bobinage sur ce moule d'un fil en matériau magnéto strict if comportant un fil électriquement conduc teur isolé enroulé sur lui, - élimination du moule. Selon une variante de fabrication, on effec- tue les opérations successives suivantes - réalisation d'une sphère pleine en un matériau éLas- tique, - bobinage sur cette sphère d'un fil en matériau ma gnétostrictif comportant un fil électriquement con -ducteur isolé enroulé sur lui. De manière préférée, après le bobinage du fil en matériau magnétostrictif, on applique une couche d'enrobage sur La surface de ladite bobine. Les caractéristiques et avantages de L'in- vention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non Limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - La figure 1, déjà décrite, ilLustre un transducteur électroacoustique sensiblement omnidirectionnel selon L'art antérieur, - la figure 2 illustre un mode de réalisa- tion du transducteur omnidirectionnel grondes Elasti- ques de l'invention, - la figure 3 illustre le bobinage du fil électriquement conducteur sur le fil en matériau magnétostrictif constituant la bobine sphérique, - Les figures 4a et 4b sont des chronogrammes représentant. respectivement un signal électrique V appliqué au transducteur poLarisé de la figure 2 et e l'amplitude A de l'onde élastique correspondante émise, - Les figures 5a et 5b sont des chronogrammes représentant respectivement un signal électrique V appliqué à un transducteur omnidirectionnel non po e larisé et L'amplitude A de Tonde élastique correspondante émise, et - la figure 6 illustre l'application du transducteur omnidirectionnel d'ondes élastiques de L'invention à la production d'une onde élastique intense parfaitement unidirectionnelle. On a représenté sur la figure 2 un mode de réalisation du transducteur omnidirectionnel d'ondes élastiques de l'invention. Il est constitué d'une bobine sphérique 22 obtenue par bobinage d'un fil 24. Pour des raisons de clarté de la figure, on a représenté une bobine à spires non jointives. Il faut noter toutefois qu'en pratique, un bobinage à spires jointives est préférable car l'omnidirectionalité est d'autant meilleure que la bobine est homogène. Comme on l'a représenté sur la figure 3, ce fil 24 est constitué d'un fil 26 en matériau magnétostrictif sur lequel est bobiné un fil électriquement conducteur 28. Ce dernier est isolé électriquement du fil magnétostrictif. Il peut être constitué par exemple d'un fil de cuivre gainé ou émaillé. Les extrémités de ce fil électriquement conducteur constituent les extrémités 30, 32 de la bobine sphérique. Les matériaux magnétostrictifs sont bien connus de l'homme de l'art. Rappelons simplement qu'ils sont classés en quatre groupes principaux qui sont les alliages métalliques, les ferrites, les composés fer-terres rares et les composés amorphes magnétiques ou verres métalliques. Parmi les alliages métalliques les plus utilisé, on peut citer le nickel polycristallin, certains alliages fer-nickel, feraluminium, nickel-cobalt et fer-cobalt. Les alliages de nickel-cobalt sont des matériaux intéressants en ce qu'ils cumulent les avantages de posséder un fort coefficient de couplage électromé- canique, d'être faciles à fabriquer et d'être très résistants à la corrosion. A titre d'exemple, un matériau comprenant 96% de nickel et 4% de cobalt a un coefficient de couplage électromécanique de 0,5. Pour plus de détail sur les différents materiaux magnétostrictifs et leurs propriétés, on pourra se reporter par exemple au volume Electronique, article E 1880, pages 8 et 9 de l'Encyclopédie des Techniques de l'Ingénieur, 21 rue Cassette, Paris. La bobine sphèrique 22 est une sphère pulsante homogène. Ainsi,- lorsqu'une différence de tension est appliquée entre les extrémités 30 et 32 du fil conducteur 28, un courant parcourt ce fil conducteur créant un champ magnétique homogène au niveau de la bobine magnétostrictive. Tous les points de la bobine constituent alors des émetteurs identiques d'ondes élastiques. La bobine est par conséquent un émetteur d'onde élastique omnidirectionnel parfait. Cet émetteur présente en outre l'avantage sur les appareils connus d'avoir une très large bande passante. A titre d'exemple, cette bande passante s'étend de quelques kilohertz à plusieurs centaines de kilohertz pour une bobine sphérique de 4cm de diame- tre. La fréquence centrale de ta bande passante est liée à la taille de la bobine sphérique. Pour L'émis- sion de fréquences basses, il faut déplacer un volume important de fluide (eau, air,...) ; la bobine sphérique a dans ce cas un diamètre important. Pour L'émise sion de fréquences élevées, il faut que l'inertie mécanique de la bobine sphérique soit faible, ce qui conduit à utiliser de préférence une bobine sphérique de petit diamètre. Toutefois, on peut également utilisé ser une bobine sphérique de grand diamètre pour l'émission de fréquences élevées pour autant que l'inertie mécanique de cette bobine sphérique est faible, ce qui peut etre obtenu si la section du fil magnétostrictif est faible. Des expériences ont montré que la puissance de l'onde élastique émise peut être appréciable. Cette puissance est limitée par ltéchauffement du fil conducteur. Il est intéressant de noter que la puissance maximale que L'on peut appliquer à La bobine sphérique est nettement plus importante si et le est plongée dans l'eau que si elle est plongée dans l'air. En effet, l'eau refroidit le fil conducteur alors que dans l'air, La chaleur de la sphère n'est pas évacuée. Selon un mode de réalisation préféré, la bobine sphérique 22 est polarisée en continu par une source de tension continue 34. Ceci permet de créer une onde acoustique dont l'amplitude A représentée sur la figure 4b est proportionnelle au signal de tension électrique Ve appliqué aux bornes de la bobine sphérique 22 et représenté sur la figure 4a. La polarisation de la bobine sphérique n'est pas obligatoire lorsque le transducteur est utilisé en émission mais dans ce cas on double la fréquence du signal électrique alternatif appliqué. En revanche, cette polarisation est nécessaire en réception. La tension appliquée aux extrémités 30 et 32 du fil conducteur est alors modulée par l'onde élastique reçue. Les figures 5a et 5b illustrent la relation entre le signal électrique V appliqué aux connexions e 24 et 26 de la sphère 22 de la figure 4 et l'amplitude A de l'onde élastique émise en l'absence de polarisation de la bobine sphérique. Celle-ci constitue ici un émetteur qui double la fréquence du signal électrique. De préférence, pour assurer la rigidité de la bobine sphérique, celle-ci est recouverte d'une couche d'enrobage (non représentée sur la figure 2) du genre ciment-colle qui devient très dure après séchage. Un tel produit est avantageux en ce qu'il favorise la transmission des ondes ultrasonores. Cette couche comporte avantageusement au moins un orifice 36 disposé par exemple à proximité d'une des extrémités 30 et 32 du fil conducteur, pour maintenir égales les pressions sur les surfaces interne et externe de la bobine sphérique, en permettant au fluide dans lequel est plongé le transducteur de pénétrer dans ladite bobine sphérique. Ce moyen d'égalisation n'est pas nécessaire si La bobine sphérique est plongée dans l'air. En revanche, si elle est utilisée par exemple dans l'eau, la pression exercée sur La face externe de la bobine sphérique est importante et doit etre compensée des lors que la profondeur de travail dépasse quelques mètres. Les orifices pratiques dans la couche d'enrobage réalisent cette compensation. Il est bien connu que t'eau pure est inelas- tique. Elle ne peut donc pas être utiLisée pour remplir la bobine sphérique qui ne pourrait alors plus pulser. En revanche, il nty a pas d'inconvénient à utiliser de L'eau naturelLe (eau de mer, de lac, ...) qui, contenant de l'oxygène libre et des microorganismes, possède une certaine élasticité. Les orifices d'égalisation des pressions interne et externe peuvent être remplacés par un matériau élastique remplissant l'intérieur de la sphère. Dans ce dernier cas, le fil magnétostrictif est directement bobiné sur La sphère en matériau élastique, par exemple en mousse. On va maintenant décrire un mode de fabrication du transducteur omnidirectionnel de l'invention. SeLon ce mode de fabrication, on réalise d'abord un moule sphérique creux en une matière rigide, par exemple en matière plastique. On peut par exemple utiliser une matière plastique semblable à celle qui est utilisée pour la fabrication des balles de ping pong. Comme ces dernières, le moule sphérique pourra etre réalisé par collage de deux hémisphères. On bobine ensuite le fil 24, constitué d'un fil 26 en matériau magnétostrictif sur lequel est enroulé un fil électriquement conducteur isolé 28 ; les extrémités du fil conducteur isolé 28 constituent les bornes permettant d'exciter le matériau magnétostrictif ou de détecter une pulsation de celui-ci. La bobine sphérique est ensuite rendue rigide par le dépôt d'une couche d'enrobage, constituée par exemple d'un ciment-colle devenant très dure aprés séchage. Dans une étape suivante, on perce au moins un orifice 36 dans cette couche d'enrobage, par exemple à proximité de l'une des extrémités du fil conducteur, de manière à permettre L'élimination du moule creux. Cette élimination est obtenue en plongeant la bobine sphérique dans un bain disso-lvant ce moule. Dans le cas où le moule est en une matière plastique semblable à celle des balles de ping pong, cette dissolution est obtenue aisément par immersion de la bobine sphérique dans l'acétone. L'orifice ménagé pour dissoudre le moule permet également de maintenir égales les pressions interne et externe de la bobine. Bien que le but de l'invention ait été de proposer un émetteur et un récepteur omnidirectionnels d'ondes élastiques, le transducteur de l'invention peut également trouver une application dans L'émission ou La réception d'ondes élastiques très directive. Un exemple d'une telle application est représenté sur la figure 6. Sur cette figure, la bobine sphérique 22 de l'invention est placée au foyer d'un paraboloide de révolution 38. Ce montage permet d'obtenir, en émission, une onde élastique unidirectionnelle de grande intensité et en réception, un détecteur de grande sen sibilité. En conclusion on trouvera résumés ci-après les principaux avantages du transducteur de L'invention : - omnidirectionnalité parfaite - très large bande passante - émetteur puissant, notamment dans les liquides, par exemple dans l'eau (hy-drophone) grâce au refroidis sement possible - détecteur sensible - transducteur simple, donc fiable et peu coûteux - facilité de fabrication. REVENDICATIONS 1. Transducteur omnidirectionnel d'ondes élastiques à large bande passante, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine sphérique (22) aFe d'un fil (26) en matériau magnétostrictif autour dwqwel est enroulé un fil électriquement conducteur isage (28), les extrémités dudit fil conducteur isolé serv-ant, en émission, à appliquer un signal de tension alternatif qui est transformé en une onde élastique correspondan- te ; un signal de tension alternatif correspondant à L'onde élastique reçue apparaissant, à la réception, entre lesdites extrémités. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche d'enrobage recouvre ladite bobine. 3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau magnétostrictif est un alliage au nickel. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bobine comprend des moyens d'égalisation de ses pressions interne et externe. 5. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en au moins un orifice (36) situé à proximité d'une extrémité (30, 32) de la bobine. 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le voLume interne de la bobine est rempli d'un matériau élastique. 7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'ive comporte un moyen (34) de polarisation continue de la bine. 8. Procédé de fabrication du transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue les opérations successives suivantes - réalisation d'un moule sphérique creux, - bobinage sur ce moule d'un fil (26) en matériau ma gnétostrictif comportant un fil (28) électriquement conducteur isolé enroulé sur lui, - élimination du moule. 9. Procédé de fabrication du transducteur selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue les opérations successives suivantes - réalisation d'une sphère pleine en un matériau élas tique, - bobinage sur cette sphère d'un fil (26 > en matériau magnétostrictif comportant un fil C28) éLectrique ment conducteur isolé enroulé sur lui. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'après le bobinage du fil en matériau magnétostrictif,5 on applique une couche d'enrobage sur la surface de ladite bobine.