Brevet FR2617659A1 — publié le 19890106

La présente invention concerne un transducteur piézo-électrique comportant une combinaison d'éléments sensibles coaxiaux. Un tel transducteur piézo-électrique peut être utilisé par exemple pour la mesure de pressions, notamment dans les domaines de l'océanographie ou de la prospection sismique, ou bien encore pour la mesure de contraintes directionnelles. Les transducteurs piézo-électriques comportent généralement un ou plusieurs éléments sensibles constitués chacun d'un substrat possédant des propriétés piézo-électriques et deux électrodes ou armatures disposées de part et d'autre. Le substrat peut être réalisé sous la forme de disques en céramique de dimensions relativement petites, inclus dans un boîtier rigide pourvu d'une ou plusieurs faces transparentes aux ondes acoustiques. Le brevet français n 2.122.675 montre la réalisation d'un capteur piézo-électrique o un, et de préférence deux disques en céramique, muni chacun de ses électrodes, sont fixés sur deux plaques souples en regard l'une de l'autre. Une au moins des plaques est pourvue d'une partie périphérique rigide plus épaisse venant en appui contre l'autre. Les disques peuvent être réalisés par frittage de matériaux en poudre possédant des propriétés piézo-électriques. Ils possèdent une grande sensibilité mais sont fragiles mécaniquement. Le substrat peut aussi être réalisé sous la forme de rubans ou de plaques souples réalisés à partir d'un matériau synthétique plastique - 2 - auquel un traitement confère des propriétés piézo-électriques. On utilise généralement des matériaux tels que le PVDF (polyfluorure de vinylidène), le polyéthylène, le PTFE (polytétrafluorure d'éthylène) etc, que l'on étire avant de leur appliquer une polarisation électrique. Comme les spécialistes le savent, on peut utiliser aussi des copolymères qui ont la propriété de cristalliser directement sous une forme polarisable sans qu'il soit nécessaire de les étirer au préalable. Par l'emploi de bandes ou plaques souples, on peut construire des hydrophones continus de longueur relativement grande qui réalisent des filtrages en nombre d'onde. Incorporés dans des flûtes sismiques remorquées par un navire, ils permettent notamment de filtrer certains bruits parasites et de faciliter La réception des signaux renvoyés par des discontinuités du sous-sol immergé, en réponse à des ondes sismiques émises par une sourve remorquée. On a déjà réalisé des transducteurs piézo-électriques ayant une forme coaxiale en utilisant les techniques connues dans le domaine de la fabrication des câbles de transmission de signaux. Le matériau diélectrique disposé entre l'armature interne et l'armature externe est alors remplacé par un substrat réalisé à partir d'un matériau synthétique plastique tel que ceux rappelés ci-dessus et polarisé radialement. L'armature externe est suffisamment fine pour être transparente aux ondes acoustiques. On emploie par exemple un film de peinture conductrice ou une métallisation sous-vide. Une gaine d'étanchéité en élastomère isole électriquement l'armature externe. Celle-ci et l'armature interne sont connectées à un préamplificateur adaptateur d'impédance. Comme on utilise des techniques de fabrication classiques, le prix des transducteurs coaxiaux est souvent plus avantageux que celui des transducteurs à films plats et minces. En -3- outre L'armature extérieure constitue un blindage électrique naturel. De tels transducteurs piézo-électriques coaxiaux sont décrits par exemple dans Le brevet US-4.568.851 ou La demande de brevet PCT publiée WO 86/00.757. Les câbLes coaxiaux piézo-électriques sont souvent impropres à une utilisation dans l'eau lorsqu'ils sont soumis à des perturbations diverses. C'est le cas lorsqu'ils sont employés comme hydrophones et remorqués en mer pour les besoins de la prospection sismique ou pour effectuer des repérages et localisations de sources sonores. Une accélération radiale provoque une surpression d'un côté du câble et une dépression du côté opposé. Des charges électriques sont engendrées du fait des variations de pression. Elles sont désignées contraires de part et d'autre du câble mais en général, il n'y a pas de compensation totale. Une accélération crée donc une tension parasite. Si un tel câble piézoélectrique subit un fléchissement au cours de son remorquage, il va se produire une compression du substrat sensible du côté convexe et une extension du côté opposé. Les charges de signes opposés qui apparaissent, ne se compensent généralement pas non plus. Comme la sensibilité radiale, les signaux parasites nés des accélérations ou flexions peuvent même masquer les signaux utiles à mesurer. Le transducteur piézo-électrique selon l'invention permet d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. Il est réalisé à partir d'éléments sensibles de structure coaxiale comportant un substrat constitué en un matériau possédant des propriétés piézo-électriques, associé chacun à deux armature conductrices l'une interne, l'autre externe. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments sensibles piézo-électriques de structure coaxiale comportant des substrats polarisés radialement mais en sens inverse l'un de l'autre, et dont les armatures sont reliées 2617 6 5 9 - 4 - deux à deux, ces deux éléments sensibles étant disposés au voisinage l'un de l'autre et liés ensemble par un matériau d'enrobage. L'armature externe de l'un des éléments sensibles est connectée de préférence à l'armature interne de l'autre éLément sensible et réciproquement. Un nombre pair d'éLéments sensibles dont les polarisations radiales sont opposées deux à deux, peuvent être répartis en couronne et noyés dans un matériau d'enrobage. Ils peuvent encore être disposés à l'intérieur d'une gaine pourvue d'un évidement central servant par exemple à faire passer des câbles divers ou des canalisations éventuellement. La disposition relative des éléments sensibles et L'interconnexion électrique de leurs armatures, permettent ainsi de compenser les accélérations ou flexions qui leur sont appliqués suivant au moins une direction. En multipliant ainsi le nombre d'éléments sensibles, on peut obtenir un transducteur piézo-électrique capable de compenser efficacement les accélérations ou flexions radiales quelles que soient leurs directions d'application. On peut, au contraire, en privilégeant une direction particulière, obtenir un transducteur piézo-électrique capable de mesurer des contraintes directionnelles. D'autres caractéristiques et avantages du transducteur selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisations données à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexes o: - la figure I montre un transducteur piézo- électrique pourvu de deux éléments sensibles coaxiaux, disposés côte à côte; - la figure 2 montre une portion d'éléments sensibles piézo- électriques. - la figure 3 montre, vu en coupe, un transducteur pourvu de quatre éléments sensibles interconnectés électriquement deux à deux; et - la figure 4 montre, également en coupe, un transducteur pourvu d'une pluralité d'éléments sensibles répartis dans une gaine o est ménagé un évidement tubulaire pour des câbles ou des canalisations. Suivant le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif comporte deux éléments sensibles coaxiaux 1, 2. Chacun d'eux comporte (figure 2) une électrode ou armature intérieure 3 constituée par exemple d'un fil métallique noyé dans une substance souple possédant des propriétés piézo-électriques, moulée sous forme cylindrique. Contre la surface extérieure du cylindre est appliquée une armature extérieure 5. La substance utilisée peut être constituée d'une poudre possédant des propriétés piézo-électriques (du PZT par exemple) mélangée à un matériau de liaison souple. On peut utiliser aussi un polymère du type PVDF notamment. Le procédé de fabrication inclut un étirage de la substance noyant l'armature interne de manière à orienter ses molécules avant l'application du champ électrique qui lui donne sa polarisation. La substance 4 peut être réalisée aussi à partir de copolymères d'un type connu choisis pour cristalliser directement sous une forme polarisable. L'armature externe 5 est réalisée par exemple sous la forme d'une tresse de fils conducteurs. De préférence, cette tresse est enrobée dans une couche d'un matériau composite conducteur. Elle peut être réalisée aussi plus simplement sous la forme d'une couche mince de ce même matériau composite ou encore d'un film métallique déposé sous vide par exemple. Ces techniques de fabrication sont bien connues des spécialistes et permettent de fabriquer de façon continue des très grandes longueurs de câble piézo-électrique. Les deux éléments sensibles coaxiaux 1, 2 sont des sections de câble de même longueur mais prélevées dans des câbles coaxiaux ayant des polarisations radiales opposées. De cette manière, une même contrainte -6appliquée aux deux éléments sensibles engendrant des charges électriques de signes opposés sur les armatures identiques. On interconnecte alors les armatures portant dans ce même exemple des charges de même signe. L'armature externe de l'une est ainsi connectée électriquement à l'armature interne de l'autre et réciproquement. Chaque paire d'armatures interconnectées est réunie à une même borne d'un préamplificateur adaptateur 6. Les deux éléments sensibles 1, 2 sont disposés côte-a-côte et réunis ensemble par une gaine isolante en élastomère 7 transparente aux ondes acoustiques. 'Avec ce mode d'interconnexion, il se produit une addition des charges électriques développées sur les armatures des deux éLéments sensibles par l'application de pressions qui sont des grandeurs isotropes. On vérifie expérimentalement aussi que l'ensemble ainsi constitué présente une meilleure immunité aux bruits dus aux accélérations et aux flexions en raison des compensations de charges qui se produisent. C'est vrai en particulier quand une même contrainte directionnelle provoque une compression de l'un des éléments sensibles et un étirement de l'autre. Ceci se produit notamment dans le mode de réalisation de la figure 1 o les contraintes appliquées ont une composante dans le plan passant par les axes des deux éléments sensibles. Les effets de pressions s'ajoutant et les contraintes parasites se compensant, le rapport du signal au bruit augmente. On peut améliorer encore cette immunité, si on réunit dans une même gaine plusieurs paires d'éléments sensibles à polarisations radiales inverses interconnectées de la façon indiquée plus haut. Suivant le mode de réalisation de la figure 3, quatre éléments sensibles 8, 9, 10, 11 formant deux paires sont réunies dans une même gaine 12. Ces deux paires (8, 9) et (10, 11) sont disposées respectivement dans des plans différents qui peuvent être perpendiculaires par exemple. De la même façon, on interconnecte les armatures o des charges de signes - 7 - opposés apparaissent pour une même accélération ou une même flexion. Ainsi les armatures externes des éléments sensibles 8, 11 sont interconnectées par exemple avec Les armatures internes des éléments 9 et 10, et les armatures internes des mêmes éléments 8, 11 sont, elles, interconnectées aux armatures externes des éléments 9 et 10. Les deux interconnexions réalisées sont connectées respectivement aux bornes d'un préamplificateur adaptateur (non représenté) comme dans le cas précédent. On obtient Là encore une augmentation du signal au bruit. Le nombre d'éléments sensibles peut être multiplié pour rendre encore moins directionnelle la compensation des accélérations et des flexions subies par le transducteur et améliorer son immunité aux bruits. Suivant le mode de réalisation de la figure 4, on dispose un certain nombre de paires d'éléments sensibles de polarisations radiales opposées (quatre par exemple) autour d'un tube central creux 13 et on les maintient en position les unes par rapport aux autres par un matériau d'enrobage isolant 14. L'ensemble est protégé extérieurement par une gaine en élastomère 15. On réalise Les interconnexions électriques définies précédemment de manière que les charges électriques apparaissant sur les différentes armatures en raison des accélérations et flexions se compensent. Dans le tube creux central 13, on peut -faire passer des éléments allongés 16 tels que des câbles de traction, des câbles d'alimentation électrique, des câbles de transmission de signaux, etc. Les différents éléments passant par le tube central sont maintenus en place par une injection dans celui-ci d'un gel 17 aux silicones par exemple. On peut réaliser ainsi une flûte sismique de grande longueur. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en donnant aux différents éléments sensibles une configuration telle que le transducteur soit rendu sélectif à des contraintes reçues suivant une ou plusieurs - 8 directions différentes de manière à réaliser par exemple des jauges de contrainte. Au lieu de la disposition en couronne montrée aux figures 3, 4, on peut choisir une autre répartition o les éléments sensibles sont disposés dans un même plan ou bien à des distances différentes du centre. -9_ REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. - Transducteur piézo-électrique réalisé à partir d'éléments sensibles de structure coaxiale comportant un substrat (4) constitué en un matériau possédant des propriétés piézo-électriques, associé chacun à deux armatures conductrices, l'une interne (3), l'autre externe (5), caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments sensibles piézoélectriques (1, 2) de structure coaxiale réalisés respectivement à partir de substrats polarisés radialement mais en sens inverse l'un de l'autre, et dont les armatures sont reliées électriquement deux à deux, ces deux éléments sensibles étant disposés au voisinage l'un à l'autre et liés ensemble par un matériau d'enrobage (7). 2. - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'armature externe (5) de l'un des éléments sensibles est connectée à l'armature interne (3) de l'autre élément sensible, et réciproquement. 3. - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair d'éléments sensibles (8 à 11) réalisés à partir de substrats dont les polarisations radiales sont opposées deux à deux, ces éléments sensibles étant répartis en couronne et noyes dans un matériau d'enrobage. 4. - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre par d'éléments sensibles réalisés à partir de substrats dont les polarisations radiales sont opposées deux à deux, ces éléments sensibles étant disposés à l'intérieur d'une gaine (15) et noyes dans un matériau d'enrobage (14), ladite gaine étant pourvue d'un évidement central (13). 5. - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que 2617 6 5 9 - 10 - l'évidement central (13) est tubulaire et des éLéments allongés (16) sont logés dans ledit évidement. 6. - Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit évidement contient une substance diélectrique (17). 7. - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la gaine (15) est réalisée en un matériau amortissant les bruits d'écoulement. 8. - Transducteur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les armatures des différents éléments sensibles sont interconnectées de manière à compenser mutuellement les charges électriques apparaissant sur Les différentes armatures, consécutivement à des accélérations ou des flexions suivant au moins un plan radial. 9. - Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments sensibles sont répartis à l'intérieur d'une gaine pourvue d'un évidement central (13). 10. - Transducteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdits éléments allongés (16) sont des câbles ou des canalisations. 11. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la disposition relative des éléments sensibles est choisie pour favoriser au moins une direction de plus grande sensibilité aux contraintes appliquées.