Brevet FR2641155A1 — publié le 19900629

_ 1 - La présente invention a pour objet un capteur de signaux insensible aux variations de la pression statique régnant dans le milieu o il est disposé. Un tel capteur de signaux peut être utilisé dans tout milieu o l'on fait des mesures de signaux acoustiques et notamment dans l'eau. Il convient par exemple, en océanographie, pour effectuer des opérations de détection sous-marine ou encore pour constituer des dispositifs de réception multi-capteurs convenant pour des opérations de prospection sismique marine. Par le brevet français n 2 122 675, on connait un hydrophone comprenant deux plaques circulaires. L'une au moins des deux plaques comporte une partie centrale flexible contre laquelle est fixe un éLément sensible constitué d'un disque en céramique piézo-électrique associé à une électrode sur chacune de ses deux faces planes opposées. La partie périphérique des deux plaques est renforcée et rigide. Les deux plaques sont appliquées l'une contre l'autre et délimitent une cavité intérieure remplie d'air. Les variations des signaux sismiques à mesurer déforment chaque partie centrale flexible. Chaque éLément sensible fonctionne en flexion, ce qui lui donne une sensibilité élevée. La pression statique qui augmente avec la profondeur d'immersion par exemple, a pour effet de faire fléchir chaque plaque flexible vers l'intérieur du boîtier. Le dispositif est conçu pour que la déformation possible des plaque flexibles sous l'effet de la pression statique reste réversible. A cet effet, l'écartement des deux plaques est choisi par exemple pour qu'elles viennent en butée l'une contre l'autre avant que leur déformation ne devienne irréversible. 26 4 1155 -2- Un tel hydrophone convient pour une gamme de profondeurs déterminee. En rendant les deux plaques opposées plus épaisses, on peut élargir la gamme de profondeur o l'hydrophone fonctionne mais c'est au détriment de sa sensibilité. IL faut noter aussi que La capacité électrique de chaque élément sensible fonctionnant en flexion varie avec la flèche de la déformation. La réponse de l'hydrophone change donc avec la profondeur. Par le brevet français 1 556 971, on connait aussi un hydrophone comportant un élément sensible fixe à une plaque mince flexible, laquelle est assujettie à un corps rigide. Celui-ci comprend deux cavités intérieures remplies d'air communiquant par un canal capillaire. Une première cavité est séparée du milieu extérieur par une membrane flexible. La face extérieure de la plaque flexible est exposée à la pression à mesurer. Sur sa face intérieure s'applique la pression régnant dans la seconde cavité. Les variations de la pression extérieure sont transmises dans la première cavité par déformation de la membrane flexible. Mais le canal capillaire agissant comme un filtre passe-bas, empêche la transmission des variations dynamiques de la pression à mesurer dans la seconde cavité, du côté intérieur de la plaque mince. Les variations de pression dynamiques peuvent donc être mesurées. Avec un tel agencement, la gamme de profondeurs o l'hydrophone peut fonctionner est accrue notablement. Les limites sont fixées essentiellement par la capacité de la membrane à compenser par sa déformation, les variations de la pression statique extérieure. On peut noter aussi que l'effet de filtrage des variations dynamiques procuré par le capillaire, dépend de sa longueur. Si l'on cherche à élargir le plus possible vers les basses fréquences la bande passante d'un tel hydrophone, il faut employer un capillaire tres long. Dans la pratique cette solution est difficilement compatible avec la construction d'hydrophones très petits comme on en emploie en grand nombre pour la construction des flutes sismiques par exemple. - 3 - Le capteur seLon l'invention permet d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. Il comporte au moins une plaque flexible, un eLément sensible fixé à cette plaque et des moyens de filtrage pour soustraire une des faces de chaque plaque aux variations dynamiques de la pression du milieu. Il est caractérisé en ce que les moyens de filtrage comportent un volume d'un matériau amortisseur adapté à transmettre à cette face les variations de la pression statique du milieu. Le volume de matériau amortisseur est contenu par exemple dans un boîtier ouvert sur le milieu. Le volume de matériau amortisseur est réalisé par exemple à partir d'une substance fibreuse ou poreuse, d'une substance dite syntactique, de billes en matière solide (du verre par exemple) enrobées dans un liant ou baignant dans un liquide. Suivant un mode de réalisation, le capteur selon l'invention comporte au moins une paire de plaques flexibles munies chacune d'un élément sensible, et un volume d'un matériau amortisseur pour soustraire une face de chacune des plaques aux variations dynamiques de la pression dans le milieu. Les deux plaques flexibles sont par exemple des parois d'un boîtier commun contenant le volume de matériau amortisseur et pourvu d'ouvertures, ce boîtier pouvant comporter une partie grillagée et être remplie par exemple de billes de verre. Lorsque le matériau amortisseur est suffisamment solide pour être découpe en blocs, on peut aussi réaliser le capteur selon l'invention en appliquant- au moins une plaque flexible munie de son élément sensible, contre une face dudit bloc. Le volume de matériau amortisseur, qu'il soit solide ou imprégné de liquide, étant adapté à transmettre tout changement de la pression statique du milieu, les deux face opposées de chaque plaque flexible sont donc soumises à des forces égales. Les effets néfastes et/ou les limitations apportés aux capteurs antérieurs par l'augmentation de la pression statique du milieu, sont ici totalement 26 4 1 155 - 4 - supprimés. On peut donc utiLiser des plaques très minces, très fLexibLes et obtenir un capteur de sensibilité éLevée indépendamment de la pression statique du milieu o iL est placé. Quel que soit le mode de réalisation choisi pour réaliser le capteur selon l'invention, la construction est rendue plus simple du fait que le matériau amortisseur est en équi-pression avec le milieu extérieur et même dans certains cas, est imprégné de ce milieu même. Les difficultés que l'on pouvait rencontrer pour isoler de façon étanche le milieu intérieur au boîtier du capteur, sont ici éliminées. La construction d'un boîtier pourvu d'ouvertures et par exemple d'une partie grillagée et remplie de matériau amortisseur est très facile à réaliser. On peut donc obtenir à moindre coût un capteur très sensible et de petites dimensions. D'autres caractéristiques et avantages du capteur selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: - la figure 1 montre la constitution d'un élément sensible; - la figure 2 montre un premier mode de réalisation du capteur avec une seule plaque flexible; - la figure 3 montre un second mode de réalisation du capteur avec deux plaques flexibles; - la figure 4 montre une variante du mode de réalisation précedent; - la figure 5 montre un troisième mode de réalisation du capteur selon l'invention, et - la figure 6 montre une utilisation du capteur à l'intérieur d'une flûte sismique. Chaque capteur comporte (fig. 1) un ou plusieurs éléments sensibles i constitués chacun par exemple d'un disque 2 réalisé en un matériau piézoélectrique sur les faces opposées duquel sont collés deux films conducteurs 3, 4 constituant les électrodes collectrices. Des conducteurs électriques 5 permettent de relier les électrodes à un amplificateur adaptateur (non représenté) comme il est bien connu. Suivant Le mode de réalisation de la figure 2, le capteur 26 4 1155 -5 comporte par exemple au moins un élément sensible 1 appliqué contre une plaque circulaire 6 mince et flexible pourvue d'un rebord annulaire 7. Cette plaque à rebord 6, 7 est sertie sur une extrémité d'un manchon tubulaire rigide 8. L'extrémité opposée du manchon est fermée par une plaque 9 pourvue d'ouvertures, une grille par exemple. Les ouvertures mettent l'intérieur du manchon 8 en communication avec le milieu extérieur. On remplit l'intérieur du manchon avec un matériau amortisseur 10 choisi pour sa capacité à filtrer les variations dynamiques de la pression extérieure jusqu'à des fréquences très basses. Différents matériaux peuvent convenir. On choisit par exemple un matériau fibreux tel qu'une mèche en fibre de verre ou en textile. En opération, ce matériau fibreux s'imprègne du fluide o le capteur de pression est plongé. La pression statique du fluide s'exerce donc des deux côtés de la plaque 6 supportant l'élément sensible 1. En raison du filtrage opéré par le matériau amortisseur , les variations dynamiques de la pression de fluide ne s'exercent que d'un seul côté de la plaque flexible. L'élément sensible 1 peut donc capter les vibrations de celle-ci et les traduire en un signal électrique. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le capteur comporte deux éléments sensibles 1 associés respectivement à deux plaques identiques 6, 7 coiffant les extrémités opposées d'un manchon 8 dont la paroi latérale est traversée par de nombreux orifices 11. L'intérieur du manchon 8 est rempli d'un matériau amortisseur analogue, une subtance fibreuse ou bien encore une substance poreuse susceptible de s'imprégner du fluide pénétrant dans le manchon par les ouvertures 11. De la même façon ce matériau amortisseur a pour effet de soustraire les faces intérieures des deux plaques 6, 7 à la pression statique du milieu. Les deux éléments sensibles sont interconnectés électriquement (par des conducteurs non représentés) comme il est bien connu pour réaliser une compensation électrique des accélérations. On peut encore utiliser comme matériau amortisseur une 26 4 1155 - 6- substance composite du type dit syntactique. Suivant le mode de réalisation de la figure 4, les deux plaques flexibles à rebord 6, 7 coiffent les extrémités d'un manchon constitué d'une portion de tube grillagé 12. L'intérieur est rempli d'un matériau amortisseur fibreux ou poreux comme précédemment ou bien encore de particules ou billes de verre 13 de quelques millimètres de diamètre. Ces billes peuvent être prises dans un liant 14 tel qu'une résine époxy. L'impédance acoustique du verre est très différente de celle de la résine de liage. En raison de la densité élevée de billes qu'il contient et donc d'interfaces verre/époxy, le matériau composite a pour effet d'absorber les- ondes acoustiques variables. La résine époxy constituant le liant est suffisamment défavorable pour que les variations de la pression statique extérieure soient transmises aussi à la face interne de chaque plaque 6, 7. Avec ce mode de réalisation aussi, le capteur est apte à fonctionner quelle que soit la pression statique du milieu extérieur. Les billes ou grains peuvent être réalisés d'une façon générale à partir de toute matière solide dont l'impédance acoustique est différente de celle du matériau intersticiel. Suivant une variante, la substance intersticielle entre les billes peut être remplacée par le ftuide o le capteur est placé. Dans le mode de réalisation de la- figure 5, le matériau amortisseur a une cohésion suffisante pour être découpé en un bloc 15. Chaque plaque-support 6, 7 est plaquée directement contre une face du bloc 15 de manière que sa face intérieure soit soustraite aux variations de pression dynamiques qui sont absorbées par le matériau. Des capteurs, selon L'un des modes de réalisation des figures 2 à 5, peuvent être inclus dans une flûte sismique marine 16. Celle-ci comporte géneralement une gaine souple 17 de grande longueur remplie d'huile ou de kérosene par exemple tout au long de laquelle sont répartis un grand nombre de capteurs de pression 18. Du fait des ouvertures pratiquées dans chaque manchon 8, le matériau amortisseur quand il est fibreux ou poreux, s'impregne du liquide remplissant la flûte 16. Les variations de la pression extérieure, qu'elles soient -7- statiques ou dynamiques, sont transmises au liquide intérieur au travers de la gaine 17. Mais là encore seules les variations dynamiques de la pression sont mesurées par chaque élément sensible. Dans les différents modes de réalisation décrits, le fluide o le capteur est placé peut être utilisé comme fluide intersticiel (cas des billes de verre) ou comme fluide d'imprégnation (cas des matériaux poreux ou fibreux). Le fluide peut être de l'eau si le capteur est utilisé tel quel comme hydrophone. On note cependant que l'effet d'amortissement des signaux acoustiques est meilleur quand le liquide est visqueux. C'est le cas du liquide remplissant généralement les flûtes sismiques. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en isolant le boîtier du capteur du milieu extérieur. Le fluide à l'intérieur de celui-ci est alors maintenu en équi-pression statique avec le milieu extérieur par des moyens d'équilibrage. Ce fluide peut dans ce cas être choisi en fonction de ses propriétés physiques pour constituer avec le milieu amortisseur un absorbant acoustique optimal. On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en remplaçant les boîtiers pourvus d'ouvertures représentes aux figures 2 à 4 par exemple, par des boîtiers réalisés en un matériau fritté qui a la propriété d'être transparent aux variations de pression statique. Un matériau convenable peut être obtenu par exemple en comprimant ensemble fortement des petites billes. Sa granulosité dépend de la taille de celles-ci. Dans certains cas et dans certaines bandes de fréquence au moins, un boîtier en matériau fritté a aussi pour effet d'atténuer les variations de pression dynamique. Il peut être utilise seul ou en combinaison avec un absorbant acoustique tel que ceux précédemment définis, pour absorber les variations dynamiques qui pourraient se transmettre à l'intérieur. 26 4 1155 RE V E N D I C A T I ON S 1. - Capteur de signaux insensible aux variations de la pression statique régnant dans un milieu o il est place, comportant au moins une plaque flexible (6, 7), un élément sensible (1) fixé contre cette plaque et des moyens de filtrage pour soustraire une de's faces de chaque plaque aux variations dynamiques de la pression du milieu, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comportent un volume (10) d'un matériau amortisseur adapté à transmettre à ladite face les variations de la pression statique du milieu. 2. - Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume (10) de matériau amortisseur est contenu dans un boîtier (8, 12) ouvert sur ledit milieu. 3. - Capteur de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume (10) de matériau amortisseur est réalisé à partir d'une substance fibreuse. 4. - Capteur de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume (10) de matériau amortisseur est réalisé à partir d'une substance poreuse. 5. - Capteur de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau amortisseur est réalisé à partir d'une substance syntactique. 6. - Capteur de pression selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau amortisseur est réalisé à, partir de particules (13) d'une substance solide associée à un matériau intersticiel. 7. - Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paire de plaques flexibles (6, 7) pourvues chacune d'un élément sensible (1) et un volume d'un matériau amortisseur pour soustraire une face de chacune des plaques (6, 7) aux variations dynamiques de la pression dans le milieu. 8. - Capteur de presSion selon la revendication 7, - 9 - caractérisé en ce que les deux plaques flexibles (6, 7) sont des parois d'un boîtier commun (8, 12) contenant ledit volume de matériau amortisseur et pourvu d'ouvertures. 9. - Capteur de pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier commun comporte au moins une partie grillagée (17). 10. - Capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit boîtier (12) est rempLi de particules (13) en matière solide noyées dans un liquide. 11. - Capteur de pression selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que le volume de matériau amortisseur est enrobé dans un bloc (15) de matériau amortisseur en équi-pression avec la pression statique du milieu, chaque plaque étant disposée contre une face dudit bloc. 12. - Capteur de pression selon la revendication 11, caractérisé en ce que le bloc de matériau amortisseur est réalisé en noyant des particules de verre dans un matériau d'enrobage. 13. - Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comportent un boîtier réalisé en un matériau fritté.