Brevet FR2660146A1 — publié le 19910927

"Transducteurc actif à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large et équipements munis dudit transducteur." L'invention concerne un transducteur actif à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large ainsi que les équipements en général munis dudit transducteur. ART ANTERIEUR ET ETAT DE LA TECHNIQUE On connalt un très grand nombre de transducteurs destinés à capter les sons dans des gammes de fréquences aussi étendues que possible et d'une manière aussi fine et fidèle que la technique des microphones et des appareils connexes a pu, jusqu'à présent, le permettre. Si la plupart des transducteurs radiophoniques ont bien évolué en général, un grand nombre de domaines intéressés par une captation aussi parfaite que possible des phénomènes vibratoires reste dépourvu de véritables moyens. Les domaines d'application sont d'ailleurs, les plus divers et parfois diamétralement opposés. Ainsi, si des transducteurs sont utilisés essentiellement pour capter et retransmettre la parole et la musique, d'autres transducteurs peuvent se rapporter à des secteurs d'activités particulièrement éloignés, tels que capteurs de surveillance de phénomènes vibratoires sismiques relatifs à la surveillance d'ouvrages (barrages, ponts, buildings etc...) ou de surveillance médicale relative aux hommes ou aux animaux par écoute très précise des battements cardiaques ou des rythmes respiratoires, de préférence sans pré-amplification de ces phénomènes. Le section de l'instrumentation musicale a vu apparaître au cours de ce dernier demi siècle, un très grand nombre de transducteurs parfois très intéressants, mais le plus souvent d'un prix de revient sensiblement élevé et d'une efficacité relative. I1 convient de souligner que tous les moyens connus nécessitent généralement, outre le transducteur, une préamplification, intégrée ou non, une alimentation électrique, ainsi qu'une électronique de commande, le plus souvent intégrée, d'où une fragilité générale des appareils, un prix de revient particulièrement élevé et une fiabilité incertaine. De nombreux brevets décrivent des transducteurs, le plus souvent instrumentaux, mettant en oeuvre des technologies voisines tendant à apporter une solution aux problèmes posés résidant dans la réalisation d'un capteur, de préférence, d'une finesse aussi grande que possible mais également dimensionné de manière à autre aussi compact que possible. Un brevet FR 2 270 655 concerne un dispositif amplificateur de sons incorporé aux instruments de musique portatifs à cordes, caractérisé en ce que l'amplificateur et ses annexes sont renfermés dans la caisse de résonance de l'instrument, l'amplificateur étant alimenté par un bloc de piles et commandé par un microphone placé sous les cordes vibrantes, de tels moyens font appel à une source auxiliaire d'électricité, sans laquelle une prise de son devient totalement impossible, de plus, ces moyens ne permettent pas la suppression de parasites düs essentiellement à la conception des micros utilisés. Un autre brevet FR 2 476 887 se rapporte aussi à un capteur sonore pour instruments à cordes et son procédé de détection associé, capteur caractérisé par un transducteur piézoélectrique placé sensiblement entre une corde et le corps de l'instrument de manière à être sensible aux variations de compression dirigées sensiblement perpendiculairement au plan général du corps de l'instrument, grâce à un moyen de support de cordes retenu par compression entre la corde et le transducteur piézoélectrique, de façon à appliquer des variations de compression au transducteur piézoélectrique en réponse aux déplacements de la corde. Le moyen de support étant constitué par le chevalet du cordier et le transducteur piézoélectrique étant logé dans la structure du cordier de l'instrument à corde. La démarche technologique décrite dans ce brevet reste très intéressante, celle-ci ayant été conçue de manière à pallier les inconvénients des moyens connus constitués par des capteurs magnétiques à enroulements bobinés et de capteurs à cristal piézoélectriques formés d'un cristal disposé en compression sous chaque corde au voisinage du cordier de l'instrument. Toutefois, ces moyens ne sont sensibles qu'aux déplacements verticaux des cordes et ne réagissent pas, par exemple, à l'attaque qui est horizontale qui concerne les instruments à plectre et à archet; ces moyens restent d'une fidélité aléatoire et néces sitent obligatoirement une pré-amplification des signaux. Un brevet US 3 243 768 se rapporte à un transducteur électro-acoustique directionnel pour 1 'é- mission et la réception simultanée du son comprenant des moyens réflecteurs placés à l'intérieur d'un réflecteur conique à 90', des moyens de monture placés sur l'axe central du réflecteur conique; des premier et second groupes d'éléments vibratoires constitués par des éléments annulaires de cristaux placés sur la monture centrale bout à bout. Le premier groupe d'éléments vibratoires étant conçus pour vibrer et produire des ondes de compression lorsqu'ils sont excités électriquement. Le second groupe d'éléments vibratoires étant conçus pour produire des ondes électriques lorsqu'on les fait vibrer.Ces premier et second groupes d'éléments étant conçus pour émettre et recevoir simultanément des faisceaux d'énergie se propageant respectivement par des aller et retour dans les moyens réflecteurs. Cette technologie bien qu'intéressante, reste d'une application particulièrement complexe-ne répondant pas à un réflexe de simplification absolument indispensable par rapport aux buts actuellement recherchés. Un autre brevet US 3 846 650 concerne aussi un transducteur électro-acoustique du type à diaphragme vibrant constitué par un boîtier rigide comprenant un diaphragme fixé par sa périphérie à la structure du boîtier, un disque piézoélectrique collé rigidement à un côté du diaphragme pour le faire vibrer et des moyens constitués par un film flexible d'un matériau à pertes de vibrations recouvrant une partie au moins de la surface du diaphragme pour abaisser la fréquence de résonance du transducteur a une fréquence prédétermi née, le matériau à pertes présentant une caractéristique lui permettant d'adhérer au diaphragme lorsqu'il est appliqué à l'état liquide, puis de se solidifier ensuite pour passer à l'état solide, ce matériau presentant, en outre, à l'état solide, la caractéristique selon laquelle le travail moléculaire interne du matériau absorbe l'énergie sans déformer la configuration du diaphragme. Ce brevet décrit la démarche qui s'est inscrite par les hommes de métier autour d'une recherche orientée vers les éléments piézoélectriques, qui, grâ- ce à leurs caractéristiques particulières, devraient permettre d'atteindre les buts recherchés mais, la solution ne se prëtant pas à l'évidence, n'a permis d'atteindre qu'une partie de ces buts. Un brevet européen ni 0 248 528 concerne un capteur pour instruments à cordes caractérisé par un corps servant de panneau sonore résonant, le dispositif comprenant un élément piézoélectrique destiné à se fixer au corps. L'élément étant constitué par une feuille allongée d'un matériau piézoélectrique polymère, d'une électrode métallisée s'étendant sur une partie de la feuille allongée et d'une couche d'écran métallisée formée sur l'autre face de la feuille et s'étendant pratiquement sur toute sa longueur. Ce document tend à simplifier la technologie de la prise de son sur les instruments à cordes, sans résoudre complètement les problèmes posés résidant dans la réalisation d'un transducteur simple, efficace et sûr, n'entraînant aucune interférence, n'utilisant préférentiellement aucune pré-amplification, très résistant, de manière à pouvoir être transporté en tous lieux et par tous moyens sans protection particulière. L'art antérieur et l'état de la technique démontrent d'une façon fragmentaire, les démarches ef fectuées par les hommes de métier pour trouver des solutions technologiques, parfois inattendues, à un résultat qui ne s impose pas à l'évidence. I1 est donc apparu intéressant de pouvoir réaliser un transducteur actif à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, répondant à plusieurs axes de réflexion et de préoccupation déterminés par les exigences réelles des utilisateurs dans des secteurs d'activités très souvent éloignés mais toutefois tous tributaires d'une solution satisfaisante dans la réalisation d'un capteur éliminant tous les parasites possibles, d'une très grande finesse et d'une conception simple. DESCRIPTION DE L'INVENTION Le transducteur actif à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'invention, répond d'une manière très satisfaisante à toutes les préoccupation cidessus mentionnées grace à un concept technologique très ingénieux, permettant de réaliser un transducteur actif de conception entièrement mécanique, de fabrication simple, ne nécessitant pas un outillage sophistiqué ni et surtout, d'une pré-amplification, restituant avec une très grande puissance et une très grande fidélité, les vibrations captées à restituer, grâce à des moyens oscillatoires libres de toutes contraintes et à une amplitude maximale des moyens de capture des vibrations, dans une direction parallèle à la surface de vibration de la source émettrice. L'invention concerne, à cet effet, un transducteur actif à conversion analogique de tous phénomè- nes vibratoires de conception très innovante dans tous ses détails, chaque élément constitutif ayant été soigneusement étudié, ne s'imposant pas d'une manière évidente, ni à l'état de la technique, ni à la réflexion d'un homme de métier, pour aboutir à la réalisation d'un transducteur actif atteignant les buts et le résultat technique recherchés. L'invention est représentée, de façon non limitative, dans la figure unique qui montre de façon schématique un transducteur actif ainsi que tous ses principaux éléments constitutifs. Suivant une première caractéristique de l'invention, ainsi que représenté à la figure unique, le transducteur actif (1) est constitué par un ou plusieurs éléments piézoélectriques 2 associés et qui coopèrent avec une ou plusieurs bases servant de support 3 et de point d'équilibre par rapport à toute vibration 4, par l'intermédiaire d'un capteur 5 muni d'une butée 6, non conducteur de l'électricité, en contact direct avec la source de vibrations 4, le capteur 5 du ou des éléments piézoélectriques 2 est disposé sur la face active 7 de l'élément 2, sur un point supérieur extérieur, opposé au maximum au support 3, à une distance située entre le centre et le bord opposé à la fixation du support 3, lequel sert de masse une électrode 8 est disposée sur la partie active 7 de l'élément piézoélectrique 2 et sort avec la masse du boîtier extérieur 9 du support 3. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représenté à la figure unique, un ou plusieurs éléments piézoélectriques 2 associés, avec une ou plusieurs bases servant de support 3 et de point d'équilibre par rapport à toute vibration 4, par l'intermédiaire d'un capteur 5 muni d'une butée 6, en contact direct avec la source de vibrations 4, et dis posé perpendiculairement à la surface active 7 du ou des éléments piézoélectriques 2. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représenté à la figure unique, le capteur 5 constitue le moyen d'acheminement des vibrations 4 de la source émettrice à l'élément piézoélectrique 2, il est muni, à cet effet, d'une butée 6 non conductrice de l'électricité reliée à l'élément piézoélectrique 2 au moyen d'un bras de liaison, qui coopère intimement avec lui. Ce bras de liaison peut être pourvu éventuellement d'un moyen de réglage 10 de la force d'appui de la butée 6, de manière à constituer une suspension d'une flexibilité maximale, entre le support (3) de l'élément piézoélectrique 2 et la source de vibrations 4. Le transducteur actif obtenu suivant l'invention permet de restituer les vibrations à amplifier avec une très grande puissance et une très grande fidélité sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un préamplificateur. Par ailleurs, grâce à l'invention une grande amplitude et liberté des oscillations est permise, compte tenu que l'un des buts recherchés résidait dans le fait de mettre en contact direct avec la source émettrice des vibrations à amplifier, la partie la plus sensible d'un élément piézoélectrique par l'intermédiaire d'un capteur servant de liaison entre la source émettrice et l'élément piézoélectrique, avec un bras formant une suspension de flexibilité maximale. Ce résultat ne pouvait être obtenu que par un agencement très particulier ou chaque élément constitutif réagit par enchaînement par rapport à la source émettrice. L'élément piézoélectrique oscillant avec une liberté et une amplitude maximale dans une direction perpendiculaire à sa surface active, d'une maniè re telle qu'il devient possible d'utiliser le transducteur conforme à l'invention, dans des applications multiples telles que : détection sismique, détection de chocs ou de surveillance médicale relative aux hommes ou aux animaux. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représente à la figure unique, la partie de la butée 6 du capteur 5 en contact avec la source de vibrations 4 est, de préférence, réalisée dans un matériau favorisant la restitution des vibrations, tel que certaines matières plastiques, métal ou autre. La butée de contact 6 est reliée au bras du capteur 5 par l'intermédiaire d'un élément métallique; le bras de liaison du capteur 5 à l'élément piézoélectrique 2 est réalisé, de préférence, en matière non conductrice de l'électricité, telle que certaines matières plastiques. Le contact direct entre la butée 6 du capteur 5 et la source émettrice des vibrations 5, assure grâce au bras de liaison, un transfert de très haute fidélité à l'élément piézoélectrique 2 grâce à une pression constante de la butée 6 sur la source émettrice 4 et l'élasticité de l'élément piézoélectrique 2 associé à son support 3. Une sécurité constituée par un limitateur de course 11 permet de bloquer le bras du capteur 5 en cas de trop forte pression. Suivant les applications précises, la butée 6 de contact pourra, bien entendu, avoir une forme adaptée. et être réalisée avec des matériaux de densités déterminées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représenté à la figure unique, le bras de liaison du capteur 5 est disposé sur la face active 7 de l'élément piézoélectrique 2 sur un point supérieur, extérieur, opposé au maximum au support 3, à une distance située entre le centre et le bord opposé à la fixation du support 3. Le point de liaison du bras du capteur 5 sur l'élément piézoélectrique 2, ne peut occuper qu'une surface inférieure au quart de celle de la surface active 7 de l'élément 2. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représenté dans la figure annexée, une électrode 8 est disposée sur la partie active 7 de l'élément piézoélectrique 2. Le point de fixation de l'électrode 8 est situé le plus près possible du support 3 pour éviter les pertes de vibrations dûes à l'implantation de cette électrode 8. Le support 3 sert de masse de l'élément piézoélectrique 2. L'électrode sort avec la masse du boîtier extérieur 9 du support 3. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ainsi que représenté à la figure unique, l'ensemble 1 constitué par les éléments piézoélectriques 2 associés à une ou plusieurs bases 3 sont enfermés dans un boîtier de protection 9 réalisé de préférence dans un matériau absorbant les vibrations et conducteur de l'électricité, afin d'assurer une masse aussi efficace que possible. Le ou les bras du capteur 5 traversent librement la ou les parois du boîtier 9 par un ou des orifices 12 prévus à cet effet. Suivant une application déterminée et si un réglage de sensibilité doit être effectué, celui-ci s'opérera par principe passif, à l'aide par exemple de condensateur ou/et d'une résistance variable, le transducteur ainsi obtenu, peut être directement connecté à un amplificateur ou autre équipement. Suivant une dernière caractéristique, l'invention concerne également les appareils, instruments, équipements ou dispositifs comportant une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessus décrites. L'invention s'applique, en général, à la captation des vibrations. REVENDICATIONS 1.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, caractérisé par un ou plusieurs éléments piézoélectriques (2) associés et qui coopèrent avec une ou plusieurs bases servant de support (3j et de point d'équilibre par rapport à toute vibration (4), par l'intermédiaire d'un capteur (5) muni d'une butée (6), non conducteur de l'électricité, en contact direct avec la source de vibrations (4), le capteur (5) du ou des éléments piézoélectriques (2) est disposé sur la face active (7) de l'élément (2), sur un point supérieur extérieur, opposé au maximum au support (3), à une distance située entre le centre et le bord opposé à la fixation du support (3), lequel sert de masse, une électrode (8) est disposée sur la partie active (7) de l'élément piézoélectrique (2) et sort avec la masse du boîtier extérieur (9) du support (3). 2.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs éléments piézoélectriques (2) associés, avec une ou plusieurs bases servant de support (3) et de point d'équilibre par rapport à toute vibration (4), par l'intermédiaire d'un capteur (5) muni d'une butée (6), en contact direct avec la source de vibrations (4), et disposé perpendiculairement à la surface active (7) du ou des éléments piézoélectriques (2). 3.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 2, caractérisé en ce que le capteur (5) constitue le moyen d'acheminement des vibrations (4) de la source émettrice à l'élément piézoélectrique (2), en ce qu'il est muni, à cet effet, d'une butée (6) non conductrice de l'électricité reliée à l'élément piézoélectrique (2) au moyen d'un bras de liaison, qui coopère intimement avec lui, pourvu éventuellement d'un moyen de réglage (10) de la force d'appui de la butée (6), de manière à constituer une suspension d'une flexibilité maximale, entre le support (3) de l'élément piézoélectrique (2) et la source de vibrations (4). 4.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que la partie de la butée (6) du capteur (5) en contact avec la source de vibrations (4) est, de préférence, réalisée dans un matériau favorisant la restitution des vibrations, tel que certaines matières plastiques, métal ou autre, en ce que la butée de contact (6) est reliée au bras-du capteur (5) par l'intermédiaire d'un élément métallique; en ce que le bras de liaison du capteur (5) à l'élément piézoélectrique (2) est réalisé, de préférence, en matière non conductrice de l'électricité, telle que certaines matières plastiques et en ce qu'une sécurité constituée par un limitateur de course (11) permet de bloquer le bras du capteur (5) en cas de trop forte pression. 5.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que le bras de liaison du capteur (5) est disposé sur la face active (7) de l'élément piézoélectrique (2) sur un point supérieur, extérieur, opposé au maximum au support (3), à une distance située entre le centre et le bord opposé à la fixation du support (3), et en ce que le point de liaison du bras du capteur (5) sur l'élément piézoélectrique (2), ne peut occuper qu'une surface inférieure au quart de celle de la surface active (7) de l'élément (2). 6.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce qu'une électrode (8) est disposée sur la partie active (7) de l'élément piézoélectrique (2), en ce que le point de fixation de l'électrode (8) est situé le plus près possible du support (3). 7.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que le support (3) sert de masse de l'élément piézoélectrique (2) et en ce que l'électrode (8) sort avec la masse du boîtier extérieur (9) du support (3). 8.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble (1) constitué par le ou les éléments piézoélectriques (2) associés à une ou plusieurs bases (3) sont enfermés dans un boîtier de protection (9) réalisé de préférence dans un matériau absorbant les vibrations et conduc teur de l'électricité. et en ce que le ou les bras du capteur (5) traversent librement la ou les parois du boîtier (9) par un ou des orifices (12) prévus à cet effet. 9.- Transducteur actif (1) à conversion analogique de tous phénomènes vibratoires mécaniques en potentiel électrique d'amplitude et de dynamique très large, conforme à l'une quelconque des revendications de I à 8, caractérisé en ce que et suivant une application déterminée, si un réglage de sensibilité doit être effectué, celui-ci s'opérera par principe passif à l'aide par exemple, d'un condensateur ou/et d'une résistance variable, le transducteur ainsi obtenu, peut être directement connecté à un amplificateur ou autre équipement. 10.- Appareils, instruments, équipements ou dispositifs caractérisés en ce qu'ils comportent un transducteur actif conforme à l'une ou plusieurs des caractéristiques de l'une quelconaue des revendications de 1 à 9.