Brevet FR2657212A1 — publié le 19910719

Hydrophone comportant une structure composite, discontinue et ordonnée. DESCRIPTION La présente invention a pour objet des hydrophones comportant une structure composite, discontinue et ordonnée. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des hydrophones. et plus précisément des hydrophones piézoélectriques, destinés à être immergés à grande profondeur. qui doivent donc subir des pressions hydrostatiques élevées. On connaît des structures piézo-électriques composites qui comportent des éléments piézo-électriques, destinés à transformer les ondes acoustiques en signaux électriques. et une matrice composée d'un matériau nonpiézo-électrique qui est en général une résine polymère ayant une rigidité nettement inférieure à celle des éléments piézoélectriques et une densité voisine de un. Ainsi, on obtient un ensemble qui présente une bonne adaptation d'impédance acoustique avec l'eau. L'intérêt des structures composites dans la construction des hydrophones est grand car il n'existe pas de matériau qui ait, à la fois, une masse volumique voisine de celle de l'eau et des caractéristiques piézo-électriques en mode hydrostatique importantes. Les structures composites connues comportent un ou plusieurs éléments piézo-électriques, ayant la forme de disques, de plaquettes ou de cylindres, par exemple en une céramique telle que le titanate de plomb (Pb TiO3) ou le titano-zirconate de plomb (PZT) qui sont noyés en partie ou totalement dans une matrice en résine époxy. La direction de polarisation du matériau piézo-électrique est parallèle à l'axe du disque ou du cylindre ou perpendiculaire aux faces de la plaquette. Dans les structures composites connues où les éléments piézoélectriques sont noyés plus ou moins complètement dans une matrice, la pression transversale perpendiculaire à l'axe de polarisation des céramiques est transmise à celles-ci de deux façons - soit directement. sous forme de contraintes transversales par la portion de surface latérale des céramiques qui est en contact avec la matrice; - soit indirectement sous forme de contraintes longitudinales de traction dues à la différence entre les déformations axiales de la matrice et de la céramique. Dans les deux cas qui précèdent, l'effet du couplage est une réduction du facteur de mérite hydrostatique de la structure. L'objectif de la présente invention est de procurer des hydrophones ayant une structure composite qui permet d'obtenir un facteur de mérite hydrostatique optimum, en jouant entre autres sur les couplages décrits ci-dessus. Cet objectif est atteint au moyen d'hydrophones qui comportent, en combinaison - une matrice ayant la forme d'une plaque ayant deux faces opposées parallèles, dans laquelle sont ménagés des puits, qui sont perpendiculaires auxdites faces et qui sont ordonnés suivant un réseau; - deux plaques d'armature conductrices, qui sont collées de façon étanche respectivement sur chaque face de ladite matrice - et des éléments actifs en un matériau piézo-électrique, dont l'axe de polarisation est parallèle à l'axe desdits puits, qui sont disposés dans au moins certains desdits puits, qui ont des dimensions inférieures à celles des puits dans lesquels ils sont disposés et qui sont collés par leurs deux extrémités auxdites plaques d'armature par une colle conductrice, De préférence, le rapport entre le volume des éléments piézoélectriques et le volume total de la matrice est compris entre 0,02 et 0,15. Les plaques d'armature sont, de préférence, des plaques métalliques ayant une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2 mm. L'invention a pour résultat de nouveaux hydrophones composites qui sont particulièrement adaptés pour conserver une bonne sensibilité sous une pression hydrostatique élevée et qui peuvent donc être immergés à grande profondeur, pouvant atteindre 1000 m. Les hydrophones composites selon l'invention ont une bonne tenue mécanique aux fortes pressions statiques. Les hydrophones selon l'invention présentent un bon découplage électromécanique transversal du au fait que chacun des éléments piézoélectriques est placé dans l'air très compressible et que la matrice polymère est rigidifiée dans la direction transversale par la présence des armatures rigides auxquelles elle est collée. Les hydrophones selon l'invention présentent un bon coefficient de charge longitudinale d33 car la mise en parallèle d'une phase souple et d'une phase plus rigide provoque un phénomène d'accumulation de contraintes sur la phase souple. La présence des puits permet d'augmenter la souplesse longitudinale de la matrice en modifiant la souplesse transversale. La présence d'une armature suffisamment épaisse pour ne pas fléchir permet de tirer le meilleur parti des différences de rigidité entre deux phases. Les hydrophones composites selon l'invention ont une densité relativement faible comparée à la densité du matériau piézoélectrique. Ils permettent de réaliser, sous un faible poids, des composites volumineux et épais qui délivrent des tensions importantes. Les hydrophones composites selon l'invention permettent de réduire la quantité de matériau piézo-électrique actif en calculant à partir de la théorie de Newnham, un compromis optimum tenant compte des caractéristiques respectives mécaniques,diélectriques et piézoélectriques de la matrice, des éléments piézo-électriques et des armatures. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un hydrophone selon l'invention. La figure I est une vue en perspective d'un hydrophone selon l'invention. La figure 2 est une coupe verticale selon II-II de la figure 1. La figure 3 est une coupe verticale partielle schématique d'une portion de structure selon l'invention. Les figures 4. 5.6 et 7 sont des diagrammes théoriques qui représentent des variations indicatives des caractéristiques d'un hydrophone selon l'invention en fonction des dimensions relatives des différentes phases. La figure 8 est un schéma représentant une coupe d'une structure composite comportant des éléments piézo-électriques noyés dans une matrice qui montre le glissement de la phase rigide par rapport à la phase souple. Les figures 1 et 2 représentent un hydrophone 1 destiné à capter des ondes acoustiques dans l'eau. Cet hydrophone comporte une structure composite formée de trois composants essentiels. Le premier composant est une matrice 2 qui a la forme d'un bloc, délimité par deux faces principales 2a et 2b, qui constituent la face supérieure et la face inférieure dans le cas de la figure où la plaque 2 est horizontale, et par des faces latérales 2c, 2d. Les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation préférentiel, dans lequel les faces 2a et 2b sont planes et rectangulaires et la matrice 2 a la forme d'une plaque qui a une épaisseur e relativement faible par rapport à sa longueur et à sa largeur. Par exemple, l'épaisseur e est de l'ordre de quelques millimètres, tandis que la largeur et la longueur peuvent être de plusieurs millimètres ou de plusieurs décimètres. La matrice 2 est traversée de part en part par des canaux ou puits cylindriques 3, perpendiculaires aux faces 2a et 2b, Les puits 3 sont ordonnés suivant un réseau déterminé. La figure 1 représente un exemple dans lequel les axes zz' des puits 3 sont disposés aux noeuds d'un réseau à mailles carrées ou rectangulaires, dont les côtés sont parallèles aux côtés de la plaque 2, mais il précisé que cet exemple n'est pas limitatif. Les puits 3 peuvent avoir une forme autre que cylindrique, par exemple une forme prismatique, Selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur les figures 1 et 2, les puits 3 sont identiques, mais il est précisé que cet exemple n'est pas limitatif, Le bloc ou matrice 2 est constitué d'un'matériau isolant, ayant une densité voisine de un et un module d'élasticité faible par rapport à celui d'une céramique piézo-électrique. Par exemple, la matrice 2 est composée d'une résine polymère souple, de préférence, une résine époxy ou polyuréthane. Le deuxième composant de la structure composite est constitué de deux plaques d'armature conductrices 4a et 4b, qui font fonction d'électrodes et qui sont collées de façon étanche, sur les deux faces supérieure et inférieure 2a et 2b de la matrice 2. Selon un mode de réalisation préférentiel, les armatures 4a et 4b sont des plaques métalliques conductrices ayant par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2 mm. Les armatures 4a et 4b sont par exemple en acier galvanisé, ou en bronze ou en alliage d'aluminium, Des armatures ayant une épaisseur supérieure à 2 mm donnent des bons résultats de sensibilité, mais le gain de résultat est faible par rapport à l'accroissement de densité résultante qui va à l'encontre de ce que l'on recherche. Le troisième composant de la structure est constitué par une pluralité d'éléments 5 en un matériau piézo-électrique pouvant être cylindriques ou prismatiques. Chaque élément 5 est disposé dans un des puits 3., de telle façon que la direction de polarisation desdits éléments soit parallèle aux axes des puits. Chaque élément 5 a une épaisseur e égale à celle de la matrice et a des dimensions transversales nettement inférieures à celles du puits dans lequel il est placé, de telle sorte qu'il subsiste entre la paroi de l'élément 5 et la paroi du puits, un espace libre rempli d'air, dont la larguer est suffisante pour que la paroi du puits ne vienne pas en contact avec l'élément 5 lorsque le montage se déforme sous l'effet d'une pression hydrostatique. Les deux extrémités de chaque élément piézo-électrique 5 -sont collées aux plaques d'armature 4a et 4b par une colle suffisamment conductrice pour transmettre aux armatures 4a et 4b les charges électrostatiques qui apparaissent dans le matériau piézo-électrique lorsque celui-ci est contraint. Avantageusement tous les puits 3 sont identiques et tous les éléments 5 sont également identiques, mais on peut également construire des hydrophones selon l'invention comportant des puits et des cylindres piézo-électriques de dimensions différentes. Avantageusement les éléments 5 sont par exemple en titanozirconate de plomb (PZT) ou en titanate de plomb (Pb Ti 03) ou en métaniobate de plomb (PbNb206) ou tout autre matériau piézo-électrique ayant un grand facteur de mérite longitudinal g33 x d33. Les figures 1 et 2 représentent un exemple dans lequel un élément S est placé dans chaque puits 3. Il est précisé qu'en variante certains puits 3 peuvent rester vides. La description qui précède montre qu'un hydrophone selon l'invention est constitué d'une structure composite, composée de trois phases différentes, qui est discontinue du fait qu'elle comporte des moteurs piézo-électriques flottant dans des espaces remplis d'air et qui est ordonnée du fait que les cylindres piézo-électriques sont disposés selon les mailles d'un réseau. On connaît déjà des structures piézo-électriques composites continues composées d'un matériau piézo-électrique associé à un autre matériau ayant des caractéristiques piézo-électriques et mécaniques différentes. Par exemple, on connaît des structures comportant des éléments piézo-électriques rigides en forme de disques, de plaquettes ou de cylindres de titano-zirconate de plomb, qui sont connectés électriquement en parallèle et sont noyés dans une résine polymère moins rigide. On connaît aussi de telles structures où un vide a été introduit dans la matrice pour isoler une partie des barreaux piézo-électriques du polymère. Enfin, on connaît des structures où les cylindres de PZT sont noyés dans une résine dont on a changé les propriétés mécaniques en l'armant dans le sens transversal à l'aide de fibres de verre. Lorsqu'un matériau piézo-électrique se trouve soumis à une pression hydrostatique p. la charge créée par cette pression est de la forme : D3 = e33xE33 + (d31 + d32 + d33) x p. formule dans laquelle d31, d32 et d33 sont des coefficients de charge constants et e33 est la permittivité du matériau dans la direction de polarisation 3. On appelle coefficient de charge hydrostatique, le coefficient dh 8 d31 + d32 + d33 et on appelle coefficient de tension hydrostatique le coefficient gh - dh/e33. Un critère prépondérant pour choisir un matériau en vue d'une utilisation en tant qu'hydrophone est le facteur de mérite hydrostatique mo de ce matériau : mo - gh.dh. Les mesures du facteur de mérite hydrostatique de structures composites comportant des éléments piézo-électriques entièrement noyés dans une résine polymère montre que l'on obtient des coefficients de mérite faibles. De bien meilleurs résultats ont été néanmoins obtenus dans les cas où l'on a introduit des vides dans la matrice et où l'on a rendu la matrice anisotrope. Les faibles résultats qui peuvent être obtenus dans les structures à éléments piézo-électriques partiellement ou complètement noyés sans armature sont dûs, comme cela est représenté sur la figure 8, à ce qu'il se produit une importante flexion de la matrice 2 au voisinage de l'élément piézo-électrique 5 que l'on peut représenter par un glissement g des faces 5a et 5b de l'élément piézoélectrique par rapport respectivement aux faces 2a et 2b de la matrice. Dans de telles structures composites où l'effet recherché est d'augmenter la contrainte dans l'élément le plus rigide, en considérant les deux phases suffisamment liées pour que leurs déformations soient identiques, le glissement produit une diminution de cet effet d'amplification. De plus. les contraintes latérales transmises à l'élément piézoélectrique, ne sont pas nulles si ledit élément est en contact avec la matrice. Enfin, les pressions latérales appliquées sur la matrice, entraînent une grande déformation latérale de celle-ci et par conséquent un fort allongement longitudinal qui va s'opposer à l'effet décrit plus haut. Les structures composites discontinues selon l'invention, dans lesquelles les éléments piézo-électriques sont disposées dans des puits en étant séparés de la matrice en résine par un vide intermédiaire, et dans lesquelles les éléments piézo-électriques sont reliés à la matrice polymère par une armature rigide présentent simultanément les avantages suivants - Augmentation de la souplesse longitudinale de la matrice polymère par la présence des puits; Minimisation du glissement de l'élément piézo-électrique du fait de la rigidité de l'armature; - annulation des contraintes transversales appliquées sur l'élémeùt piézo-électrique du fait de la compressibilité de l'air: - Augmentation de la rigidité transversale de la matrice du fait de la présence des armatures. La figure 3 est une coupe verticale qui représente une portion d'une structure selon l'invention entourant un des éléments piézoélectriques 5 de forme cylindrique e. On a représenté sur cette figure les trois axes piézoélectriques du matériau composant le cylindre 5. L'axe 3 de polarisation est parallèle à l'axe géométrique zzl du cylindre. Les armatures 4a, 4b ont une épaisseur h. Le puits 3 est cylindrique et lambda est le rapport entre le rayon du puits et le rayon de l'élément 5. La figure 3 montre schématiquement les déformations théoriques des armatures 4a, 4b lorsque la structure est soumise à une pression hydrostatique p. On suppose que les armatures 4a, 4b ne sont pas infiniment rigides et qu'elles se déforment en flexion du fait que les cylindres 5 sont plus. rigides que la matrice 2. On suppose que la structure est soumise à une pression hydrostatique, que les liaisons collées sont des encastrements parfaits, que la colle a une rigidité égale à celle du polymère et présente une épaisseur 1 entre l'armature et l'élément 5. Les figures 4, 5, 6 et 7 représentent les valeurs théoriques calculées pour une structure composite dont l'épaisseur totale, sans les armatures, est de 5 mm et la surface unité, c'est-à-dire celle qui correspond à une maille du réseau, est un carré de 8,3 mm de côté. Les calculs ont été faits pour des armatures en acier galvanisé ayant un coefficient d'élasticité E = 193.109pa. La matrice est une résine époxy et les cylindres piézo-électriques sont en titano-zirconate de Plomb (LS3). Les figures 4, 5, 6 et 7 représentent respectivement l'influence de l'épaisseur h des armatures 4, de la dimension des puits 3, du coefficient de Poisson v de la matrice 2, de l'épaisseur 1 du collage. A moins que cela ne soit précisé, la simulation est faite avec h = 1 mm, lambda = 1,5, nu = 0,2, 1 = 0,00 mm. La figure 4 montre l'importance des armatures qui justifie le raisonnement fait sur le glissement. Dans la pratique. on utilisera avantageusement des armatures métalliques ayant une épaisseur h comprise entre 0,5 et 2.0 mm. La figure 5 montre que le facteur de mérite augmente avec la dimension du trou. I1 faut toutefois veiller à ne pas avoir un trou trop grand pour que la structure résiste aux fortes pressions statiques. Dans la pratique, on utilisera avantageusement le rapport lambda entre 1,5 et 2,5. La figure 6 montre l'influence de la rigidité transversale de la matrice : le facture de mérite augmente quand le coefficient de Poisson nu de la matrice diminue. On a donc intérêt à placer des armatures métalliques qui permettent de rigidifier la matrice dans la direction transversale. La figure 7 montre l'influence de la différence de rigidité entre les deux phases : le facteur de mérite diminue fortement avec l'épaisseur de colle 1 qui influe sur la rigidité résultante de la phase piézo-électrique. On aura, dans la pratique, intérêt à mettre des épaisseurs de colle inférieures à 0,01 mm. Enfin, 'les figures 4, 5, 6 et 7 montrent que dans la pratique, on devra faire de sorte que les éléments piézo-électriques 5 occupent un pourcentage v du volume total de la structure compris entre 2% et 15%. Lorsque les structures composites selon les figures 1 et 2 sont utilisées comme hydrophones, elles sont revêtues d'une mince couche de résine isolante et plongées directement dans l'eau. Bien entendu, les armatures 4a et 4b sont alors connectées sur deux conducteurs qui transmettent les signaux électriques à une unité d'enregistrement ou de traitement de ceux-ci. La figure 8 représente une coupe d'une structure composite connue composée d'éléments piézo-électriques 5 ayant un axe de polarisation zz' et deux extrémités 5a et 5b, qui sont entièrement noyés dans une matrice 2 limitée par deux faces parallèles 2a et 2b. Cette figure montre le glissement 2g des deux faces 5a et 5b par rapport aux extrémités 5a et 5b sous l'effet d'une pression hydrostatique, REVENDICATIONS 1. Hydrophone composé d'une structure composite discontinue et ordonnée, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison - une matrice (2) ayant la forme d'une plaque ayant deux faces opposées (2a, 2b) parallèles. dans laquelle sont ménagés des puits (3), qui sont perpendiculaires auxdites faces et qui sont ordonnés suivant un réseau; - deux plaques d'armature conductrices (4a, 4b), qui sont collées de façon étanche respectivement sur chaque face (2a, 2b) de ladite matrice (2);; - et des éléments (5) en un matériau piézo-électrique, disposés dans lesdits puits (3), de telle façon que leur direction de polarisation soit parallèle à l'axe du puits, lesquels éléments (5) ont une épaisseur égale à celle de la matrice (2) et des dimensions transversales inférieures à celle des puits et sont collés par leurs deux extrémités auxdites plaques d'armature (4a, 4b) par une colle conductrice, laquelle matrice (2) est en un matériau non piézo-électrique, ayant une rigidité sensiblement inférieure à celle desdits éléments piézoélectriques (5). 2. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport (v) entre le volume desdits cylindres piézo-électriques (5) et le volume total de ladite matrice est compris entre 0,02 et 0,15. 3. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites plaques d'armature (4a, 4b) sont des plaques métalliques ayant une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2 mm. 4. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que tous les puits (3) et tous les éléments piézo-électriques (5) ont des dimensions respectives identiques et chaque puits (3) contient un cylindre (5) dont les dimensions radiales sont inférieures à celles dudit puits. 5. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits cylindres piézo-électriques sont en titanate de plomb, ou en titano-zirconate de plomb ou en métaniobate de plomb. 6. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 à s, caractérisé en ce que ladite matrice (2) est en résine époxy ou en résine polyuréthane.