Brevet FR2665814A1 — publié le 19920214

Transducteur électroacoustique destiné à être immergé et comportant un système de compensation automatique de la pression d'immersion La présente invention se rapporte aux transducteurs électroacoustiques, notamment du type "Tonpilz", destinés à être immergés dans l'eau pour recevoir des signaux acoustiques et qui comportent un système de compensation pneumatique de la pression d'immersion destiné à maintenir constantes avec la pression leurs caractéristiques électroacoustiques Ces transducteurs sont plus particulièrement utilisés dans les appareils de repérage acoustique sous-marins connus sous le nom de sonars. Il est connu du brevet français N O 80 26647 déposé le 16/12/80 par la demanderesse de réaliser un tel transducteur d'une manière semblable à celle représentée sur la figure 1 Ce transducteur comprend, selon les caractéristiques du système "Tonpilz", un pilier 101 formé d'un ensemble de disques de céramique piézoélectrique Ce pilier excite à une extrémité un pavillon-émetteur 102 en s'appuyant par son autre extrémité sur une contremasse 103 Une tige filetée 104 relie le pavillon à la contremasse et permet d'exercer une précontrainte sur le pilier 101. Un carter 105 enferme ces pièces tout en laissant les faces avant et latérale du pavillon au contact du milieu ambiant, l'eau quand il est immergé L'extrémité du carter située en regard de la face arrière du pavillon est parallèle à celle-ci pour laisser subsister une lame d'air 106. Des pièces de liaison 107, 108 et 109 permettent de maintenir le carter par rapport aux autres organes du transducteur Ces pièces ont des fonctions de guidage dynamique et statique, de maintien aux chocs, et d'étanchéité envers le milieu extérieur De ce fait, elles doivent présenter des raideurs mécaniques et acoustiques minimales de façon à ne pas perturber le fonctionnement du Tonpilz Afin de concilier ces différentes contraintes une des solutions technologiques connues consiste à choisir comme matériau constituant ces pièces des matériaux à faible module de Young qui présente à priori de bonnes caractéristiques en étanchéité, comme le caoutchouc ou divers polymères Elles se présentent généralement sous la forme d'un anneau semblable à un joint torique. L'épaisseur de la lame d'air 106 influe beaucoup sur les caractéristiques du transducteur, et il est essentiel de la maintenir aussi constante que possible La solution dite "soufflet" décrite dans le brevet cité plus haut consiste à utiliser une chambre 110 extérieure au carter, obtenue par exemple en fixant sur celui-ci une membrane élastique 111 Cette chambre alimente par les orifices 114, 115 et 116 percés dans le carter la lame d'air 106 et les volumes 112 et 113 délimités par les pièces de liaison 108 et 109 La chambre est gonflée au départ avec un gaz tel que l'air sous une pression égale à celle de l'immersion maximale Au fur et à mesure que le transducteur s'enfonce dans l'eau, le volume de la chambre diminue et ceux de la lame et des espaces 112 et 113 reste sensiblement constant. Ce dispositif connu présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord le volume d'air à compenser, constitué par la lame 106 et les espaces 112 et 113 est relativement important Pour alimenter ce volume la chambre de compensation doit contenir une quantité de gaz importante sous une pression initiale qui correspond à la pression hydraulique à l'immersion de travail Cette pression atteint ainsi 30 bars pour 300 m, ce qui considérable On a ainsi besoin d'une chambre de compensation qui présente une taille importante par rapport aux éléments proprement actifs du transducteur et qui nécessite une membrane épaisse pour résister à la pression, sans toutefois être certain que cette membrane ne présentera pas une certaine porosité nécessitant une vérification périodique de la pression de gonflage. D'autre part les pièces de liaison, qui doivent être réalisées avec un matériau suffisamment souple, constituent des points faibles de l'ensemble parce qu'un tel matériau présente des qualités médiocres en fonctionnement dynamique et en fatigue Les fortes pressions hydrostatiques exercées sur ces pièces accentuent encore la médiocrité de ces matériaux Les pièces de liaison ne présentent donc à terme qu'une faible barrière d'étanchéité au milieu extérieur, ce qui peut entraîner une panne suite à l'introduction d'eau dans les volumes 106, 112 et 113 Le contact de cette eau avec les céramiques du pilier 101 se révèle alors catastrophique. Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un transducteur électroacoustique à compensation pneumatique pour grande immersion, du type comprenant un pavillon émetteur relié à une contremasse par un pilier de céramique, et un carter enveloppant ces organes pour délimiter entre la face arrière du pavillon et lui-même une lame de gaz d'épaisseur sensiblement constante, une chambre de compensation située à l'extérieur du carter et délimitée par une membrane élastique communiquant au moins avec la lame de gaz, principalement caractérisé en ce qu'il comporte entre le carter et au moins le pilier de céramique un volume de gaz non compensé qui n'est pas relié à la chambre de compensation. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite en regard des figures annexées qui représentent: la figure 1, une coupe d'un transducteur connu la figure 2, une coupe d'un transducteur selon l'invention; les figures 3 et 5, des coupes de variantes de la figure 2; les figures 4 et 6, des coupes des pièces de liaison des figures 3 et 5. En ce qui concerne l'action sur l'épaisseur de la lame 106, on peut constater que seules les résultantes des forces axiales selon l'axe z contribuent à l'équilibre statique du tranducteur dont le pavillon à tendance à reculer par rapport à la contremasse sous l'effet de la pression du milieu extérieur sur la face externe avant du pavillon Les résultantes radiales selon r de la pression ne participent pas à l'équilibre du transducteur et sont sans influence sur l'épaisseur de cette lame de gaz 106 Le volume 112 est donc inutile pour le type de compensation recherché, ainsi que la partie du volume 113 qui n'est pas située sur la face arrière de la contremasse 103. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 2, on a limité les volumes à compenser à la lame de gaz 106 et la lame 213, celle-ci correspondant au volume 113 mais limité à la face arrière de la contremasse 103 par une pièce de liaison 209 située à l'extrémité arrière de la face latérale de cette contremasse De même la pièce de liaison 208, correspondant à la pièce 108 de la figure 1, a été déplacée vers l'avant au maximum pour limiter les dimensions de la lame de gaz 106 au strict nécessaire Cette lame 106 est alors alimentée par l'orifice 114, et la lame 213 par un organe de liaison pneumatique, qui est dans l'exemple représenté un tuyau 216 reliant le volume 110 à la lame 213 Il serait possible d'utiliser deux réservoirs de gaz distincts pour alimenter chacun respectivement l'une des lames de gaz. Pour une même profondeur limite d'immersion, le volume de gaz à emmagasiner et les contraintes dues à la pression de gonflage sont alors nettement plus faibles que dans la solution de la figure 1, ce qui augmente la fiabilité du dispositif Inversement pour un même volume et une même pression de gaz, avec donc une fiabilité équivalente, on peut obtenir une profondeur d'immersion, maximum plus importante. L'espace 212 quant à lui peut simplement contenir l'air à la pression atmosphérique enfermé lors du montage, ou éventuellement un gaz ayant de meilleures caractéristiques diélectriques que l'air et permettant d'améliorer la tenue au claquage du pilier de céramique. Par contre il est nécessaire que le carter 105 puisse résister à la pression hydrostatique correspondant à la profondeur d'immersion maximale De même les pièces de liaison 208 et 209 doivent subir cette pression sans fuir et sans se déplacer. Bien qu'on puisse obtenir un tel résultat par différents procédés, par exemple en collant ces pièces de liaison sur le carter et le transducteur, ou en ménageant des gorges suffisamment profondes sur ces pièces pour les maintenir, on a imaginé selon l'invention de les réaliser de la manière représentée sur les figures 3 et 4. La figure 3 représente substantiellement la même vue que la figure 2 avec les mêmes organes, sauf toutefois les pièces de liaison qui sont représentées de manière très schématique par les organes 307, 308 et 309 Une vue aggrandie de l'extrémité du carter et du pavillon portant la lame de gaz 106 et les pièces 307 et 308 est représentée en figure 4 Sur cette figure on constate que les deux pièces 307 et 308 on la même structure, qui est également celle de la pièce 309 Cette structure est formée d'une lame métallique 321 ayant la forme générale d'un tore découpé pour ne garder qu'une couronne extérieure pour les pièces 307 et 309 et une couronne intérieure pour la pièce 308 Cette pièce est obtenue par exemple à partir d'une lame métallique allongée enroulée pour former un cylindre et mise ensuite en forme par tout procédé connu Un traitement thermique approprié permet ensuite de supprimer les contraintes dues à la mise en forme et de lui restituer l'élasticité nécessaire. On met ensuite ces pièces en position et on les fixe sur le pavillon et sur le carter respectivement par des soudures 322 et 323 qui réalisent l'étanchéité souhaitée. De telles pièces de liaison ne provoquent pas de pertes mécaniques et travaillent très bien en fatigue La forme ainsi décrite permet d'obtenir une très faible raideur axiale. Toutefois dans une telle structure on constate que lorsque le transducteur est soumis à la pression hydrostatique le pilier de céramique central subi une compression axiale proportionnelle à cette pression Celle-ci vient alors s'ajouter à la précontrainte statique et aux contraintes dynamiques dues à l'émission sonore La somme algébrique de ces trois composantes peut très bien dépasser la limite de compression des céramiques à partir de laquelle on voit apparaître des variations importantes des caractéristiques de fonctionnement du transducteur Pour limiter cette compression supplémentaire, on a imaginé, selon l'invention, de supprimer la pièce de liaison 309 délimitant la lame d'air 213 située sur l'arrière de la contremasse, comme représenté sur la figure 5 Dans ces conditions le transducteur n'est plus en équilibre et il est nécessaire de faire supporter l'effort non compensé d'une autre manière. Pour cela, on a imaginé, selon l'invention, de modifier la pièce de liaison 308 de manière à lui donner la forme représentée schématiquement sur la figure 5, et de manière agrandie sur la figure 6. Comme on le voit sur ces figures, la partie inférieure du boîtier 105 qui se prolonge pour être parallèle à la face arrière du pavillon 102 est supprimée et remplacée par la pièce de liaison 508 qui a la forme d'un diaphragme comportant une partie 521 en forme de couronne circulaire légèrement conique pour être parallèle à la face arrière du pavillon Cette couronne est prolongée par une partie cylindrique de faible hauteur, qui est fixée sur les bords du trou interne de la couronne 521 Ce diaphragme est relativement, épais ce qui lui permet en travaillant en flexion de supporter l'effort non compensé à l'arrière de la contremasse et de maintenir centré dans le carter 105 l'ensemble du transducteur Dans ce cas on augmente la raideur axiale des pièces de liaison, ce qui modifie la fréquence de résonance du tranducteur dans son carter. Toutes choses égales par ailleurs ce transducteur résone alors sur une fréquence plus élevée que celui de la figure 1 La prise en compte de cet effet pour obtenir la fréquence souhaitée ne présente aucune difficulté de dimensionnement. Le cas échéant, si l'épaisseur du diaphragme 508 nécessaire pour supprimer totalement la lame d'air 213 est trop importante pour obtenir des résultats corrects, on peut utiliser un diaphragme de plus faible épaisseur en maintenant une lame de gaz 213 plus réduite obtenue par une pièce de liaison 309 de dimensions plus restreintes, qui relie donc le carter à la contremasse plus près de l'axe du transducteur. I 1 REVENDICATIONS 1 Transducteur électroacoustique à compensation pneumatique pour grande immersion, du type comprenant un pavillon émetteur ( 102) relié à une contremasse ( 103) par un pilier de céramique ( 101), et un carter ( 105) enveloppant ces organes pour délimiter entre la face arrière du pavillon et lui-même une lame de gaz ( 106) d'épaisseur sensiblement constante, une chambre de compensation ( 110) située à l'extérieur du carter et délimitée par une membrane élastique ( 111) communiquant au moins avec la lame de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte entre le carter et au moins le pilier de céramique ( 101) un volume de gaz non compensé qui n'est pas relié à la chambre de compensation ( 110). 2 Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre l'arrière de la contremasse ( 103) et le carter ( 105) un volume compensé qui est relié à la chambre de compensation ( 110). 3 Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux volumes de compensation reliés respectivement à la lame d'air ( 106) et au volume compensé situé derrière la contremasse ( 213). 4 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des pièces de liaison permettant de délimiter au moins la lame d'air ( 106), ces pièces étant formées d'une lame métallique courbée présentant la forme d'un tore évidé et relié de manière étanche d'un côté au carter et de l'autre côté au transducteur. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que seule la lame d'air ( 106) est compensée et qu'il comprend une pièce de liaison en forme de diaphragme présentant une partie en forme de couronne parallèle à la face arrière du pavillon ( 102), cette partie étant reliée à cette face arrière par une partie cylindrique ( 522) fixée au bord interne du trou central de la couronne, ce diaphragme présentant une épaisseur suffisante pour centrer le transducteur dans le carter et reprendre les efforts non compensés à l'arrière de la contremasse. à