Brevet FR2663805A1 — publié le 19911227

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ELEMENT MAGNETOSTRICTIF POUR LA REALISATION DE TRANSDUCTEURS ELECTRO-ACOUSTIQUES - - ET TRANSDUCTEUR ELECTRO-ACOUSTIQUE REALISE A L'AIDE DE TELS ELEMENTS La présente invention se rapporte à un élément magnétostrictif pour la réalisation de transducteurs électro-acoustiques. Il y a plus d'une quinzaine d'années, les transducteurs magnétostrictifs à base de Nickel ont largement cédé la place, en particulier pour la réalisation d'antennes électro-acoustiques sous-marines, aux transducteurs utilisant des céramiques piézoélectriques de type PZT, considérés à l'époque comme à la fois plus performants et plus commodes à réaliser. Actuellement toutefois, certains matériaux magnétostrictifs récemment mis au point permettent d'envisager à nouveau favorablement l'utilisation de la magnétostriction pour certains types de transducteurs électro-acoustiques. Ces nouveaux matériaux, qui sont des alliages de terres rares et de fer, présentent en effet des propriétés qui les rendent, à certains égards, bien supérieurs aux céramiques piézoélectriques de type PZT, en particulier leur déformation maximale est plus de dix fois supérieure à celle du PZT . leur capacité de puissance par unité de volume est bien plus importante que celle du PZT . ils fonctionnent à des vitesses sonores plus basses (1700 m/s contre 3000 m/s pour le PZT), ce qui permet d'obtenir, pour les transducteurs électro-acoustiques réalisés avec de tels éléments magnétostrictifs, une appréciable réduction de taille et de poids. Un matériau magnétostrictif de ce type est par exemple celui qui est disponible dans le commerce sous l'appellation "Terfenol"-D". Ce matériau ~est composé de Terbium et de Fer, auxquels s'ajoute une certaine quantité de Dysprosium, sa formulation chimique étant proche de Tbo 27 Dyo 73 Fe2 Ce matériau possède un point de Curie de valeur élevée, ce qui est intéressant en utilisation de puissance où les transducteurs subissent une surchauffe importante. Par ailleurs, il possède des propriétés magnétostrictives particulièrement intéressantes à température ambiante. En particulier, l'article de S.W. Meeks et R.W. Time : " Rare earth iron magnetostrictive underwater sound transducer", paru dans la revue américaine J. Acoust. Soc. AM. Volume 62, N0.5, Novembre 1977, pages 1158 à 1164, décrit l'application d'un matériau de ce type à un transducteur magnétostrictif expérimental pour applications sous-marines de type sonar. Les auteurs montrent dans cet article que ce matériau se compare avantageusement aux céramiques dans la gamme des basses fréquences (inférieures à 3 kilohertz), et pour de fortes puissances. Il est connu un procédé de fabrication qui permet d'obtenir des barreaux de "Terfenol-D" à grains orientés, dont le diamètre maximal est limité à 5 à 7 millimètres environ, et dont la longueur peut atteindre une vingtaine de centimètres. Ce procédé connu consiste à - allier les divers constituants dans un four à fusion classique - obtenir une composition uniforme dans un barreau de diamètre constant par fusion dans un tube à quartz - orienter les grains (dentrites) dans un four à fusion de zone verticale - réaliser l'équilibre des phases par un traitement thermique à 9500C pendant 5 jours - et enfin, rectifier le barreau pour obten#ir un diamètre uniforme. Il s'agit là d'un procédé de fabrication qui est assez onéreux et qui ne permet pas par ailleurs d'obtenir des éléments magnétostrictifs vraiment bien adaptés à la fabrication de transducteurs électro-acoustiques pour activités sous-marines : leur étroit diamètre oblige à en prévoir plusieurs côte à côte, ce qui est assez malcommode et complexe à réaliser. Il est également connu, par des réalisations effectuées récemment en laboratoire dans le cadre d'un programme de recherche scientifique, de fabriquer des échantillons de "Terfenol-D" à partir d'un procédé de coulée en creuset froid. L'inconvénient de ce procédé est que le matériau magnétostrictif alors obtenu n'est pas orienté dans la direction de facile aimantation, de sorte que ses performances s'en trouvent très amoindries. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à un procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif pour la réalisation de transducteurs électro-acoustiques, en particulier pour applications sous-marines, cet élément étant composé d'un alliage de Fer et de terres rares, de formulation Tbx Dry,~, Fey, avec x compris entre environ 0,2 et 0,4 et y compris entre environ 1,8 et 2, ce procédé consistant ~ à préparer cet alliage "Fer-terres rares sous forme de lambeaux au moyen d'un procédé connu de trempe sur roue rotative, semblable à celui classiquement utilisé pour la fabrication des verres métalliques amorphes, les lambeaux ainsi obtenus étant, suivant les conditions de trempe, soit des lambeaux isotropes sous forme de grains fins micro-cristallisés, soit des lambeaux texturés sous forme de grains fins ayant des directions cristallographiques communes ; et ~ à réaliser dans un moule cet élément magnétostrictif à l'aide de ces lambeaux, tout en orientant leurs grains par action d'un champ magnétique ou par fluage. Selon un mode préférentiel de réalisation, les lambeaux sont mélangés, dans ce moule, avec de la résine, et lesdits grains sont orientés avant l'opération de polymérisation de cette résine. Selon un autre mode de réalisation, les lambeaux sont compactés à chaud dans ce moule. Dans l'un et l'autre cas, il peut être prévu, afin de réaliser la polarisation magnétique de l'élément magnétostrictif ainsi obtenu, de lui juxtaposer deux aimants permanents, dont un aimant en dessus et un aimant en dessous. Selon une autre forme de réalisation, cette polarisation magnétique peut être obtenue par intégration de particules aimantées dans le matériau constitutif de cet élément magnétostrictif. En variante, cette même polarisation magnétique peut aussi être obtenue en plaçant autour de l'élément, de façon à l'envelopper coaxialement, un aimant permanent de forme tubulaire. Dans le cas d'utilisation de résine, on pourra avantageusement réaliser cette polarisation magnétique en noyant deux aimants de forme plane dans la résine, l'un étant placé en fond de moule et l'autre au sommet de ce moule. L'invention se rapporte aussi à un transducteur électro-acoustique dont le "moteur" est constitué par un empilage de ces éléments magnétostrictifs, cet empilage étant entouré, de manière coaxiale, par un bobinage d'excitation magnétique qui, en mode émission, est parcouru par le signal alternatif d'excitation, tandis qu'en réception, le signal alternatif reçu est recueilli à ses bornes. Selon une forme de réalisation ou les éléments magnétostrictifs du moteur ne comportent pas d'éléments magnétiques permanents de polarisation (aimants permanents, particules aimantées,...), ce bobinage est en outre parcouru par un courant continu apte à assurer cette polarisation magnétique. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description de quelques exemples non limitatifs de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel . Figure 1 représente un élément magnétostrictif obtenu par le procédé conforme à l'invention ; et . Figure 2 est une vue d'ensemble, avec coupe partielle, d'un transducteur électro-acoustique comportant des éléments magnétostrictifs selon Figure 1. En se référant à la figure 1, il s'agit d'un élément magnétostrictif 1 en forme de tore dont le matériau constitutif est un alliage de Fer et de terres rares, et plus précisément un alliage de Fer, de Terbium, et de Dysprosium, dont la formulation chimique est Tbx Dyl-x FeY avec : x compris entre 0,2 et 0,4 et y compris entre 1,8 et 2. Pour obtenir cette forme, l'alliage précité est tout d'abord préparé sous forme de lambeaux, qui sont obtenus par un procédé de trempe sur roue rotative, identique à celui classiquement utilisé pour la fabrication des verres métalliques amorphes. Suivant les conditions de trempe, on obtient soit des lambeaux isotropes sous forme de grains fins micro-cristallisés, soit des lambeaux texturés sous forme de grains fins ayant des directions cristallographiques communes. Ces lambeaux sont ensuite mélangés avec de la résine dans un moule de forme apte à conférer à l'élément 1 son allure torique. Les grains sont alors orientés dans la direction de facile aimantation par action d'un champ magnétique ou par fluage. En outre, deux aimants permanents 2 et 3 en forme de rondelles plates sont noyés dans la résine et placés comme représenté l'un, 2, en fond du moule, l'autre 3, au sommet de celui-ci. Ces deux aimants permanents sont destinés à assurer la polarisation magnétique de l'élément magnétostrictif, et la position adaptée et représentée en figure 1 permet avantageusement d'obtenir un champ magnétique optimal. On procède ensuite à la polymérisation de la résine, pour obtenir finalement un élément magnétostrictif qui est prêt à être monté, avec d'autres éléments identiques, dans un transducteur électro-acoustique. Son coefficient de couplage magnétomécanique k peut être obtenu à partir des mesures, réalisées à l'aide d'un analyseur de réseau, des fréquences de résonance Fr et d'antirésonance Fa, par application de la formule Dans l'exemple considéré, on obtient un coefficient k de l'ordre de 0,4% pour un champ magnétique compris entre 100 et 120 kA/m. La figure 2 montre un exemple de transducteur électro-acoustique de type "Tonpilz" qui est réalisé à l'aide d'un empilement 4 d'un grand nombre d'éléments magnétostrictifs 1 semblables à celui de la figure 1, cet empilement 4 constituant le "moteur" du transducteur. Ce transducteur comporte, en outre, de manière connu en soi, un "pavillon" 5 qui émet (ou reçoit) les ondes acoustiques 6, une contre-masse 7 destinée à éviter l'émission (ou la réception) arrière, et une tige axiale de précontrainte 8, serrée par un écrou 9, qui a pour but d'éviter que les éléments magnétostrictifs 1 subissent des élongations préjudiciables. La polarisation magnétique du moteur 4 est assurée par les aimants permanents 2, 3 qui équipent chaque élément 1, et son excitation magnétique est assurée par une bobine 10 qui est coaxiale à ce moteur 4, qu'elle enveloppe comme représenté : en mode émission cette bobine est parcourue par le courant alternatif d'excitation, tandis qu'en mode réception, le signal alternatif reçu est recueilli à ses bornes. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, et de nombreuses autres formes d'exécution sont envisageables. C'est ainsi par exemple qu'au lieu d'être noyés dans la résine, les lambeaux d'alliage "fer-terres rares" peuvent être compactés à chaud, les deux aimants permanents 2, 3 étant alors simplement juxtaposés (un en dessus et l'autre en dessous) à l'élément magnétostrictif 1 alors obtenu. Ce mode de réalisation s'applique aussi, bien entendu, au cas d'utilisation de résine pour la réalisation de l'élément 1. Dans l'un et l'autre cas, l'aimant permanent peut avoir une forme tubulaire et être placé autour de l'échantillon 1 de façon à l'envelopper coaxialement. Suivant une autre variante, la polarisation magnétique peut être obtenue par intégration de particules aimantées dans le matériau. Préférentiellement dans un tel cas, ces particules sont intégrées dans le matériau avant toute aimantation, et elles sont aimantées ensuite par application d'un champ magnétique dirigé selon la direction de facile aimantation. Au lieu d'avoir une forme torique, l'élément magnétostritif pourrait avoir toute autre forme, en particulier une forme de disque (il faudrait alors prévoir plusieurs types de précontrainte placées latéralement). A titre de variante encore, on pourrait totalement se passer d'aimants permanents pour la création de la polarisation magnétique, et réaliser cette dernière au moyen d'une bobine de champ parcourue par un courant continu de polarisation : dans le cas de la réalisation selon Figure 2 par exemple, cette bobine de champ serait simplement constituée par la bobine d'excitation 10, qui recevrait donc en outre un courant continu de polarisation. L'invention s'applique bien entendu à d'autres types de transducteurs électro-acoustiques que les transducteurs de type "Tonpilz". C'est ainsi qu'elle peut avantageusement être utilisée pour la réalisation de transducteurs "flextenseurs", par exemple tels que décrits dans le document FR-A-2.639.786 de la Société demanderesse. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif pour la réalisation de transducteurs électro-acoustiques, cet élément magnétostrictif étant composé d'un alliage de Fer et de terres rares de formulation Tbx Dy-x Fey, avec x compris entre environ 0,2 et 0,4 et y compris entre environ 1,8 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à à préparer cet alliage "Fer-terres rares" sous forme de lambeaux au moyen d'un procédé connu de trempe sur roue rotative, semblable à celui classiquement utilisé pour la fabrication de verres métalliques amorphes, les lambeaux ainsi obtenus étant, suivant les conditions de trempe, soit des lambeaux isotropes sous forme de grains fins micro-cristallisés, soit dés lambeaux texturés sous forme de grains fins ayant des directions cristallographiques communes ; et à à réaliser dans un moule cet élément magnétostrictif (1) à l'aide de ces lambeaux, tout en orientant leurs grains par action d'un champ magnétique ou par fluage. 2 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces lambeaux sont mélangés, dans ce moule, avec de la résine, et en ce que leurs grains sont orientés avant l'opération de polymérisation de cette résine. 3 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces lambeaux sont compactés à chaud dans ce moule. 4 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, afin de réaliser sa polarisation magnétique, deux aimants permanents sont juxtaposés à cet élément (1), dont un aimant en dessus et un aimant en dessous. 5 - Procédé de fabrication #'un élément magnétostrictif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la polarisation magnétique de cet élément (1) est réalisée par intégration de particules aimantées dans son matériau constitutif. 6 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif selon l'une quelconque revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, afin de réaliser sa polarisation magnétique, un aimant permanent sous forme tubulaire est placé autour de celui-ci, de manière à l'envelopper coaxialement. 7 - Procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux aimants permanents (2, 3) de forme plane sont noyés dans la résine et placés l'un (2) en fond de moule et l'autre (3) au sommet de ce moule. 8 - Transducteur électro-acoustique réalisé par empilage (4) d'un grand nombre d'éléments magnétostrictifs fabriqués conformément au procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cet empilage (4) est entouré, de manière coaxiale, par un bobinage d'excitation magnétique (10) 9 - Transducteur acoustique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ce bobinage (10) est en outre parcouru par un courant continu apte à assurer la polarisation magnétique des éléments magnétostrictifs (1) qui le composent. 10 - Transducteur acoustique selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est du type flextenseur.