Brevet FR2665998A1 — publié le 19920221

X - DESCRIPTION Procédés et transducteurs électro-acoustiqus pour émettre des ondes acoustiques à basse fréquence dans un liquide. La présente invention a pour objet des procédés pour émettre des ondes acoustiques à basse fréquence dans un liquide, au moyen de transducteurs électro-acoustiques de type double-tonpilz et des transducteurs qui mettent en oeuvre ces procédés. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des transducteurs électro-acoustiques. On connaît des transducteurs électro-acoustiques, notamment piézoélectriques, dits double-tonpilz, qui comportent un boîtier cylindrique rigide, ouvert à ses deux extrémités et,à l'intérieur dudit boîtier, disposés coaxialement avec celui-ci, deux moteurs électro-acoustiques identiques, par exemple deux empilements de plaquettes piézo-électriques qui sont alignés et placés de part entre et d'autre d'une contre-masse centrale et/deux pavillons Les faces externes des deux pavillons sont situées dans le plan des extrémités axiales du boîtier, de sorte qu'elles sont au contact du liquide dans lequel le boîtier est plongé. Les faces externes émettent dans le liquide des ondes acoustiques lorsque les moteurs électro-acoustiques sont excités électroniquement Ces transducteurs double-tonpilz sont utilisés notamment pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques basse- fréquence dans une direction déterminée. Un des problèmes posés par ce type de transducteurs est l'élimination des ondes acoustiques émises par les faces arrière du pavillon. Une solution à ce problème consiste à utiliser des boîtiers étanches remplis de gaz Cette solution entraîne la nécessité pour le boîtier de résister aux pressions d'immersion qui peuvent être élevées. Une autre solution consiste à placer à l'arrière des pavillons des masses ou des amortisseurs statiques dits "baffles" qui absorbent le rayonnement arrière. La présente invention propose de nouveaux moyens pour éliminer le rayonnement arrière qui constituent une solution nouvelle de ce problème. Un procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on ménage des ouvertures dans la paroi latérale dudit boîtier et qu'on place dans la cavité délimitée par ladite paroi, les faces arrière des pavillons et lesdits moteurs électro-acoustiques, des tubes élastiques fermés à leurs deux extrémités et remplis de gaz et l'on détermine les dimensions et les positions desdites ouvertures et desdits tubes, de telle sorte que la fréquence de Helmholtz de ladite cavité soit voisine dela fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques, ladite contre-masse et lesdits pavillons. Selon un procédé préférentiel, on détermine les dimensions et les positions des ouvertures latérales du boîtier et des tubes élastiques, de telle sorte que la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité délimitée par le boîtier, par les faces arrière des pavillons et par les moteurs électro-acoustiques soit inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs électro- acoustiques, les deux pavillons et la contre-masse centrale, ce qui a pour effet d'élargir la bande passante du transducteur vers les basses fréquences. L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs du type doubletonpilz, dans lesquels l'énergie rayonnée par les faces arrière des pavillons est utilisée en grande partie pour mettre en, résonance la cavité délimitée par le bottier,: de sorte que lrinf Luence decerayonnement en dehors du bottier n'est pas en opposition de phase avec le rayonnement émis par les pavillons et on évite ainsi toute interférence parasite du rayonnement arrière avec les ondes émises par les faces avant des pavillons. Les transducteurs selon l'invention, dans lesquels les ouvertures latérales du bottier ainsi que les tubes sont dimensionnés et positionnés pour que la fréquence de résonance de Helmholtz soit inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales des deux moteurs électro-acoustiques, de la contre-masse et des deux pavillons sont des transducteurs ayant une bande passante élargie vers les basses fréquences Par exemple, un transducteur selon l'invention ayant une fréquence fondamentale de vibrations axiales de l'ordre de 900 Hz et une fréquence de résonance de Helmholtz de l'ordre de 650 Hz a une bande passante comprise entre 600 Hz et 1000 Hz avec un niveau d'émission ramené à 1 mètre expriméen micro- pascal par volt supérieur à 130 db dans toute la bande passante. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de transducteurs électro-acoustiques selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un transducteur électro-acoustique selon l'invention. La figure 2 est une demi-coupe axiale d'un premier mode- de réalisation d'un transducteur selon l'invention. La figure 3 est une demi-coupe transversale de la figure 2. La figure 4 est une demi-coupe transversale d'un deuxième mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention. La figure 5 est un diagramme qui représente le niveau d'émission d'un transducteur selon l'invention en fonction de la fréquence d'excitation. La figure 1 représente une coupe axiale schématique d'un transducteur électro-acoustique du type double-tonpilz, qui comporte deux moteurs électro-acoustiques la, lb, qui sont par exemple deux empilements de plaquettes de céramiques piézo-électriques Les deux moteurs la, lb sont placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale 2 Ils sont placés entre deux pavillons 3 a, 3 b. Les moteurs, la contre-masse et les deux pavillons sont alignés suivant un axe commun x xl. Habituellement, cet ensemble est placé à l'intérieur d'un boîtier rigide 4, qui est généralement un boîtier cylindrique coaxial qui est ouvert à ses deux extrémités axiales o se trouvent les deux pavillons 3 a, 3 b dont les faces externes sont en contact avec un liquide dans lequel le boîtier est plongé et ces faces externes constituent deux surfaces émettrices d'ondes acoustiques dans le liquide. Ces transducteurs de type double-tonpilz, sont bien connus de l'homme de l'art. Un des problèmes posés par ce type de transducteur est celui de l'élimination ou de la réduction des ondes acoustiques émises par les faces arrière des pavillons. La présente invention procure une solution nouvelle à ce = e problème. Le boîtier 4 d'un transducteur selon l'invention, comporte des ouvertures latérales 5, par lesquelles le liquide pénètre à l'intérieur du bottier Il comporte des tubes 6 en un matériau élastique qui sont fermés à leurs deux extrémités et qui sont remplis de gaz. Les tubes 6 sont situés dans la cavité 7 délimitée par les moteurs la, lb, par les faces arrière du pavillon et par les parois latérales du boîtier 4 De préférence, ils ont une forme aplatie et ils sont disposés avec leurs génératrices parallèles à l'axe x xl. Les ondes acoustiques émises par les faces arrière des pavillons dans la'cavité 7, déforment élastiquement les tubes et la cavité contenant les tubes a une fréquence propre qui peut rentrer en résonance avec la fréquence d'excitation Ce phénomène est connu des physiciens sous la dénomination de résonance de Helmholtz. Si l'on considère un récipient ayant une paroi rigide qui délimite une cavité remplie de fluide qui communique avec l'extérieur par un col et si l'on excite acoustiquement le fluide contenu dans cette cavité,pour une certaine fréquence d'excitation, il se produit une résonance dite résonance de Helmholtz Dans le cas présent, la cavité 7 contenant les tubes 6 remplit la fonction de cavité de Helmholtz et les ouvertures 5 constituent le col de la cavité. Lorsque le pavillon vibre, il crée un flux direct d'ondes acoustiques par la face avant et un flux inverse par la face arrière, qui est égal et de signe opposé au flux direct. Si la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité 7 correspond à la fréquence d'excitation, le flux inverse fait résonner la cavité 7 et, sous certaines conditions, l'émission acoustique quasiment du col du résonateur, c'est-à-dire des ouvertures 5 se trouve/en phase avec le flux direct et le niveau sonore résultant est la somme vectorielle du flux direct et du flux émis par le col du résonateur. On sait calculer la fréquence de résonance d' Helmholtz d'une cavité donnée ou la mesurer expérimentalement et on peut donc déterminer la nature, la forme, la dimension et la disposition des tubes ainsi que les dimensions des ouvertures 5 pour que la fréquences d'Helmholtz soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de compression-dilatation de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs la, lb, la contre-masse 2 et les deux pavillons 3 a, 3 b. Lorsque la fréquence d'Helmholtz de la cavité avec ses tubes est voisine de la fréquence d'émission, la résonance de Helmholtz a lieu et le maximum de l'énergie acoustique rayonnée par les faces arrière des pavillons sert à entretenir la résonance de Helmholtz et la propagation à l'extérieur du boîtier d'ondes acoustiques indésirables se trouve dont nettement atténuée. Avantageusement, on calcule les tubes et les ouvertures 5 pour que la fréquence de résonance de Helmholtz soit légèrement inférieure à la fréquence fondamentale de l'ensemble mécanique constitué par le transducteur double-tonpilz, ce qui permet d'élargir la bande passante du transducteur vers les basses fréquences. Les figures 2 et 3 sont une demi-coupe axiale et une demi-coupe transversale d'un premier mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères sur les figures 1, 2 et 3. Le boîtier 4 comporte une ouverture périphérique 5 qui est symétrique par rapport au plan médian PP' perpendiculaire à l'axe x xl. La Contre-masse 2 porte une plaque centrale 8 en forme de disque, dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur du bottier 4. Ce disque porte sur ses deux faces des encoches qui reçoivent les tubes 6 visibles sur la figure 3 Les tubes 6 ne sont pas représentés sur la figure 2 pour la clarté du dessin. La figure 3 représente un mode de réalisation dans lequel les tubes 6 ont une forme aplatie et sont disposés radialement. Le disque 8 porte, à sa périphérie, quatre pièces de fixation 9, disposées en croix Chaque pièce 9 est fixée à la périphérie du disque et comporte deux bras 10 qui s'étendent de part et d'autre du disque et qui sont fixés par des boulons 11 aux parois latérales du boîtier 4 s'étendant de part et d'autre de l'ouverture 5 Ces pièces 9, 10 ont pour fonction de relier mécaniquement entre elles les deux parties du bottier 4 séparées par l'ouverture 5. Les dimensions, la forme, la nature et la disposition des tubes 6 ainsi que les dimensions de l'ouverture 5 varient avec la taille du transducteur Elles sont calculées pour que la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité 7 ayant un col et contenant les tubes 6, soit voisine et, de préférence, légèrement inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales du transducteur double-tonpilz. Les parois du boîtier 4 sont des parois épaisses, métalliques ou en matériaux composite qui sont très rigides et qui ne vibrent pas Les tubes 6 sont composés d'un matériau très élastique tel que de l'acier à ressorts ou des stratifiés en fibre de verre ou de carbone La forme aplatie des tubes est une forme préférentielle qui favorise les vibrations en flexion des parois latérales des tubes. La figure 4 représente une demi-coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention Les parties homologues sont représentées par les mémes repères Dans ce mode de réalisation, les tubes 6 ne sont pas disposés radialement. Ils sont placés en éventail, c'est-à-dire que chaque tube est placé obliquement par rapport à la direction radiale. La figure 5 est un diagramme qui représente en abscisses les fréquences d'excitation et en ordonnées, le niveau d'émission d'un transducteur selon l'invention exprimé en décibels, c'est-à-dire le logarithme de la pression en micropascal obtenue pour une excitation de 1 volt, mesurée à 1 mètre du transducteur Ce diagramme correspond à un transducteur ayantune ouverture latérale 5, ayant une largeur de 15 cm et contenant 17 tubes 6. Ce diagramme montre que l'on obtient une bande passante ayant une largeur comprise entre 600 Hz et 1000 Hz La courbe CI représente le niveau d'émission SV sur l'axe du transducteur et la courbe C 2 le niveau d'émission SV dans un plan normal à l'axe du transducteur. REVENDICATIONS 1 Procédé pour émettre des ondes acoustiques basse fréquence dans un liquide au moyen d'un transducteur électro- acoustique du type comportant un bottier rigide cylindrique ( 4) et, à l'intérieur de celui-ci, deux moteurs électro-acoustiques (la, lb) identiques, qui sont alignés coaxialement avec ledit boîtier et qui sont placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale ( 2) et entre deux pavillons ( 3 a, 3 b) qui sont situés aux extrémités axiales dudit boîtier et dont les faces externes sont en contact avec ledit liquide, caractérisé en ce que l'on ménage des ouvertures ( 5) dans la paroi latérale dudit boîtier et l'on place dans la cavité ( 7) délimitée par ladite paroi ( 4), les faces arrières des pavillons ( 3 a, 3 b) et lesdits moteurs électro-acoustiques (la, lb) des tubes élastiques ( 6) fermés à leurs deux extrémités et remplis de gaz et l'on détermine les dimensions et les positions desdites ouvertures ( 5) et desdits tubes ( 6), de telle sorte que la fréquence de Helmholtz de ladite cavité ( 7) soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (la, lb), ladite contre-masse ( 2) et lesdits pavillons ( 3 a, 3 b). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine les dimensions et les positions desdites ouvertures ( 5) et desdits tubes élastiques ( 6), de telle sorte quelafréquence Helmholtz de ladite cavité ( 7) soit inférieure à ladite fréquence fondamentale. 3 Transducteur électro-acoustique du type comportant un boîtier cylindrique ( 4), ouvert à ses deux extrémités axiales et, à l'intérieur dudit boîtier, deux moteurs électro-acoustiques identiques (la, lb), situés de part et d'autre d'une contre-masse centrale ( 2) et entre deux pavillons ( 3 a 3 b) qui sont alignés coaxialement avec ledit bottier, lesquels pavillons sont situés aux extrémités axiales dudit bottier, de sorte que leurs faces externes soient au contact dudit liquide et émettent des ondes acoustiques basse fréqeunce dans ledit liquide, lorsque les deux moteurs sont excités électriquement, lequel bottier délimite une cavité ( 7) avec les faces arrière desdits pavillons ( 3 a, 3 b) et avec lesdits moteurs électro-acoustiques (la, lb), caractérisé en ce que ledit bottier ( 4) comporte des ouvertures latérales ( 5) et des tubes élastiques ( 6) fermés à leurs deux extrémités et remplis de gaz sont disposés dans ladite cavité ( 7) et les dimensions et positions desdites ouvertures latérales ( 5) et desdits tubes ( 6) sont déterminées pour que la fréquence de résonance de Helmholtz de ladite cavité soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs électro-acoustiques (la, lb), ladite contre-masse ( 2) et lesdits pavillons ( 3 a, 3 b) 4 Transducteur électro-acoustique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les dimensions et positions desdites ouvertures latérales ( 5) et desdits tubes ( 6) sont déterminées pour que la fréquence de résonance de Helmholtz de ladite cavité soit inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs électro- acoustiques (la, lb), ladite contre-masse ( 2) et lesdits pavillons ( 3 a, 3 b). Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 6) sont des tubes aplatis. 6 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdits tubes sont en acier élastique ou en stratifiés armés de fibres de verre ou de carbone. 7 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que lesdits tubes sont parallèles aux génératrices dudit boîtier cylindrique ( 4). 8 Transducteur selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que lesdits tubes aplatis sont disposés de telle sorte que la plus grande longueur de leur section aplatie soit placée en direction radiale. 9 Transducteur selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que lesdits tubes aplatis sont disposés de telle sorte que la plus grande longueur de leur section aplatie fasse un angle constant avec la direction radiale. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une ouverture latérale ( 5) qui s'étend sur toute la périphérie dudit boîitier ( 4) et qui est symétrique par rapport au plan de symétrie (PP') perpendiculaire à l'axe dudit boîtier ( 4).