Brevet FR2669423A1 — publié le 19920522

Capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale L'invention concerne le domaine des capteurs de pression acoustique audiofréquence. Dans le domaine de la production d'énergie, notamment, et dans tous les domaines techniques dans lesquels des machines hydrauliques ou à gaz telles que des turbines et leurs accessoires d'alimentation sont utilisés, il est de la plus haute importance, afin d'assurer une mise en oeuvre convenable des machines précitées, d'être en mesure d'assurer des relevés très précis d'intensité acoustique audiofréquence, ainsi que de réaliser une cartographie précise des champs acoustiques en paroi dans les veines aérodynamiques correspondantes, en particulier dans les veines d'essai. On rappelle que par traitement de type intensimétrie acoustique on entend, dans une zone de mesure, un relevé avec discrimination spatiale de pression permettant de déterminer et conserver les relations de phase des signaux détectés en vue d'établir le sens et la direction de propagation de l'énergie acoustique. Actuellement, les capteurs de pression acoustique audiofréquence les plus performants ne permettent pas d'obtenir une résolution spatiale suffisamment fine afin de réaliser les traitements et mesures précédemment invoqués. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités par la mise en oeuvre d'un capteur de pression acoustique audiofréquence permettant d'effectuer une cartographie par prise d'information pariétale à l'intérieur du conduit de la veine d'écoulement, le capteur selon l'invention étant ainsi disposé en paroi. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un capteur de pression acoustique audiofréquence d'épaisseur très mince afin, en raison de la disposition en paroi de celui-ci en cours d'utilisation, de n'apporter à la veine d'écoulement qu'une perturbation minimale des conditions d'écoulement. Un autre objet de la présente invention est également la mise en oeuvre d'un capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale bidimensionnelle. Le capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il comprend une tête de détection comportant une pluralité de capteurs piézoélectriques élémentaires intégrés dans une même structure délivrant chacun un signal de détection. Il comporte également un circuit électronique d'amplification des signaux de détection et d'adaptation d'impédance, ce circuit comportant une voie d'amplification par capteur piézoélectrique de la tête de détection. Le capteur de pression acoustique audiofréquence objet de l'invention trouve application dans des domaines aussi variés que la production d'énergie, les installations industrielles mettant en jeu le transport ou l'écoulement de fluides de toute nature et les essais acoustiques en immersion. Le capteur objet de l'invention relativement à son principe de réalisation et de fonctionnement sera mieux décrit ci-après dans la description et dans les dessins dans lesquels - la figure 1 représente en ses points a) et b) respectivement une vue en coupe selon le plan de coupe BB du point b) respectivement AA du point a), - la figure 2 représente une vue générale d'un capteur de pression acoustique audiofréquence selon l'invention dans un mode de réalisation bidimensionnelle, - la figure 3 représente un schéma d'un circuit d'amplification et d'adaptation d'impédance constituant une voie, - la figure 4 représente une vue en coupe selon un plan de coupe CC, plan longitudinal de symétrie, de la figure lb). Le capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale objet de la présente invention sera tout d'abord décrit en liaison avec la figure 1. Selon la figure précitée, celui-ci comporte une tête de détection comportant une pluralité de capteurs piézoélectriques élementaires, notés lj, intégrés dans une même structure. Chaque capteur piézoélectrique élémentaire précédemment mentionné délivre chacun un signal de détection. En outre, le capteur objet de la présente invention, ainsi que représenté au point a) de la figure 1, comprend un circuit électronique d'amplification des signaux de détection précités et d'adaptation d'impédance. Ce circuit comporte une voie d'amplification, notée 2j, par capteurs piézoélectriques élémentaires de la tête de détection. Sur la figure 2 on a représenté chaque voie d'amplification 2j en traits mixtes car on comprendra bien entendu que ces voies d'amplification sont réalisées au moyen de composants intégrés lesquels sont eux-mêmes inclus dans la structure ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description. On notera bien sûr que le point a) de la figure 1 représente une vue du capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale conforme à l'objet de la présente invention représentée selon une vue de dessus en coupe selon le plan de coupe BB du point b) de cette même figure 1, alors que le point b) précité représente lui-même une vue en coupe selon le plan de coupe AA du point a) de la figure 1. La structure en sandwich de la tête de détection telle que représentée par exemple en figure l aux points a) et b) sera décrite ultérieurement dans la description. Selon une autre caractéristique avantageuse du capteur objet de la présente invention, la pluralité de capteurs piézoélectriques élémentaires l; forme un arrangement bidimensionnel, ainsi que représenté en figure 2, cet arrangement constituant un réseau de détection selon deux directions préférentielles d, e ainsi que représenté cette figure. On comprendra bien sûr que, quel que soit le mode de réalisation tel que représenté en figure l ou en figure 2, la tête de détection comprend une pluralité de capteurs élémentaires rectangulaires par exemple alignés selon une direction d, chaque capteur piézoélectrique élémentaire noté l i,j dans le cas de la figure 2 ou lj dans le cas de la figure l présentant une dimension q x r déterminée. Chaque capteur élémentaire est espacé d'un capteur élémentaire adjacent par un intervalle s de valeur déterminée. La résolution du capteur est en raison inverse du pas p = r + s de distribution des capteurs élémentaires piézoélectriques suivant la direction considérée, la direction d dans le cas de la figure l, les directions d et e dans le cas de la figure 2. Dans le cas de la figure 2, en particulier dans celui dans lequel une résolution spatiale selon les directions d et e identique est souhaitée, l'espacement s selon les directions d et e peut être alors identique pour obtenir une résolution spatiale identique dans les deux directions. De préférence et de manière classique, le pas p entre deux capteurs piézoélectriques élémentaires peut être pris égal à c 2fMAX Dans la relation précitée, c représente la vitesse de propagation du son ou vibration acoustique dans le milieu considéré et fMAX représente la fréquence maximale des vibrations pour lesquelles la mesure doit être effectuée. On comprendra bien sûr que le réseau bidimensionnel, tel que représenté par exemple en figure 2 peut être formé par un arrangement en lignes et en colonnes de capteurs piézoélectriques. Le nombre de capteurs piézoélectriques par ligne et/ou par colonne peut alors être choisi de façon å vérifier une loi déterminée en fonction du rang i,j de chaque ligne respectivement de chaque colonne. On notera que dans tous les cas, des connecteurs, notés 3d relativement aux capteurs piézoélectriques alignés dans la direction d et 3e relativement aux capteurs piézoélectriques alignés dans la direction e, sont prévus afin d'assurer l'interconnexion du capteur objet de la présente invention au circuit de mesure proprement dit. On comprendra également que le nombre de capteurs piézoélectriques en ligne et/ou par colonne peut alors être choisi de manière arbitraire de façon à vérifier une loi déterminée en fonction du rang i,j de chaque ligne ou de chaque colonne. Bien entendu, le capteur objet de la présente invention ne préjuge pas de l'utilisation d'une tête de détection telle que représentée en figure 2 dans laquelle seuls des capteurs préférentiels sont rendus actifs selon un motif déterminé, au moyen par exemple d'un interrupteur commandé permettant d'assurer la connexion ou la non connexion du capteur piézoélectrique élémentaire correspondant d'adresse i,j au connecteur de sortie 3d ou 3e. Ce type d'interrupteur peut être constitué par un interrupteur intégré à chaque voie ainsi que représenté en figure 1. Sur cette figure les interrupteurs sont notés I j ou I j+k. Les interrupteurs précités peuvent simplement être constitués par un transistor intégré lequel peut être rendu conducteur ou non conducteur à volonté à partir d'une commande de type classique. On comprendra alors que le réseau bidimensionnel tel que représenté en figure 2 peut être avantageusement réalisé par superposition d'une pluralité de têtes de détection monodimensionnelles telle que représentée en figure 1 selon une direction perpendiculaire à la direction d précitée. Ainsi qu'on l'a représenté en outre en figure lb, chaque capteur piézoélectrique élémentaire 1 j ou 1 i,j dans le cas de la figure 2 est formé par une électrode notée lOj respectivement 10 i,j en vis à vis d'une électrode de masse commune notée 12 sur la figure lb précitée. En outre, chaque électrode 10 j ou 10 i,j comporte une électode de garde notée il j ou il i,j cette électrode de garde entourant l'électrode précitée et étant destinée au découplage électrique de l'électrode vis à vis de toute électrode adjacente. Une description plus détaillée de chaque voie d'amplification sera donnée en liaison avec la figure 3. Chaque voie d'amplification est ainsi notée 2 j ou 2i,j dans le cas du mode de réalisation de la figure 2. Ainsi qu'on l'a représenté en figure 3, chaque voie d'amplification du circuit électronique d'amplification comprend une voie d'entrée différentielle formée par un premier et un deuxième amplificateur opérationnel noté OPl, OP2. Les bornes d'entrée positive des amplificateurs opérationnels constituent les entrées différentielles de la voie précitée entre lesquelles le signal de détection délivré par un capteur élémentaire est appliqué. La sortie du premier amplificateur opérationnel OP1 et du deuxième amplificateur opérationnel OP2 est rebouclée sur l'entrée négative de ces derniers par l'intermédiaire de résistances notée Rf, Rg.Ainsi on comprendra que chaque voie d'amplification et en particulier la voie d'entrée différentielle de celle-ci est connectée entre l'électrode commune 12 et une électrode lOj, 10 i,j précédemment décrite en liaison avec les figures 1 ou 2. En outre, chaque voie d'amplification ainsi que représentée en figure 3 comprend une voie de circuit de garde comportant un troisième amplificateur opérationnel OP3 dont la borne d'entrée positive est reliée à un point milieu du pont résistif Rf, Rg, ce pont résistif étant connecté entre les sorties des premier et deuxième amplificateur opérationnels OPl OP2 précédemment mentionnés. La borne d'entrée négative du troisième amplificateur opérationnel OP3 est connectée en contre réaction directe sur la sortie de ce troisième amplificateur opérationnel. La sortie de celui-ci est alors connectée à l'électrode de garde il i,j ou ll j correspondante et délivre à celle-ci une tension de polarisation laquelle a pour effet d'assurer le découplage électrique entre deux électrodes adjacentes. La voie d'amplification telle que représentée en figure 3 comporte en outre une voie de sortie comprenant un amplificateur différentiel de sortie noté OPS dont les entrées négative et positive sont connectées respectivement à la sortie du premier et du deuxième amplificateur opérationnel OPl, OP2 par une liaison capacitive notée R4 C4 sur la figure 3. Cette liaison capacitive R4 C4 joue le rôle d'un filtre passe haut. L'amplificateur OPS constituant la voie de sortie est un amplificateur différentiel à gain fixe. On notera enfin qu'en ce qui concerne la voie d'entrée différentielle celle-ci comprend en parallèle une résistance Rl laquelle a pour effet de réaliser une protection du circuit contre les variations brutales de pression statique et d'agir comme filtre passe haut. Une description plus détaillée d'un mode de réalisation avantageux non limitatif de l'ensemble du circuit capteur de pression acoustique audiofréquence haute résolution spatiale objet de la présente invention sera donnée en liaison avec la figure 4. La figure 4 précitée correspond à une vue en coupe selon un plan de coupe CC de la figure lb c' est-à-dire suivant un plan longitudinal de symétrie d'un arrangement monodimensionnel par exemple. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 4 précitée, le capteur objet de l'invention est remarquable en ce que chaque capteur piézoélectrique élémentaire comprend au moins sur un substrat en matériau céramique, noté 14, une électrode commune 12 précédemment décrite, une couche de matériau piézoélectrique polarisé 13, une couche de colle isolante 15 assurant la liaison mécanique de la couche de matériau piézoélectrique polarisé avec le substrat céramique 14 et un ou plusieurs circuits 10; en matériau électriquement conducteur formant électrode lOj en vis à vis de l'électrode commune 12. Ces circuits en matériaux électriquement conducteurs sont déposés sur le substrat de céramique 14 et la couche de colle 15 forme entre la couche de matériau piézoélectrique polarisé 13 et le ou les circuits en matériaux électriquement conducteurs une liaison capacitive. On comprendra que toute électrode 10j en vis à vis de l'électrode commune 12 forme ainsi un capteur piézoélectrique élementaire par l'intermédiaire de la couche de matériau piézoélectrique polarisé 13 et de la couche de colle 15. On remarquera enfin que le substrat céramique 14 est lui-même superposé à un substrat de céramique 19 formant armature par l'intermédiaire de supports 17 lesquels, dans un mode réalisation avantageux non limitatif du capteur objet de la présente invention, peuvent être eux-mêmes réalisés par les circuits ou éléments discrets constitutifs des circuits. On notera que de manière avantageuse non limitative le matériau piézoélectrique polarisé 13 est constitué par du polyfluorure de vynilidène ou un copolymère de ce matériau, un film de ce matériau piézoélectrique étant rapporté par collage sur le substrat céramique 14, un film métallique 13 ayant été déposé au préalable sur le matériau piézoélectrique polarisé 13 pour constituer l'électrode commune 12. En outre, ainsi qu'on l'a représenté en figure 4, chaque capteur élémentaire peut comporter superposée à la couche de matériau piézoélectrique polarisé 13 une couche 16 de matériau isolant thermique. Cette couche est destinée à découpler thermiquement la couche de matériau piézoélectrique polarisé 13. La couche d'isolant thermique 16 permet ainsi de ne recueillir que le signal de pression, la composante thermique du signal délivré par le matériau piézoélectrique polarisé due en particulier à l'effet pyrodétecteur de celui-ci, étant sensiblement supprimée. Le materiau isolant thermique peut être constitué par du polyfluorure de vinylidène inerte, ou par un copolymère de ce matériau. On notera ainsi que le circuit hybride tel que représenté en figure 4 est composé de deux couches de céramique ou polyimide 14 et 19 entre lesquelles sont placés les circuits intégrés notés 18 lesquels constituent chacun une voie d'amplification telle que décrite en figure 3, les capacités étant alors réalisées de façon à constituer les supports 17 précédemment décrits. Les routages ou voies de transmission des signaux à partir des électrodes 10 j peuvent alors être réalisés par sérigraphie or. Un prototype d'essai a été réalisé celui-ci comportant un arrangement monodimensionnel de détecteurs piézoélectriques élémentaires de dimension 6 x 6 mm au pas de p = 8 mm. Le capteur ainsi réalisé présentait une surface de 2,5 x 9 cm pour une épaisseur ne dépassant pas 1,2 mm. Au cours d'essais on a pu constater que le niveau des pressions dynamiques mesurables variait de 90 à 160 dB pour une bande passante retenue de signal comprise entre 100 et 10 000 Hz. Bien entendu, les supports ou couches céramiques 14 et 16 peuvent être avantageusement remplacés par un matériau plus souple tel que le polyimide connu sous le nom et distribué sous la marque de commerce CAPTON par la société Du Pont de Nemours. On notera en particulier que dans le cas où le substrat ou les substrats céramiques sont remplacés par un polyimide, le capteur objet de la présente invention peut alors avantageusement être déformé de façon à être placé en paroi sur une paroi non plane et en particulier sur une paroi courbe, la courbure de la paroi pouvant alors être imprimée au capteur selon l'invention dans un plan sensiblement orthogonal à la direction d telle que définie sur la figure 1. En outre, afin de réaliser un capteur succeptible d'être utilisé conformément à l'objet de la présente invention en immersion, l'ensemble de la structure telle que représentée en figure 4 peut avantageusement être imprégné au moyen d'un élastomère imperméable ce qui a pour effet de rendre le capteur selon l'invention opérationnel même en milieu agressif. On notera en particulier que l'épaisseur hors tout du capteur objet de la présente invention ne dépasse pas 1,3 mm ce qui a pour effet de rendre ce type de capteur particulièrement avantageux pour une utilisation en paroi, les veines d'écoulement et conditions d'écoulement du fluide correspondant n'étant pas sensiblement modifiées. On a ainsi décrit un capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale particulièrement avantageux dans la mesure où ce type de capteur peut être installé à demeure en paroi d'une canalisation matérialisant une veine d'écoulement de fluide et où ce type de capteur ne modifie pas sensiblement les conditions d'écoulement du fluide précité. En particulier, l'utilisation d'un tel type de capteur dans une configuration bidimensionnelle peut permettre moyennant une utilisation d'un réseau bidimensionnel de dimension convenable ou éventuellement l'utilisation d'une pluralité de capteurs formant réseaux monodimensionnels tels que précédemment décrits, une utilisation pour la réalisation de traitement de type intensimétrie à haute fréquence en vue d'application bidimensionnelle. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale, caractérisé en ce qu'il comporte - une tête de détection comportant une pluralité de capteurs piézoéletriques élémentaires (lj) intégrés dans une même structure délivrant chacun un signal de détection, - un circuit électronique d'amplification desdits signaux de détection et d'adaptation d'impédance, ledit circuit comportant une voie d'amplification (2j) par capteur piézoélectri que élémentaire de la tête de détection. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité de capteurs piézoélectriques élémentaires forme un arrangement bidimensionnel (d,e) ledit arrangement constituant un réseau de détection selon deux directions préférentielles (d,e). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite tête de détection comprend une pluralité de capteurs élémentaires rectangulaires alignés selon une direction d, chaque capteur piézoélectrique élémentaire présentant une dimension q x r déterminée et étant espacé d'un capteur élémentaire adjacent par un intervalle s déterminé, la résolution dudit capteur étant en raison inverse du pas p = r + s de distribution desdits capteurs élémentaires suivant la direction d. 4. Capteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit réseau bidimensionnel est formé par un arrangement en lignes et en colonnes, le nombre de capteurs piézoélectriques par ligne et/ou par colonne vérifiant une loi déterminée en fonction du rang i,j de chaque ligne respectivement colonne. 5. Capteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque capteur piézoélectrique élémentaire est formé par une électrode en vis à vis d'une électrode de masse commune. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque électrode (lOi,;) comporte une électrode de garde (lli,j) entourant ladite électrode et destinée au découplage électrique de celle-ci de l'électrode adjacente, 7. Capteur selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que chaque capteur piézoélectrique élémentaire comporte au moins sur un substrat céramique (14) - une électrode commune (12), - une couche de matériau piézoélectrique polarisé (13), - une couche de colle (15) assurant la liaison mécanique de ladite couche de matériau piézoélectrque polarisé avec ledit substrat céramique ou polyimide(14), - un ou plusieurs circuits en matériau électri quement conducteur formant électrode (10) en vis à vis de l'électrode commune (12), déposés sur ledit substrat de céramique, ladite couche de colle formant entre ladite couche de maté riau piézoélectrique polarisé (13) et le ou lesdits circuits en matériau électriquement conducteur une liaison capacitive. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique polarisé (13) est le polyfluorure de vinylidène ou un copolymère de celui-ci. 9. Capteur selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que chaque capteur élémentaire comporte en outre, superposée à ladite couche de matériau piézoélectrique polarisé, une couche (16) de matériau isolant thermique destinée à découpler thermiquement ladite couche de matériau piézoélectrique polarisé (13). 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau isolant thermique est du polyfluorure de vinylidène inerte, ou un copolymèrede ce dernier, permettant de ne recueillir que le signal de pression. 11. Capteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque voie d'amplification du circuit électronique d'amplification comporte - une voie d'entrée différentielle formée par un premier (OP1) et un deuxième (OP2) amplifica teur opérationnel, les bornes d'entrée positi ve desdits amplificateurs opérationnels constituant les entrées différentielles de ladite voie entre lesquelles le signal de détection d'un capteur élémentaire correspon dant est appliqué, la sortie du premier OP1 et du deuxième OP2, amplificateur opérationnel étant rebouclée sur l'entrée négative de ces derniers, par l'intermédiaire de résistances (Rf, Rg), - une voie de circuit de garde, comportant un troisième amplificateur opérationnel (OP3) dont la borne d'entrée positive est reliée à un point milieu du pont résistif (Rf, Rg) connecté entre les sorties des premier (OP1) et deuxième (OP2) amplificateur opérationnel et dont la borne d'entrée négative est connectée en contre-réaction directe sur la sortie dudit troisième amplificateur opéra tionnel, ladite sortie délivrant une tension de polarisation à l'électrode de garde corres pondante, - une voie de sortie comportant un amplificateur différentiel de sortie (OPS) dont les entrées négative et positive sont connectées respecti vement à la sortie du premier (OP1) et du deuxième (OP2), amplificateur opérationnel par liaison capacitive. 12. Utilisation d'un capteur de pression acoustique audiofréquence à haute résolution spatiale selon l'une des revendications précédentes pour la réalisation de traitements de type intensimétrie haute fréquence.