Brevet FR2664118A1 — publié le 19920103

i Transducteur acoustique bi-fréquence et son utilisation pour la réalisation d'une antenne acoustique basse-fréquence. L'invention concerne un transducteur acoustique bi-fréquence et son utilisation pour la réalisation d'une antenne acoustique basse-fréquence. Il existe des transducteurs acoustiques bi-fréquence comportant, le long d'un axe longitudinal, un pavillon, un moteur par exemple piezoélectrique et une masse arrière Ces transducteurs ne présentent pas un découplage suffisant entre les deux fréquences et s'apparentent plus à des transducteurs large bande De plus, étant donné qu'ils ne comportent qu'un seul pavillon, l'émission acoustique ne s'effectue que d'un seul côté de l'axe longitudinal et ne permet pas de déterminer si un signal reçu en écho d'un signal émis, provient du côté droit ou du côté gauche du transducteur. Il existe également des transducteurs acoustiques, dits "Janus symétrique", comportant le long d'un axe longitudinal, deux pavillons identiques positionnés aux extrémités de deux moteurs piézoélectriques, et une masse centrale Ces transducteurs sont symétriques, ils émettent dans deux directions opposées le long de l'axe longitudinal, la masse centrale couplant les deux moteurs Ces transducteurs étant symétriques, leurs vibrations sont symétriques, c'est-à-dire que les pavillons vibrent à la même fréquence de résonance avec la même amplitude Les rayonnements sont émis par chacun des pavillons avec la même puissance Ce type de transducteur symétrique ne permet pas de faire la distinction entre un signal provenant de la droite et un signal provenant de la gauche du transducteur. Il est également connu de contrôler la puissance émise par chaque pavillon d'un transducteur du type "Janus symétrique", en dissymétrisant l'excitation des deux moteurs, c'est-à-dire en faisant varier l'amplitude et la phase des tensions appliquées à chacun des moteurs Dans ce cas, le mode de fonctionnement du transducteur n'est pas optimisé car ce ne sont pas ses modes propres qui sont excités Les pavillons vibrent alors très peu et les puissances émises sont très faibles. Un but de l'invention est de réaliser un transducteur, émettant à deux fréquences différentes dans deux directions opposées, dites "directions droite et gauche", le long d'un axe longitudinal, et ayant pour la première, respectivement pour la seconde, fréquence d'utilisation une puissance d'émission maximale dans l'une desdites directions, respectivement dans la direction opposée. Pour atteindre ce but, l'invention consiste à utiliser un transducteur du type Janus mais ayant une structure géométrique fortement dissymétrique et à exciter alternativement les deux modes propres de vibration du transducteur de façon qu'à un mode propre de vibration correspondant à une fréquence de résonance, le rapport de vibration entre les deux pavillons soit important, l'un des pavillons vibrant beaucoup plus que l'autre. Pour cela, le transducteur acoustique bi-fréquence, selon l'invention, comportant le long d'un axe longitudinal, deux pavillons disposés de part et d'autre de deux moteurs colonnes et une masse centrale disposée entre les deux moteurs, est caractérisé en ce que les deux pavillons et les deux moteurs ont des dimensions très différentes formant ainsi une structure dissymétrique géométriquement, et en ce que les moteurs sont alimentés en parallèle et en phase, respectivement en opposition de phase, pour exciter un premier mode propre de vibration associé à une première fréquence de résonance du transducteur, respectivement un deuxième mode propre de vibration associé à une deuxième fréquence de résonance du transducteur. L'invention a également pour objet l'utilisation du transducteur acoustique bi-fréquence pour la réalisation d'une antenne acoustique basse-fréquence. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: la figure 1: une vue en coupe suivant un axe longitudinal, d'un transducteur acoustique bi-fréquence, selon l'invention, la figure 2: les mouvements des deux pavillons d'un transducteur acoustique, selon l'invention, pour le premier mode de vibration, la figure 3 les mouvements des deux pavillons d'un transducteur acoustique, selon l'invention, pour le deuxième mode de vibration, la figure 4: un schéma de l'alimentation électrique des moteurs, selon l'invention, la figure 5: deux courbes simulées de la sensibilité d'un transducteur acoustique en fonction de la fréquence; (a) calculée dans l'axe côté droit; (b) calculée dans l'axe côté gauche, La figure 6 un schéma d'utilisationdes transducteurs acoustiques, selon l'invention, pour la réalisation d'une antenne acoustique basse-fréquence. La figure 1 représente une vue en coupe suivant un axe longitudinal, d'un transducteur acoustique bi-fréquence, selon l'invention Ce transducteur acoustique comprend le long de son axe longitudinal, une masse centrale, 1, fixée entre deux moteurs colonnes, 2, 3, aux extrémités, 4, 5, desquels sont respectivement fixées deux masses munies chacune d'une face parlante, ou pavillon, 6, 7, permettant d'émettre et de recevoir des ondes acoustiques provenant de deux directions opposées le long de l'axe longitudinal, c'est-à-dire des côtés droit et gauche du transducteur Chaque moteur, 2, 3, est constitué par un empilement d'éléments actifs, 8, autour d'une tige de précontrainte 9 La masse centrale, 1, couple les deux moteurs, 2, 3 Les éléments actifs, 8, peuvent être réalisés par exemple avec des matériaux piézoélectriques (des céramiques piézoélectriques) ou avec des matériaux magnétostrictifs Les éléments actifs, 8, d'un moteur sont connectés électriquement en parallèle à l'aide d'un circuit électrique non représenté et de principe connu, chaque moteur étant indépendant électriquement de l'autre moteur Contrairement aux transducteurs de l'art antérieur, la structure est dissymétrique: les deux pavillons 6, 7, ainsi que les deux moteurs, 2, 3, ont des dimensions très différentes. Cette structure permet d'obtenir deux fréquences de résonance correspondant à deux modes de vibration différents en alimentant respectivement les deux moteurs 2, 3 en phase et en opposition de phase A cause de la dissymétrie de la structure, la puissance rayonnée par chaque pavillon 6, 7 sera prépondérante d'un côté, respectivement du côté opposé, pour le premier mode de vibration, respectivement pour le deuxième mode de vibration Les mouvements des pavillons correspondant à chaque mode de vibration sont représentés sur la figure 2 et sur la figure 3. Le premier mode de vibration, figure 2, correspond à une fréquence de résonance basse Les moteurs sont alimentés en phase, les éléments actifs des deux moteurs se dilatent et se contractent alternativement en synchronisme et les deux pavillons se déplacent en sens inverse, la masse centrale restant quasiment immobile. Le deuxième mode de vibration, figure 3, correspond à une fréquence de résonance haute Les moteurs sont alimentés en opposition de phase, les éléments actifs du moteur 2 se dilatent pendant que ceux du moteur 3 se contractent et inversement, et les deux pavillons se déplacent dans le même sens tandis que la masse centrale se déplace en sens inverse. Le transducteur représenté sur les figures 2 et 3, comporte, disposés à gauche de la masse centrale 1, un pavillon 6 et un moteur 2 de dimensions très supérieures au pavillon 7 et moteur 3 disposé à droite de la masse centrale Par conséquent, pour le premier mode propre de vibration correspondant à une fréquence de résonance basse, le rayonnement acoustique du transducteur est émis essentiellement par le pavillon 7 situé à la droite de la masse centrale, car d'une part, la section de ce pavillon 7 est adaptée à la valeur de la fréquence de résonance correspondant à ce premier mode propre de vibration et présente donc un bon rapport énergie active/énergie réactive, d'autre part, les moteurs 2 et 3 sont dimensionnés pour que la vitesse du pavillon 7, pour ce premier mode de vibration, soit très supérieure à la vitesse du pavillon 6. Pour le deuxième mode propre de vibration, correspondant à une fréquence de résonance haute, le rayonnement acoustique du transducteur est émis essentiellement par le pavillon 6 situé à la gauche de la masse centrale 1, car la section du pavillon 6 est adaptée à la fréquence de résonance F 2 correspondant à ce deuxième mode propre de vibration et les moteurs 2 et 3 sont dimensionnés pour que la vitesse du pavillon 6, pour ce deuxième mode propre de vibration soit très supérieure à la vitesse du pavillon 7. Pratiquement, il est possible d'obtenir des rapports de vitesse entre les deux pavillons supérieurs à 10. La figure 4 représente un schéma électrique de l'alimentation des moteurs d'un transducteur, selon l'invention. Pour exciter les deux modes propres de vibration du transducteur, les deux moteurs 2, 3 doivent être alimentés en phase pour le premier mode de vibration et en opposition de phase pour le deuxième mode propre de vibration Les deux moteurs 2, 3 sont alimentés en parallèle à partir d'un générateur de fréquence, 40 L'un des moteurs est connecté directement en sortie du générateur de fréquence, 40, alors que le second moteur est connecté au générateur de fréquence par l'intermédiaire d'un déphaseur 0 /180 Lorsque la fréquence de travail est voisine de la fréquence de résonance Fl, respectivement F 2, du premier mode, respectivement du second mode, le déphasage est nul, respectivement égal à 1800. Lorsque les deux pavillons du transducteur sont choisis circulaires, les diagrammes de rayonnement du transducteur aux deux fréquences de résonance Fl, F 2 sont rendus avantageusement identiques en largeur de lobe à 3 d B en ajustant les sections des pavillons 6, 7 dans le rapport des fréquences Fl et F 2, c'est-à-dire: Dl/Fl = D 2/F 2, o Dl et D 2 désignent respectivement les diamètres des deux pavillons 6, 7. Les caractéristiques du transducteur bi-fréquence peuvent être obtenues par exemple, au moyen de programmes d'optimisation non linéaire sous contraintes, tel que par exemple le programme connu sous le nom anglais de "NLGP: Non Linear Goal Programming", greffés sur un programme de calcul classique à constantes localisées. La figure 5 représente deux courbes obtenues par simulation, de la sensibilité d'un transducteur acoustique en fonction de la fréquence Le transducteur acoustique choisi est dimensionné pour avoir deux fréquences propres dans l'air Fl = 1,5 k Hz et F 2 = 2,5 k Hz. Dans cet exemple les dimensions du transducteur sont les suivantes: le pavillon 6 a un diamètre Dl = 30 cm, une masse Ml = 5 kg le pavillon 7 a un diamètre D 2 = 20 cm, une masse M 2 = 10 kg le moteur 2 a un diamètre = 5,5 cm et une longueur = 20 cm le moteur 3 a un diamètre = 4 cm et une longueur = 10 cm. Sur la figure 5, la courbe (a) est relative à la sensibilité Svi du transducteur calculée dans l'axe du côté droit; elle représente le rapport S v = 20 log (Pl/Ul), Pl étant la pression acoustique générée par le pavillon 7, Ul étant la tension d'alimentation du moteur 3. La courbe (b) est relative à la sensibilité SV 2 calculée dans l'axe du côté gauche; elle représente le rapport SV 2 = 20 log (P 2/U 2), P 2 étant la pression acoustique générée par le pavillon 6, U 2 étant la tension d'alimentation du moteur 2 La discontinuité que l'on observe sur ces courbes (a), (b) à la fréquence de 1,3 k Hz est due au déphasage entre les moteurs 2 et 3 qui passe de O à 1800 à la fréquence de 1,3 k Hz. Sur ces courbes (a) et (b) il est à remarquer que les fréquences de résonance obtenues par simulation sont respectivement égales à 900 Hz et 1, 9 k Hz et sont donc plus faibles que les fréquences Fl et F 2 initialement choisies Ceci est dû au fait que les fréquences Fl et F 2 choisies correspondent au transducteur rayonnant dans l'air, alors que la simulation est effectuée pour un rayonnement dans l'eau; il faut donc considérer, dans les calculs, la masse ajoutée par l'eau. Ces courbes (a) et (b) montrent qu'à 900 Hz la valeur de la sensibilité du pavillon, 7, est d'environ 10 d B supérieure à la valeur de la sensibilité du pavillon 6 et qu'à 1, 9 k Hz la valeur de la sensibilité du pavillon 6 est d'environ 18 d B au-dessus de la valeur de la sensibilité du pavillon 7: les deux modes propres de vibration du transducteur sont donc bien séparés et un transducteur dimensionné de cette façon est un transducteur bi-fréquence. Cependant, les dimensions choisies pour le transducteur n'est qu'un exemple de réalisation de l'invention parmi beaucoup d'autres. La figure 6 représente un exemple d'application du transducteur, selon l'invention, à la réalisation d'une antenne acoustique de type "source basse-fréquence" à deux côtés droit et gauche Cette antenne acoustique comporte un ensemble de plusieurs transducteurs montés tête-bêche sur un bâti commun. De cette façon le premier transducteur et tous les transducteurs de rang impair émettent par exemple la fréquence Fl vers la droite et F 2 vers la gauche, tandis que le deuxième transducteur ainsi que tous les transducteurs de rang pair émettent la fréquence F 2 vers la droite et la fréquence Fl vers la gauche. L'émission acoustique d'un signal aux fréquences Fl et F 2 s'effectue donc des deux côtés gauche et droit de l'antenne. Pour une application de type source basse-fréquence, la fréquence de travail basse de l'antenne est avantageusement choisie égale à la fréquence propre de résonance Fl du transducteur correspondant au premier mode propre de vibration Le transducteur est dimensionné pour que cette fréquence de résonance soit suffisamment basse de façon à ce que son diagramme de rayonnement à la fréquence Fl soit pratiquement omnidirectionnel Ainsi, l'antenne peut être utilisée pour effectuer une veille panoramique à longue portée. La fréquence de travail haute de l'antenne est choisie différente à gauche et à droite: Les transducteurs émettent à la fréquence FG 2 à gauche et à la fréquence FD 2 à droite. En fait, la valeur des fréquences FD 2 et FG 2 est ajustée autour de la fréquence de résonance F 2 correspondant au deuxième mode propre de vibration; la différence entre ces fréquences FD 2 et FG 2 est donc faible De cette façon l'antenne peut être utilisée pour effectuer une détection et une localisation dans une zone proche avec une levée d'ambiguïté droite/gauche. Les avantages de cette source basse-fréquence sont les suivants: les deux moteurs de chaque transducteur bi-fréquence contribuant à fournir la puissance acoustique aux deux résonances, les raideurs apparentes liées à ces deux moteurs sont donc plus faibles que pour deux transducteurs séparés comportant chacun un pavillon, un moteur et une masse, travaillant chacun à une seule fréquence de résonance et émettant l'un vers la gauche et l'autre vers la droite Ceci permet d'obtenir des fréquences de résonance plus faibles à masse équivalente Cet avantage est important puisque la portée en dépend; en effet, plus la fréquence de résonance est basse plus la portée est longue. les deux moteurs travaillent en permanence ce qui permet d'obtenir un rapport (puissance d'émission/poids total du transducteur) maximum, alors que dans le cas de deux transducteurs séparés les moteurs travaillent à tour de rôle. REVENDICATIONS 1 Transducteur acoustique bi-fréquence comportant, le long d'un axe longitudinal, un premier et un deuxième pavillon disposés de part et d'autre de deux moteurs colonnes, et une masse centrale disposée entre les deux moteurs, caractérisé en ce que les deux pavillons ( 6, 7) et les deux moteurs ( 2, 3) ont des dimensions très différentes formant ainsi une structure dissymétrique géométriquement, et en ce que les moteurs ( 2, 3) sont alimentés en parallèle et en phase, respectivement en opposition de phase, pour exciter un premier mode propre de vibration associé à une première fréquence de résonance Fl du transducteur, respectivement un deuxième mode propre de vibration associé à une deuxième fréquence de résonance F 2 du transducteur. 2 Transducteur acoustique bi-fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections du premier et du deuxième pavillon ( 7, 6), sont respectivement adaptées aux valeurs des deux fréquences de résonance (Fl, F 2) correspondant respectivement au premier et au deuxième mode propre de vibration et en ce que les moteurs ( 3, 2) sont dimensionnés pour que les vitesses du premier et du deuxième pavillon ( 7, 6) soient très supérieures, respectivement aux vitesses du deuxième et du premier pavillon ( 6, 7) respectivement pour les premier et deuxième modes propres de vibration. 3 Utilisation du tranducteur acoustique bi-fréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour la réalisation d'une antenne acoustique basse-fréquence à deux côtés droit et gauche, caractérisée en ce que l'antenne comporte un ensemble de transducteurs acoustiques bi-fréquence montés tête-bêche sur un bâti commun. 4 Utilisation du transducteur acoustique bi-fréquence selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'antenne acoustique a une fréquence de travail basse égale à la fréquence il de résonance F 1 correspondant au premier mode propre de vibration des transducteurs et une fréquence de travail haute différente du côté gauche et du côté droit et ajustée autour de la fréquence de résonance F 2 correspondant au deuxième mode propre de vibration des transducteurs.