Brevet FR2673347A1 — publié le 19920828

TRANSDUCTEUR ELECTROACOUSTIQUE A DECOUPLAGE ACOUSTIQUE OPTIMISE La présente invention se rapporte aux transducteurs électroacoustiques pour immersion profonde. Elle concerne notamment des transducteurs axiaux d'émission et/ou de réception devant fonctionner en milieu marin à des profondeurs importantes, supérieures à 500 mètres, pour lesquelles la réalisation de tels transducteurs est rendue délicate en raison de la pression hydrostatique. I1 est actuellement connu de réaliser des transducteurs électroacoustiques fonctionnant à immersion profonde, au moyen de techniques variées. Notamment, il est connu de réaliser un transducteur électroacoustique utilisant un assemblage de type sandwich, dit transducteur Tonpilz, comprenant un pavillon, une masse arrière et une partie active formée de pastilles piézo-électriques, disposée entre le pavillon et la masse arrière. La partie active du transducteur peut être enfermée dans un boîtier formant une cavité étanche résistant à la pression externe. Cela nécessite cependant une quantité importante de matériau très résistant aux contraintes de compression mises en jeu, ainsi que des céramiques en matériau piézoélectrique de qualité mécanique particulièrement poussée. I1 est également connu de disposer une lame de gaz ou d'air entre le pavillon et le boîtier d'un transducteur Tonpilz qui est alors dit de type "Soufflet". La lame de gaz étant à tout moment soumise à la pression hydrostatique, elle permet d'une part, d'équilibrer la pression hydrostatique qui s'applique sur le pavillon et de soulager ainsi les céramiques piézoélectriques et, d'autre part, de découpler le transducteur Tonpilz par rapport à son boîtier et de réduire ainsi le rayonnement arrière du pavillon du transducteur. Cependant, une augmentation de la pression hydrostatique a pour effet de réduire l'épaisseur de la lame de gaz et de modifier le comportement acoustique du transducteur, notamment sa fréquence de résonance propre et son impédance acoustique. Pour maintenir une stabilité des performances d'un tel transducteur en fonction de la pression hydrostatique, il faut maintenir une épaisseur constante de la lame de gaz. Pour cela, il est connu de disposer un réservoir de gaz annexe préalablement gonflé et d'approvisionner la lame de gaz à l'aide de ce réservoir. Cependant, un tel transducteur présente des contraintes de dimensionnement contradictoires d'autant plus critiques que le transducteur est destiné à de grandes profondeurs d'immersion et que sa fréquence de fonctionnement est basse, par exemple égale ou inférieure à 2 kHz. En effet, les céramiques des transducteurs très basse fréquence sont très élastiques et nécessitent des découplages dynamiques très performants. Par conséquent, la lame de gaz doit être suffisamment élastique à pression maximale de fonctionnement et pour cela, le volume de gaz de la lame doit être suffisamment important. Par ailleurs, pour minimiser l'encombrement du transducteur, il faut minimiser le volume de la lame de gaz de façon à minimiser le volume du réservoir et la valeur de la pression initiale de gonflage. Le but de l'invention est de réaliser un transducteur électroacoustique pour immersion profonde, ayant un découplage dynamique optimisé et des performances acoustiques stables en fonction de la pression hydrostatique. Selon l'invention, le transducteur électroacoustique à découplage optimisé, comportant un pavillon, une masse arrière, une partie active constituée d'un empilement de disques piézoélectriques disposée entre le pavillon et la masse arrière, un boîtier entourant la partie active et la masse arrière et laissant libre le pavillon, une lame de gaz disposée entre le pavillon et le boîtier et en liaison avec un réservoir de gaz, est caractérisé en ce que, pour une fréquence de fonctionnement f prédéterminée à laquelle correspond une longueur d'onde dans le gaz notée , la lame de gaz a une épaisseur très faible devant la longueur d'onde ss dans le gaz et en ce que le transducteur comporte, en outre, en liaison avec la lame de gaz, au moins un dispositif résonnant à une fréquence fr relativement proche de la fréquence de fonctionnement f prédéterminée, à 20 % près. 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 d'un transducteur électroacoustique Tonpilz de type soufflet, selon l'art antérieur - la figure 2 : une vue en coupe d'un transducteur électroacoustique Tonpliz de type soufflet comportant des dispositifs résonnants, selon l'invention; - la figure 3 : un schéma acoustique équivalent au dispositif constitué par une lame de gaz, un résonateur d'Helmholtz et le boîtier du transducteur; - la figure 4 une vue en coupe, partielle, d'un transducteur électroacoustique Tonpilz comportant des dispositifs résonnants élémentaires indépendants, selon l'invention; - La figure 5: un tableau de valeurs des caractéristiques d'un transducteur en fonction des paramètres des systèmes résonnants et pour deux pressions différentes - la figure 6a : un exemple de disposition technologique des systèmes résonnants, à l'intérieur d'un pavillon de transducteur, - la figure 6b : une vue de profil d'un exemple de réalisation d'un résonateur, - la figure 6c : une vue d'un bouchon de résonateur selon une coupe A-A de la figure 6b. La figure 1 représente une vue en coupe d'un transducteur électroacoustique Tonpliz de type soufflet, selon l'art antérieur. Ce transducteur a une symétrie de révolution autour d'un axe OX et comporte, le long de l'axe longitudinal OX, un pavillon 1 muni d'une face avant 2 dite "face parlante" et d'une face arrière 3 solidaire avec une tige de précontrainte (non représentée) autour de laquelle sont empilés des disques piézoélectriques 4, par exemple en céramique piézoélectrique. Une contremasse arrière 5 est fixée à l'extrémité de la tige de précontrainte et de ltempilement de céramiques. Un boîtier 6 enferme les céramiques 4 et la contremasse arrière 5 dans une enceinte étanche en laissant libre la face avant 2 du pavillon 1 qui est alors en contact avec le milieu extérieur. Une lame de gaz 7 est intercalée entre le pavillon I et le boîtier 6. L'espace compris entre le boîtier et la partie active du transducteur est également rempli de gaz mais ce n'est pas indispensable car seules les résultantes axiales, selon l'axe OX, de la pression participent à l'équilibre du transducteur. La lame de gaz 7 est alimentée par un réservoir de gaz 8 disposé par exemple à l'extérieur du transducteur et délimité par une membrane élastique 20, la communication entre la lame de gaz et le réservoir étant assurée par un conduit 9 pratiqué dans le boîtier 6. L'étanchéité du transducteur au niveau de la face arrière du pavillon est assurée par exemple par un joint torique 10. La figure 2 représente une vue en coupe d'un transducteur électroacoustique Tonpilz de type soufflet comportant des dispositifs résonnants, selon l'invention. Le transducteur Tonpilz de type soufflet comporte une lame de gaz 7, par exemple de l'air, disposée entre un pavillon 1 et un boîtier 6. Le gaz rempli également l'espace compris entre le boîtier 6 et l'empilement de disques piézoélectriques 4. Cette lame de gaz 7 est en communication avec un réservoir de gaz 8 par l'intermédiaire d'un conduit 9 pratiqué dans le boîtier 6. Le transducteur comporte en outre des dispositifs résonnants 11, 12, 13 du type résonateurs de Helmholtz, pouvant être réalisés suivant différentes variantes technologiques. Ces résonateurs 11, 12, 13 sont tous en communication avec la lame de gaz. Chaque résonateur est constitué d'une cavité 14 de forme quelconque en liaison avec la lame de gaz 7 par l'intermédiaire d'un conduit 15. Un écran acoustique 16 en matériau rigide peut être disposé dans le conduit 15 en son extrémité en contact avec la lame de gaz 7. Cet écran acoustique 16 se présente comme un bouchon de même diamètre que le conduit 15, ce bouchon étant percé de petits trous 17 formant des conduits de faible diamètre par rapport au diamètre du bouchon. Suivant différentes variantes technologiques, les résonateurs peuvent être implantés dans le boîtier 6 du transducteur à l'exemple des résonateurs 11 et 13, ou/et peuvent être implantés dans le pavillon 1 du transducteur à l'exemple du résonateur 12. Les résonateurs peuvent être en liaison avec le réservoir de gaz 8 par l'intermédiaire d'un conduit 18 à l'exemple du résonateur 13. Le nombre et les dimensions des résonateurs sont adaptés à la fréquence d'utilisation f du transducteur et à la profondeur d'immersion de travail. L'épaisseur de la lame de gaz est choisie de façon qu'à la fréquence f d'utilisation du transducteur, elle soit très faible devant la longueur d'onde A correspondante dans le gaz (rA = c/f où c est la vitesse du son dans le gaz) ; par exemple l'épaisseur de la lame sera inférieure ou égale à (\/10. De cette façon la lame de gaz se comporte comme une compliance acoustique localisée Cl et la pression acoustique Pa au sein de la lame peut être considérée comme uniforme dans tout le volume de la lame. Les dimensions du résonateur sont choisies notamment de façon que sa fréquence de résonance fr corresponde, à + 20 % près, à la fréquence d'utilisation f du transducteur. Ainsi, étant donné qu'un résonateur présente intrinsèquement une impédance acoustique très faible (voire nulle en l'absence d'amortissement) à sa fréquence de résonance, la pression acoustique Ph aux bornes du résonateur est alors nulle et son débit acoustique est maximum à cette fréquence de résonance. L'introduction d'un dispositif résonnant dans le transducteur et en liaison avec la lame de gaz, a donc pour conséquence d'imposer une pression nulle dans tout le volume de la lame de gaz. La pression acoustique appliquée par la lame de gaz sur le pavillon est alors nulle et la lame se comporte comme si sa raideur était nulle. Le découplage acoustique obtenu entre le pavillon et le boîtier est alors maximum et par ailleurs, la fonction statique de la lame, qui consiste à équilibrer la pression hydrostatique du milieu extérieur, est maintenue. La figure 3 représente un schéma acoustique équivalent au dispositif constitué par la lame de gaz, un résonateur d'Helmholtz et le boîtier du transducteur. Sur ce schéma équivalent, la lame de gaz, le résonateur d'Helmholtz et le boîtier du transducteur sont disposés en parallèle. La lame de gaz est représentée par une compliance Cl sur laquelle s'exerce une pression Pa. Le résonateur d'Helmholtz est représenté par une compliance acoustique Ch, une masse acoustique Mh et une résistance acoustique Rh. Le boîtier du transducteur est représenté par une masse acoustique Mc. La pression s'exerçant aux bornes du résonateur est notée Ph. La compliance du résonateur est obtenu par l'intermédiaire de la cavité de gaz. Cette cavité de gaz constitue un volume de gaz supplémentaire par rapport au volume de gaz que contient la lame de gaz, et doit être pris en compte pour le calcul du volume de gaz total nécessaire à l'équilibrage de la pression hydrostatique. La compliance Ch du résonateur est inversement proportionnelle à la densité du gaz, et va donc se modifier en fonction de la pression hydrostatique et donc en fonction de la profondeur d'immersion. La masse Mh du résonateur est proportionnelle à la densité du gaz. Par analogie électrique et de manière connue, la compliance acoustique et la masse acoustique correspondent respectivement à une capacité et à une self induction. La fréquence de résonance du résonateur est donc, en poursuivant l'analogie électrique, inversement proportionnelle à la racine carrée du produit de la compliance Ch par la masse Mh et est indépendante de la profondeur d'immersion du transducteur. Le dimensionnement de la cavité de gaz dépend de la fréquence de résonance fr souhaitée. La résistance acoustique Rh du résonateur est créée par le régime visqueux du gaz dans le conduit 15 rellant la cavité 14 et la lame de gaz 7. Le dimensionnement du conduit 15 dépend de la bande fréquentielle Af souhaitée. La bande fréquentielle A f sur laquelle est efficace le résonateur est définie par le coefficient de surtension Q du résonateur tel que : Q = f/ A f, f étant la fréquence de résonance du résonateur. Pour augmenter la bande fréquentielle f, il faut diminuer le coefficient de surtension Q et donc augmenter la résistance acoustique Rh. Une solution pour augmenter la résistance acoustique Rh du résonateur consiste à disposer un écran acoustique 16 dans le conduit 15 du résonateur comme cela a déjà été décrit en relation avec la figure 2. Plus le diamètre du conduit 15 est faible et le conduit est long, plus le frottement du gaz dans le conduit est important, plus la résistance acoustique Rh du résonateur augmente, plus le coefficient de surtension Q diminue, plus la bande fréquentielle /\ f sur laquelle est efficace le résonateur est grande. Dans le cas où le diamètre du pavillon du transducteur est grand devant la longueur d'onde ss dans le gaz, il est plus efficace de discrétiser le dispositif résonnant sous forme de multiples dispositifs ré sonnants élémentaires indépendants, tel que représenté sur la figure 4. Sur cette figure les dispositifs résonnants 40 sont disposés sur une circonférence de la face arrière du pavillon 1 qui est de forme conique. Les dispositifs résonnants peuvent être également disposés sur plusieurs circonférences de la face arrière du pavillon et/ou dans le boîtier du transducteur. Chaque dispositif résonnant élémentaire est obtenu en perçant une cavité dans la face arrière du pavillon et/ou du boîtier et en bouchant chaque cavité par un bouchon perforé de diamètre égal au diamètre des trous et d'épaisseur plus faible que l'épaisseur de la cavité. Le diamètre des perforations du bouchon est très inférieur au diamètre du bouchon. Dans cette réallsation, illustrée par la Figure 4, la distance entre chaque résonateur doit être de l'ordre de X /10 pour que la pression acoustique dans la lame de gaz soit uniforme. La figure 5 représente un tableau de valeurs des caractéristiques d'un transducteur en fonction des paramètres des systèmes résonnants et pour deux pressions différentes. A titre d'exemple, l'évolution des caractéristiques d'un transducteur Tonpilz de type soufflet a été considérée en l'absence et en présence de systèmes résonnants et le dimensionnement des systèmes résonnants a été optimisé. Le transducteur Tonpilz considéré comporte une lame d'air de 1,5 mm d'épaisseur contenant un volume d'air Vi et un pavillon de forme conique dont les dimensions du plus grand diamètre et du plus petit diamètre sont respectivement égales à 340 mm et à 110 mm. Son facteur de qualité Qa est égal à 23 et sa résistance équivalente Ra est égale à 125E. En l'absence de système résonnant, ce transducteur a une fréquence de résonance fa égale à 800 Hz à faible immersion, pour une pression voisine de 0 bar et une fréquence de résonance fa égale à 1000 Hz pour une immersion de 700 m c'est-à-dire une pression égale à 70 bars ; de même, la résistance équivalente Ra passe de 125 à plus de 1 000 A dans ces conditions. Des systèmes résonnants ont été introduits dans le pavillon du transducteur et l'influence de ces systèmes résonnants sur la fréquence de résonance fa et le facteur de qualité Qa du transducteur a été considérée pour différentes caractéristiques des systèmes résonnants. Dans une première réalisation, les systèmes résonnants ont été dimensionnés de façon à comporter un volume d'air huit fois plus faible que celui de la lame d'air, à avoir une fréquence de résonance fr égale à 850 Hz et un facteur de qualité Qr égal à 5. Dans ces conditions, lorsque le transducteur passe d'une profondeur d'immersion faible (pression égale à 0 bar), à une profondeur d'immersion de 700 mètres (pression égale à 70 bars), ses caractéristiques évoluent de la façon suivante - sa fréquence de résonance fa passe de 800 Hz à 840 Hz - son facteur de qualité Qa passe de 23 à 9. Puis par approches successives, le dimensionnement des systèmes résonnants a été optimisé de façon à minimiser les variations des caractéristiques du transducteur suivant la profondeur d'immersion. Ainsi, les variations de la fréquence de résonance fa du transducteur et de son facteur de qualité Qa ont été minimisés pour un dimensionnement des dispositifs résonnants tel que le volume d'air qu'ils renferment est égal à 50 % du volume d'air Vi contenu dans la lame d'air, leur fréquence de résonance fr est égale à 900 Hz et leur coefficient de qualité Qr est égal à 20. Dans ces conditions, à une pression de 70 bars, la fréquence de résonance du transducteur fa est égale à 850 Hz, sa résistance équivalente Ra est égale à 237 IL et son facteur de qualité Qa est égal à 29. Pour obtenir le même résultat sans systèmes résonnants, il aurait fallu utiliser une lame d'air d'épaisseur cinq fois plus importante et dimensionner le réservoir de gaz en conséquence, ce qui aurait donc causé des problèmes d'encombrement du transducteur. En effet1 pour un transducteur sans résonateurs, il faut utiliser une lame d'air d'épaisseur 8 mm pour obtenir une fréquence de résonance fa = 840 Hz et une résistance équivalente Ra = 180sol à 70 bars. La figure Ga représente un exemple de disposition technologique des systèmes résonnants à l'intérieur du pavillon du transducteur, la figure 6b représente un exemple de résonateur vue de profil, la figure 6c représente une vue du bouchon fermant la cavité du résonateur selon une coupe A-A de la figure 6b. Sur la figure 6a, le pavillon 1 du transducteur est vu de face. Il a une forme conique telle que les diamètres externe et interne ont des dimensions respectivement égales à 340 mm et 110 mm. Dans ce pavillon 1 sont implantés 14 résonateurs élémentaires 14, répartis suivant deux circonférences du pavillon. 8 résonateurs sont disposés sur une première circonférence et 6 résonateurs sont disposés sur une deuxième circonférence. La figure 6b montre une vue de profil d'un exemple de réalisation d'un résonateur élémentaire. Chaque résonateur élémentaire est composé d'une cavité cylindrique 14 obtenue par exemple par perçage. Cette cavité cylindrique 14 a un diamètre de dimension 28 mm et est renfermée par un bouchon 16 de diamètre 30 mm et d'épaisseur 1,5 mm. Ce bouchon 16 comporte des perforations 17 et constitue un écran acoustique. La figure 6c montre une vue du bouchon selon une coupe A-A de la figure 6b. Sur cette figure 6c, le bouchon comporte 9 perforations 17 de diamètre 0,5 mm et espacées de 5 mm. La présente invention ntest pas limitée aux exemples de réalisation précisément décrits ; notamment la forme et les dimensions de la cavité 14 et de son bouchon 16 peuvent être différentes; le nombre et la disposition des résonateurs peuvent être différents; la localisation de ces résonateurs peut être dans le pavillon mais aussi dans le boîtier du transducteur ; les résonateurs sont toujours en liaison avec la lame de gaz ou d'air et peuvent aussi être en liaison avec le réservoir de gaz ou d'air lorsqu'ils sont localisés dans le boîtier du transducteur ; le nombre et les dimensions des perforations du bouchon de la cavité d'un résonateur peuvent être différents. De même, dans l'exemple de transducteur précisément décrit, la minimisation des variations des paramètres du transducteur ont conduit à dimensionner les résonateurs de façon à ce que leur volume soit égal à 50 % du volume de la lame d'air, mais un transducteur de dimensions différentes peut conduire à des dimensions différentes de résonateurs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Transducteur électroacoustique à découplage acoustique optimisé, comportant un pavillon, une masse arrière, une partie active constituée d'un empilement de disques piézoélectriques disposée entre le pavillon et la masse arrière et laissant libre le pavillon, une lame de gaz disposée entre le pavillon et le boîtier et en liaison avec un réservoir de gaz, caractérisé en ce que, pour une fréquence de fonctionnement f prédéterminée à laquelle correspond une longueur d'onde dans le gaz notée A , la lame de gaz (7) a une épaisseur très faible devant la longueur d'onde A dans le gaz et en ce que le transducteur comporte, en outre, en liaison avec la lame de gaz (7), au moins un dispositif résonnant (11, 12, 13) à une fréquence fr relativement proche, à 20% près, de la fréquence de fonctionnement f prédéterminée. 2 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs résonnants sont des résonateurs d'Helmholtz. 3 - Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque résonateur comporte une cavité (14) de forme quelconque en liaison avec la lame de gaz (7) par l'intermédiaire d'un conduit (15). 4 - Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un écran acoustique (16) est introduit dans le conduit (15) en son extrémité en contact avec la lame de gaz (7). 5 - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dispositifs résonnants sont placés dans le pavillon du transducteur. 6 - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dispositifs résonnants sont placés dans le boîtier du transducteur. 7 - Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs résonnants placés dans son pavillon et des dispositifs résonnants placés dans son boîtier. 8 - Transducteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les dispositifs résonnants placés dans le boîtier du transducteur sont en liaison avec le réservoir de gaz par l'intermédiaire d'un conduit, 18. 9 - Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz utilisé dans la lame, les résonateurs et dans le réservoir est l'air.