Brevet FR2695284A1 — publié le 19940304

Transducteur Tonpilz protégé contre les chocs La présente invention se rapporte aux transducteurs électroacoustiques du type dit Tonpilz, qui sont utilisés principa- lement en acoustique sous-marine, et que l'on désire protéger contre les chocs qui surviennent lorsque le véhicule sur lequel sont montés ces transducteurs vient frapper l'eau avec violence, par exemple parce qu'il est largué d'un véhicule aérien. Les transducteurs Tonpilz sont connus par exemple du brevet français n' 2 290 810 déposé le 8 novembre 1974 par la Demanderesse Ils comprennent, comme représenté sur la figure 1 annexée, un pavillon émetteur 101 excité par un moteur piézoélectrique 102 formé d'un empilement d'anneaux de cérami- que piézoélectrique, qui vient prendre appui sur une contre- masse 103 Les anneaux de céramique sont soumis à une précon- trainte obtenue en reliant le pavillon à la contremasse par une tige filetée 104, fixée d'un côté au pavillon et traversant le contremasse Un écrou 105 vient se visser sur cette tige filetée pour prendre appui sur la contremasse En vissant cet écrou, on rapproche la contremasse du pavillon, ce qui sollicite en pression les anneaux de céramique. Afin de pouvoir émettre plusieurs fréquences distinctes, ainsi que des fréquences modulées destinées à obtenir un traite- ment par compression d'impulsions, on est conduit à utiliser un pavillon dont la section est nettement plus grande que celle des anneaux de céramique La pression qui s'exerce sur ces anneaux est donc égale à la pression hydrostatique sur le pavillon, multi- pliée par le rapport entre la section de ce pavillon et celle des anneaux Pour rendre les anneaux de céramique insensibles à la contrainte provenant de cette pression hydrostatique, le brevet cité plus haut préconise de suspendre le transducteur par son pavillon à l'aide d'un cylindre compliant 106 qui d'un côté vient prendre appui sur le boîtier 107 du transducteur et de l'autre côté soutient le pavillon La nature et la structure de ce cylin- dre lui font jouer le rôle d'un filtre acoustique Le boîtier 107 est lui-même supporté par la structure 108 du véhicule auquel est fixé le transducteur La contremasse 103, qui est logée pour sa plus grande part dans la cavité centrale du boîtier 107, est ainsi libre de ses mouvements dans cette cavité ce qui permet d'obtenir l'insensibilité des anneaux de céramique aux contraintes provenant de la pression hydrostatique. La liberté de cette masse lui permet donc d'avancer ou de reculer selon un mouvement parallèle à l'axe du transducteur, cet axe étant matérialisé par la tige filetée 104 Ce résultat, qui procure les effets voulus vis-à-vis de la pression hydrostatique, présente des inconvénients vis-à-vis des mouvements induits par les chocs longitudinaux En effet, lors de ces chocs, la contre- masse, qui présente une inertie nettement plus grande que le pavillon (c'est ce qui permet au transducteur de fonctionner), présente un débattement plus important que celui du pavillon Le débattement différentiel entre le pavillon et la contremasse qui en résulte entraîne des efforts de compression et de traction supplémentaires sur le moteur 102 Les limites des contraintes que l'on peut appliquer sur les anneaux de céramique sont con- nues et les calculs, ainsi que l'expérience, montrent que, pour un choc vertical dans l'eau à une vitesse de 50 mètres par se- conde la contrainte de compression est inférieure à la limite stati- que dans un rapport 2, alors que la contrainte de traction est supérieure à la limite statique dans un rapport 5 Ce résultat n'est pas surprenant puisque, comme on le sait, les céramiques sont beaucoup plus résistantes en compression qu'en traction. On a représenté sur la figure 2, l'excitation provenant du choc et l'effort de rappel sur les céramiques en fonction du temps, et sur la figure 3 le déplacement absolu de la contre- masse et du pavillon, toujours en fonction du temps, pour un transducteur protégé contre la pression hydrostatique de la manière représentée sur la figure 1 (appui avant). A titre de comparaison, on a représenté sur les figures 4 et 5 les mêmes paramètres pour un transducteur qui serait fixé sur la structure 108 directement par sa contremasse (appui ar- rière), mais qui bien entendu ne serait pas protégé contre la pression hydrostatique Il est bien clair, à la comparaison de ces courbes, que le transducteur fixé par son pavillon est fragilisé vis-à-vis des chocs Pour empêcher la contremasse de reculer trop loin par rapport au pavillon, ce qui entraîne les contraintes en traction excessives vues plus haut, on pourrait songer à utiliser une butée qui limiterait les déplacements arrières de cette contremasse Ce système serait efficace, mais présenterait l'inconvénient de limiter la protection du transducteur vis-à-vis des contraintes hydrostatiques pour les pressions les plus impor- tantes, celles justement o cette protection est la plus néces- saire En outre il faudrait alors prévoir des tolérances mécani- ques très sévères sur les jeux entre les différents composants du transducteur. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur selon la revendication 1. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaî- tront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent la figure 1, une vue en coupe d'un transducteur Tonpilz selon l'art antérieur; les figures 2 et 3, des courbes d'effort et de déplace- ment de certaines pièces du transducteur de la figure 1; les figures 4 et 5, les mêmes courbes que celles des figures 2 et 3, mais pour un transducteur fonctionnant en appui arrière; la figure 6, une coupe d'un transducteur selon l'inven- tion; la figure 7, une courbe du module de cisaillement en fonction de la fréquence pour un matériau utilisé dans le trans- ducteur de la figure 6; les figures 8 et 9, les mêmes courbes que celles des figures 2 à 5, mais pour un transducteur selon l'invention; les figures 10 et 11, des courbes de sensibilité à l'accélé- ration en fonction de la fréquence, respectivement pour un trans- ducteur connu et pour un transducteur selon l'invention; et les figures 12 et 13, des coupes partielles de face et de dessus du transducteur selon l'invention de la figure 6. Le transducteur selon l'invention représenté en coupe sur la figure 6 comprend, comme dans l'art antérieur, un pavillon 601, un moteur 602 formé d'anneaux de céramique piézoélectrique, une contremasse 603, une tige filetée de précon- trainte 604, un écrou de serrage 605, un cylindre 606 formant filtre mécanique et un boîtier 607 fixé sur les structures 608 du véhicule porteur. Selon l'invention, on a disposé entre la contremasse 603 et le boîtier 607 une gaine cylindrique 609 qui adhère par sa paroi intérieure sur la contremasse et par sa paroi extérieure sur la face intérieure du boîtier. Cette gaine est réalisée dans un matériau compliant qui travaille en flexion pour freiner les mouvements longitudinaux de la contremasse par rapport au boîtier Ceci permet de diminuer les efforts, de traction notamment appliqués sur le moteur piézoélectrique 602 lors des chocs longitudinaux subis par le transducteur. Pour maintenir la protection contre les effets de la pres- sion hydrostatique et ne pas perturber le fonction acoustique du transducteur, tout en protégeant le moteur piézoélectrique de celui-ci contre les efforts dus aux chocs violents et brefs, l'in- vention propose en outre que la gaine 609 soit réalisée dans un matériau particulier dont les caractéristiques, plus particulière- ment la raideur, changent avec la fréquence des sollicitations qui lui sont appliquées On connaît justement de tels matériaux, les polyuréthannes par exemple, qui présentent de telles variations de leurs caractéristiques, et qui sont en quelque sorte mous pour des sollicitations à basse fréquence et durs pour des sollici- tations à fréquence élevée Un tel matériau est par exemple dé- crit dans le brevet français 2 672 179 déposé par la Demande- resse le 25 janvier 1991. On a représenté sur la figure 7 le module de cisaillement G en fonction de la fréquence de ce matériau On voit que ce mo- dule évolue très rapidement en fonction de cette fréquence. L'allure de cette courbe est variable selon la composition du polyuréthanne choisi et on sait assez facilement obtenir les caractéristiques voulues en faisant varier de manière connue cette composition Ceci permet d'adapter les caractéristiques de cette gaine, qui forme un filtre agissant en cisaillement, aux caractéristiques du cylindre 606, qui forme un filtre agissant en compression, ainsi qu'aux caractéristiques du moteur piézoélectrique. Dans une réalisation pratique, on a ajusté les divers para- mètres pour obtenir en dynamique une raideur en cisaillement de la gaine 609 sensiblement égale à 1,5 fois la raideur en compres- sion du cylindre 606, et sensiblement égale à 0,4 fois la raideur en compression du moteur piézoélectrique En statique par con- tre, la raideur de la gaine est alors sensiblement égale à 0,2 fois la raideur du cylindre et à 0,1 fois la raideur du moteur. Ainsi donc en statique, c'est-à-dire en dehors des chocs longitudinaux, la contremasse est libre par rapport au boîtier. Ceci permet de ne pas avoir de problèmes avec la pression hydro- statique, qui augmente très lentement au fur et à mesure que l'immersion du véhicule porteur du transducteur augmente, et de ne pas troubler le fonctionnement acoustique du transducteur. En dynamique par contre, c'est-à-dire sous l'effet d'un choc brutal correspondant à une accélération importante de la contremasse par rapport au boîtier, la gaine solidarise fortement la contremasse et le boîtier, en freinant donc le mouvement de cette contremasse et en limitant ainsi les efforts appliqués sur le moteur, plus particulièrement les efforts de traction. On a représenté sur les figures 8 et 9 les variations des mêmes paramètres que ceux des figures 2/3, et 4/5, mais dans le cas d'un transducteur selon l'invention Les courbes portées par ces figures font ressortir de manière particulièrement spectacu- laire l'amélioration obtenue avec l'invention. En outre, pour vérifier l'effet de l'invention sur la sensibi- lité microphonique du transducteur on a tracé les courbes de cette sensibilité Sg en fonction de la fréquence, respectivement pour un transducteur selon l'art antérieur comme celui de la figure 1 et pour un transducteur selon l'invention comme celui de la figure 6 Ces courbes sont annexées en figures 10 et 11 et l'on peut constater que l'altération de la sensibilité est extrême- ment faible et n'apparaît que légèrement en haute fréquence, ce qui est bien normal compte-tenu de la réponse du matériau en fréquence. En outre l'invention présente un autre avantage dans le cas des chocs qui ne sont pas uniquement longitudinaux, ce qui est courant puisqu'il n'est pas du tout évident que l'impact d'un véhicule porteur lâché depuis un aéronef sur la surface de la mer soit rigoureusement selon l'axe des transducteurs, lesquels peuvent d'ailleurs eux-mêmes être plus ou moins désaxés par rapport à l'axe de ce véhicule porteur Dans ces conditions, les chocs latéraux tendent à entraîner un déplacement latéral de la contremasse en provoquant une flexion de la tige filetée et des sollicitations en flexion du moteur piézoélectrique On sait que de telles contraintes en flexion, correspondant d'un côté à une compression et de l'autre côté à une traction sont particulière- ment nocives pour les céramiques avec lesquelles est construit ce moteur. Or justement la gaine 609 tend à freiner le mouvement pendulaire de la contremasse par rapport au boîtier, et donc la torsion de la tige filetée et du moteur piézoélectrique Cet effet est d'autant plus prononcé, que dans ce sens, la section du matériau soumise aux efforts, de compression et de traction dans ce cas, est particulièrement grande On obtient donc un main- tien, et pratiquement un blocage latéral, de cette contremasse, ce qui est particulièrement favorable à la tenue du moteur piézoélectrique. Cette gaine peut être fabriquée et mise en place de diffé- rentes manières Selon un mode de réalisation préféré on coulera le matériau polyuréthanne soumis à une température o il est sensiblement liquide par exemple de l'ordre de 80 'C, dans une bague mince 610 formant moule perdu, comme représenté sur les figures 12 et 13 On ménagera lors de cette opération des passa- ges longitudinaux creux 611 entre la contremasse 603 et la gaine 609, par exemple en mettant en place contre la contremasse des tubes légèrement aplatis contre la contremasse Ces passages serviront pour faire passer les fils d'alimentation du moteur, qui auparavant pouvaient passer librement entre la contremasse et le boîtier. Après refroidissement, on enfonce la contremasse munie de sa gaine, et de la bague de moulage qui reste en place dans le boîtier 607, à l'aide d'une presse par exemple Pour obtenir un positionnement correct de cet ensemble, on peut ménager un épaulement 612 sur la face intérieure du boîtier, afin d'arrêter la contremasse dans son mouvement de descente sous l'action de la presse Si le serrage obtenu ainsi n'est pas suffisant, parce qu ton n'a pas voulu par exemple être amené à appuyer trop fort sur l'ensemble pour le mettre en place, on peut coller la bague dans le boîtier à l'aide d'une colle résistant aux conditions d'em- ploi du transducteur, du type acrylonitrile par exemple. L'invention permet donc d'obtenir un transducteur du type Tonpilz, qui est protégé aussi bien contre les effets dûs la pres- sion hydrostatique, que contre les effets des chocs dûs par exemple au largage du véhicule porteur de ce transducteur de- puis un aéronef, et qui conserve cependant d'excellentes caracté- ristiques acoustiques. REVENDICATIONS 1 Transducteur Tonpilz protégé contre les chocs, du type comprenant un pavillon ( 601), une contremasse ( 603), un moteur piézoélectrique ( 602) placé entre le pavillon et la contremasse, une tige filetée ( 604) reliant le pavillon et la contremasse pour comprimer le moteur piézoélectrique entre ces deux organes, un boîtier ( 607) entourant la contremasse, et un cylindre compliant ( 606) pour suspendre le pavillon au boîtier, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de liaison élastiques ( 609) reliant la contremasse au boîtier; ces moyens étant réalisés en un matériau dont la raideur augmente avec la fréquence des contraintes qui lui sont appliquées en raison du mouvement de la contremasse par rapport au boîtier. 2 Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce matériau est un polyuréthanne. 3 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la raideur des moyens de liaison est sensiblement multipliée par 7,5 entre une sollicitation quasi- statique et une sollicitation dynamique. 4 Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison présentent la forme d'une gaine ( 609) cylindrique insérée entre la contremasse et le boîtier et adhérant aux parois de ces deux organes. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bague mince ( 610) entourant la gaine ( 609) et formant coffrage perdu pour la conception de la gaine par coulage d'un matériau sensiblement liquide qui durcit ensuite. 6 Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un canal longitudinal situé entre la paroi de la contremasse ( 603) et la gaine ( 610) pour permettre le passage des fils d'alimentation du moteur piézoélectrique ( 602).