Brevet FR2697710A1 — publié le 19940506

Procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences, dans un liquide en immersion illimitée. DESCRIPTION La présente invention a pour objet des procédés pour émettre des ondes acoustiques très basses fréquences dans un liquide en immersion illimitée, et des transducteurs qui permettent la mise en oeuvre de tels procédés. Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation de transducteurs électro-acoustiques. L'application principale de l'invention est la possibilité d'émettre des ondes acoustiques à très basses fréquences et à grande profondeur d'immersion. On connaît pour cela des transducteurs électro-acoustiques immergeables, dits flextensionnels, qui comportent un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques, généralement des moteurs piézoélectriques, qui sont placés à l'intérieur d'une enveloppe ou coque étanche et flexible. C'est cette coque étanche, placée au contact de l'eau, qui constitue alors la surface d'émission des ondes acoustiques. Ces transducteurs sont utilisés notamment pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques à basses fréquences, et même à très basses fréquences, de l'ordre de 1 KHz. Ces transducteurs convertissent les oscillations longitudinales de la coque suivant la direction axiale de dilatation-compression des moteurs électro-acoustiques en oscillations transversales de flexion de la coque, d'où leur nom de flextensionnels. Ils permettent d'amplifier ainsi l'amplitude des oscillations des moteurs d'un facteur 3 et même 4. On rappelle que les transducteurs flextensionnels connus peuvent être regroupés en cinq classes selon leur forme générale de coque. La classe I regroupe les transducteurs ayant une coque en ellipsoïde de révolution autour d'un axe et un seul moteur électroacoustique, qui peut être piézo-électrique ou magnétostrictif, qui est coaxial avec l'axe de révolution de la coque, et qui est couplé mécaniquement et acoustiquement par ses deux extrémités avec les deux portions de surfaces de la coque situées sur l'axe de révolution. La classe II regroupe les transducteurs ayant une coque en forme de disque ou de tore de révolution autour de l'axe du disque ou du tore. Ces transducteurs comportent plusieurs moteurs piézoélectriques, disposés radialement autour de l'axe de révolution de la coque et couplés mécaniquement et acoustiquement avec celle-ci, soit par une de leurs extrémités dans le cas de forme en disque, et l'autre extrémité s'appuyant sur un pilier central, soit par leurs deux extrémités dans le cas de forme en tore. La classe III regroupe les transducteurs ayant une coque qui comporte deux renflements à ses deux extrémités et qui a une forme générale de type os ou diabolo. La classe IV regroupe les transducteurs dont la coque est un cylindre allongé, dont la section en coupe droite a la forme d'une ellipse ou d'une courbe fermée présentant un étranglement dans sa partie centrale. Les transducteurs de cette classe comportent plusieurs moteurs électro-acoustiques qui sont parallèles entre eux et dont les axes sont placés dans des plans transversaux perpendiculaires aux génératrices du cylindre, et suivant la direction du plus grand axe de la section : les deux extrémités de chaque moteur sont couplées mécaniquement et acoustiquement avec la coque cylindrique. La classe V regroupe les transducteurs dont la coque est une combinaison de la forme de ceux de la classe I avec ceux de la classe IV ou ceux de la classe II et que l'on peut qualifier de forme "huître" : il s'agit en fait d'une forme de type ellipsoïde, éventuellement de révolution, mais aplati et non allongé comme dans la classe I, ou sphéroïde très aplati, ou encore torique engendré par une circonférence comportant un côté rectiligne autour duquel elle tourne et qui constitue son axe. La présente invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, des transducteurs flextensionnels de la classe IV. Tous les transducteurs flextensionnels présentent de nombreux avantages, par l'émission d'ondes basses et très basses fréquences, mais ils présentent aussi certains inconvénients, dont celui de nécessiter des coques ou enveloppes fermées et étanches, puisque les vibrations que l'on veut être de basses fréquences, ne doivent être émises que par la coque, et aucune autre onde provoquée par les vibrations internes des moteurs électro-acoustiques ne doit s'échapper de l'intérieur de celle-ci pour ne pas perturber ladite émission basse fréquence : pour cela cette coque fermée est pleine de gaz et doit donc résister à la pression d'immersion.Ceci limite l'usage de tels transducteurs à de faibles profondeurs, car si on veut augmenter la résistance de la coque pour résister à la pression des grandes profondeurs, on perd en élasticité et donc en possibilité d'émission; pour ne pas avoir à augmenter cette résistance et garder cette élasticité, des dispositifs ont été alors développés et ont même fait l'objet de divers brevets. Tous ces dispositifs consistent en fait à utiliser la possibilité de compenser la pression externe par une augmentation de la pression interne, de différentes façons suivant les inventions, afin de ne pas faire supporter à un boîtier étanche les efforts de résistance à la pression externe. On note en particulier, la demande FR. 2.361.033 déposée par l'Etat Français le 03 Août 1976 sur des transducteurs piézoélectriques et antennes immergeables à grande profondeur, dans lequel lesdits moteurs sont disposés radialement contre la paroi interne d'un anneau constituant alors avec lesdits moteurs un transducteur; plusieurs de ces transducteurs sont empilés coaxialement, de façon à constituer une antenne, dont l'enveloppe renferme un canal cylindrique contenant un piston et un matériau solide élastomère, qui par l'existence d'un faible jeu entre les parois de l'enveloppe, permet d'absorber les différentes déformations de celles-ci. Ce type de transducteurs peut être inclus dans la classe II citée précédemment - Une autre demande de brevet No.FR. 2.634.292 de Monsieur Gilles GROSSO et intitulé "procédé et dispositif pour maintenir le gaz contenu dans une enceinte immergée en équilibre de pression avec l'extérieur" déposée le 15 Juillet 1988, consiste à associer à ladite enceinte immergée tel que le boîtier d'un transducteur piézoélectrique, plusieurs bouteilles contenant chacune une poche déformable, prégonflées à des pressions différentes, et permettant ainsi de compenser la pression hydrostatique à différentes profondeurs d'immersion. - On peut enfin noter la demande de brevet FR. 2.665.814 du 10 Août 1990 de la société THOMSON sur des "transducteurs électroacoustiques destinés à être immergés" et comportant un système de compensation automatique de la pression d'immersion grâce à des chambres remplies de gaz et de volumes réduits, de manière à ne compenser que les efforts axiaux s exerçant sur le pilier central de céramique de transducteur. On pourrait citer d'autres demandes de brevets utilisant des systèmes pneumatiques de compensation de la pression extérieure d'immersion, mais comprenant toutes des moyens mécaniques et/ou d'alimentation de gaz ou de stockage assez volumineux et/ou compliqués. Le problème posé est alors de pouvoir émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences dans un liquide, sans limitation de profondeur et sans alourdir ou augmenter le volume et/ou la complexité de réalisation de ces transducteurs flextensionnels. Une solution au problème posé est un procédé pour émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences dans un liquide, au moyen d'un transducteur de type connu comportant un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques placés à l'intérieur et solidaires au moins à une de leur extrémité, d'une enveloppe flexible, à laquelle ils transmettent leurs vibrations pour que ce soit celle-ci qui au contact dudit liquide constitue la surface d'émission des ondes acoustiques dans celui-ci, et qui est d'une forme telle que l'amplitude de ces vibrations soit amplifiée, et que celles-ci soient de basses fréquences. Dans le procédé suivant l'invention - on réalise dans au moins un élément de la surface de ladite enveloppe flexible, qui ne participe pas à l'amplification desdites vibrations, une ouverture laissant ledit liquide pénétrer dans toute la cavité intérieure délimitée par ladite enveloppe; - on détermine les dimensions de ladite ouverture et les caractéristiques de ladite enveloppe, de telle façon que par couplage de l'élasticité de cette enveloppe avec la masse de liquide située dans ladite ouverture, la fréquence de Helmholtz de la cavité soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques et tout élément associé à ceux-ci. De préférence, on réalise ladite ouverture dans l'axe du transducteur perpendiculairement aux axes des moteurs électroacoustiques, et préférentiellement, on réalise une ouverture à chaque extrémité du transducteur. Dans un mode de réalisation préférentiel, on associe au bord de chaque ouverture une couronne de matériau résistant à la pression et faisant partie alors intégralement de ladite enveloppe dont elle est solidaire. Le résultat est de nouveaux transducteurs flextensionnels et procédés d'émission d'ondes acoustiques de très basses fréquences, dans un liquide en grande profondeur. En effet, ces procédés et les transducteurs appliquant lesdits procédés répondent aux divers inconvénients cités précédemment, tout en répondant au problème posé. En éliminant la nécessité d'une enveloppe étanche qui devrait être soit résistante, soit associée à des systèmes pneumatiques de compensation, on n' est effectivement plus limité en immersion puisque l'intérieur de l'enveloppe est plein de liquide, et on peut immerger de tels transducteurs jusqu'à des profondeurs au moins de 2 à 3000 mètres, alors que jusqu'a ce jour, on était limité à des profondeurs de quelques centaines de mètres. Dans la présente invention, au lieu d'empêcher la propagation des ondes par l'étanchéité de l'enveloppe du transducteur, c'est l'élasticité de celle-ci par couplage avec la masse d'eau située dans l'ouverture pratiquée, qui par rupture d'impédance, arrête les ondes intérieures émises par les moteurs électro-acoustiques. De plus, on améliore d'une part l'effet d'élasticité nécessaire à un tel couplage et d'autre part, l'importance de ladite masse d'eau, en rajoutant de préférence des plaques circulaires ou couronnes au bord de ladite ouverture : ainsi en changeant les dimensions desdites couronnes, on augmente la masse d'eau située dans l'ouverture et on change l'inertie de l'enveloppe sans modifier l'élasticité nécessaire à l'émission des ondes basses fréquences rappelée ci-dessus, ce qui permet l'émission de fréquences encore plus basses. On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en démontrer la nouveauté et l'intérêt. La description et les figures ci-après représentent un exemple de réalisation de 1 t invention, à partir d'un transducteur flextensionnel de type IV, mais n'ont aucun caractère limitatif d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de la présente invention, tel qu'en particulier en appliquant celle-ci à d'autres transducteurs flextensionnels de tout type comme ceux regroupés dans les classes I, II, III et V. La figure 1 est une vue perspective d'un transducteur de type IV, réalisé suivant le procédé de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe simplifiée du transducteur de la figure 1. La figure 2 est la vue en coupe suivant la figure 1 dans le plan P défini par l'axe xx' de révolution de l'enveloppe cylindrique 5 du transducteur de type IV représenté et celui yy' de plus grande longueur de la section en ellipse dudit cylindre 5. Dans ces figures, le transducteur représenté est donc à titre d'exemple, un transducteur de type IV et comporte, d'une manière connue, un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques 1 placés à l'intérieur et solidaires à leurs deux extrémités, par différentes pièces ou masses de liaison 2, de l'enveloppe flexible 5, à laquelle ils transmettent leurs vibrations pour que ce soient celle-ci, qui au contact du liquide 4 dans lequel le transducteur est immergé, constitue la surface d'émission des ondes acoustiques. Comme il s'agit d'un transducteur de type IV, la forme de cette enveloppe flexible 5 est un cylindre allongé dont la section en coupe droite a la forme d'une ellipse et les moteurs électro-acoustiques 1 figurés en nombre de trois dans cet exemple, sont parallèles entre eux et leurs axes sont placés dans des plans transversaux perpendiculaires aux génératrices du cylindre. Sur ces figures, lesdits moteurs électro-acoustiques sont représentés réalisés par des empilements de plaquettes piézo-électriques alignées donc suivant une direction parallèle au plus grand axe yy' de la section en ellipse de l'enveloppe cylindrique 5. Les deux extrémités de chaque moteur sont donc accouplées mécaniquement et acoustiquement par les pièces de liaison 2 avec cette coque cylindrique 5, mais dans d'autres cas, en particulier quand il s'agit de transducteurs de la classe II suivant la forme de la coque de celui-ci, lesdits moteurs électro-acoustiques 1 peuvent être solidaires uniquement à une de leurs extrémités, l'autre pouvant prendre appui sur un pilier central. Dans la forme de coque ou enveloppe 5 suivant les figures 1 ou 2 d'un transducteur de la classe IV, les extrémités de cette enveloppe cylindrique 5 sont fermées par des flasques 3 qui ne participent donc pas directement à l'amplification des vibrations de la coque 5 provoquées par celle des moteurs électro-acoustiques 1. Suivant la présente invention et constituant une partie caractéristique essentielle de celle-ci, une desdites flasques d'extrémité 3 comporte une ouverture 6 laissant ledit liquide 4 pénétrer dans toute la cavité 7 intérieure délimitée par ladite enveloppe 5. Les dimensions de ladite ouverture 6 et les caractéristiques de l'enveloppe 5 sont déterminées de telle façon que par couplage de l'élasticité de cette enveloppe avec la masse de liquide 4 située dans ladite ouverture 6, la fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques 1 et de tout élément associé à ceux-ci tel que les pièces de liaison 2. L'ouverture 6 peut être même réalisée par la suppression complète des flasques d'extrémité 3. Quand on réalise simplement une ouverture dans lesdites flasques, cette dite ouverture 6 peut être réalisée préférentiellement dans l'axe xx' du transducteur, et de préférence également, celui-ci comporte deux ouvertures 6, doit une à chaque extrémité autour de l'axe xx', soit une sur chacune des flasques 3. De préférence, ladite fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 est déterminée telle qu'elle soit inférieure à ladite fréquence fondamentale. De façon à pouvoir augmenter la masse d'eau située dans l'ouverture 6 et modifier l'inertie et l'élasticité propre à la vibration nécessaire audit procédé, sans modifier pour cela l'élasticité nécessaire à l'émission des ondes très basses fréquences par l'enveloppe cylindrique 5, ledit bord 9 de chaque ouverture 6 est associé à une couronne de matériau 8 résistant lui-meme à la pression et faisant partie alors intégralement de ladite enveloppe 5 dont elle est solidaire et fait partie intégrante. Lesdites couronnes 8 sont de préférence, des plaques circulaires situées à l'intérieur de ladite enveloppe 5 de façon à ne pas augmenter son encombrement externe, mais elles pourraient être situées de part et d'autre de la surface des flasques 3 ou même uniquement à 1' extérieur. Le matériau utilisé au moins pour la réalisation des flasques 3 et desdites couronnes ou plaques circulaires 8 peut être du métal ou de la fibre composite, tel que de la fibre de carbone. Lesdits moteurs électro-acoustiques 1 peuvent être des éléments piézo-électriques, mais également des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation. La forme de la section de l'ouverture 6 peut être quelconque et la longueur desdites couronnes 8 également, l'ensemble devant être déterminé pour obtenir ladite fréquence de résonance telle que définie ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé pour émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences dans un liquide, au moyen d'un transducteur comportant un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques (1) placés à l'intérieur et solidaires au moins à une de leur extrémité, d'une enveloppe flexible (5), à laquelle ils transmettent leurs vibrations, qui au contact dudit liquide (4) constitue alors la surface d'émission des ondes acoustiques dans celui-ci, et qui est d'une forme telle que l'amplitude de ces vibrations soit amplifiée et que celles-ci soient de basses fréquences, caractérisé en ce que - on réalise dans au moins un élément de la surface de ladite enveloppe flexible (5), qui ne participe pas à l'amplification desdites vibrations, une ouverture (6) laissant ledit liquide (4) pénétrer dans toute la cavité (7) intérieure délimitée par ladite enveloppe (5);; - on détermine les dimensions de ladite ouverture (6) et les caractéristiques de ladite enveloppe (5), de telle façon que par couplage de l'élasticité de cette enveloppe avec la masse de liquide (4) située dans ladite ouverture (6), la fréquence de Helmholtz de la cavité (7) soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (1) et tout élément associé à ceux-ci. 2. Procédé pour émettre des ondes acoustiques suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise ladite ouverture (6) dans l'axe (xx') du transducteur perpendiculairement aux axes des moteurs électro-acoustiques (1). 3. Procédé pour émettre des ondes acoustiques suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise une ouverture (6) à chaque extrémité dudit transducteur. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on associe au bord (9) de chaque ouverture (6) une couronne de matériau (8) résistant à la pression et faisant partie alors intégralement de ladite enveloppe (5) dont elle est solidaire. 5. Transducteur comportant un ou plusieurs moteurs électroacoustiques (1) placés à l'intérieur et solidaires au moins à une de leurs extrémités d'une enveloppe flexible (5) à laquelle ils transmettent leurs vibrations, laquelle enveloppe flexible est au contact avec ledit liquide (4), constituant la surface d'émission des ondes acoustiques, et d'une forme telle que l'amplitude de ces vibrations soit amplifiée et dans une gamme de très basse fréquence, caractérisé en ce que ladite enveloppe (5) comporte, sur au moins un élément de sa surface qui ne participe pas à l'amplification desdites vibrations, une ouverture (6) laissant ledit liquide (4) pénétrer dans toute la cavité (7) intérieure délimitée par ladite enveloppe (5), et les dimensions de ladite ouverture (6), ainsi que les caractéristiques de ladite enveloppe (5) sont déterminées telles que par couplage de l'élasticité de cette enveloppe avec la masse de liquide (4) située dans ladite ouverture (6), la fréquence d'Helmholtz de la cavité (7) soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (1) et tout élément associé à ceux-ci. 6. Transducteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite ouverture (6) est située dans l'axe (xx') du transducteur perpendiculairement aux axes des moteurs électro-acoustiques (1). 7. Transducteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux ouvertures (6), une à chacune de ses extrémités. 8. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le bord (9) de chacune des ouvertures (6) est associé à une couronne de matériau (8) résistant à la pression et faisant partie intégralement de ladite enveloppe (5) dont elle est solidaire. 9. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que lesdites couronnes (8) sont des plaques circulaires situées entièrement à l'intérieur de ladite enveloppe (5). 10. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que lesdits moteurs électro-acoustiques (1) sont des cylindres magnétostrictifs, entourés d'une bobine d'excitation.