Brevet FR2685601A1 — publié le 19930625

Transducteur à tension et flexion combinées, commandé par réluctance variable. Cette invention concerne globalement des générateurs acoustiques et, plus particulièrement, un générateur acoustique du type émetteur sonar actif à relativement basse fréquence. Les projecteurs acoustiques immergés sont globalement bien connus Dans le but de réduire les dimensions des projecteurs acoustiques à basse fréquence immergés, une approche connue est d'augmenter la vitesse du volume monopolaire en augmentant le déplacement de la surface radiante Quand un projecteur sonar à basse fréquence, du type connu précédemment est commandé par un dispositif de commande électromagnétique, le déplacement à vitesse relativement grande de la surface radiante nécessite l'utilisation d'un support de déplacement linéaire et une élasticité suffisante de la périphérie de la surface radiante Ces-exigences, sans tenir compte du fait que le dispositif de commande électromagnétique linéaire est du type à réluctance homopolaire ou variable, produisent les effets indésirables suivants-: (a) production de bruit parasite et élévation de température produite par les composants du support, (b) la déviation d'énergie acoustique hors du champ d'action à cause des élasticités périphériques, et (c) apparition de contraintes liées à la profondeur d'exploitation en raison des limites des nécessaires éléments de compensation de pression logés à l'intérieur du boîtier de transducteur. C'est un but de la présente invention, par conséquent, que d'apporter une amélioration dans les projecteurs acoustiques immergés. C'est un autre but de l'invention que d'apporter une amélioration dans les projecteurs acoustiques à relativement basse fréquence qui évite la nécessité de supports linéaires. Un but supplémentaire de l'invention est d'apporter une amélioration dans les projecteurs acoustiques à basse fréquence immergés en permettant un fonctionnement indépendant de la profondeur sans compensation de pression interne. Un autre but supplémentaire de l'invention est de créer un projecteur acoustique à basse fréquence immergé commandé par une force de réluctance variable dirigée le long de l'un des deux axes perpendiculaires. Les ci-dessus, ainsi que d'autres, sont atteints grâce à un projecteur acoustique immergé qui est constitué d'une enveloppe à tension et flexion combinées de Classe IV de préférence en forme d'ellipsoïde couplé à, et commandé par, deux électroaimants sensiblement identiques ayant des faces de pôles réciproquement opposées et ayant un vide d'air commun espacé uniformément, centré entre les faces des pôles Les bobines des deux électroaimants sont connectées en série et, lorsqu'elles sont excitées par un courant de commande, produisent une force de réluctance variable en fonction du temps de fluctuation des champs magnétiques, provoquant l'attraction mutuelle des faces de pôles en direction l'une de l'autre Ceci provoque la flexion élastique de l'enveloppe liée aux électroaimants le long d'un ou deux axes perpendiculaires et se traduit par un déplacement volumétrique de la surface extérieure de l'enveloppe, produisant ainsi un signal d'émetteur sonar à basse fréquence. Les modes de réalisation préférés de l'invention vont être maintenant décrits, au moyen d'un exemple, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: les figures 1 A et l B sont globalement représentatives des effets de la commande d'un transducteur ellipsoïdal selon la présente invention, respectivement le long des grand et petit axes; la figure 2 est une vue en perspective, représentative d'un assemblage d'électroaimant double pour fournir une commande à réluctance variable pour l'appareil objet de l'invention; la figure 3 est un schéma de principe aidant à la compréhension du fonctionnement des circuits d'électroaimant de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe longitudinale centrale d'un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 5 est un schéma de principe en coupe longitudinale centrale d'un second mode de réalisation préféré de l'invention; et la figure 6 est une vue de dessus de la configuration représentée à la figure 5. Cette invention est orientée vers un moyen de commander une enveloppe à tension et flexion combinées de Classe IV dans un mode volumétrique quadripolaire via la production d'une paire de forces, de réluctance variable commandée, dirigées le long de l'un des deux axes d'un transducteur acoustique ellipsoïdal utilisé dans un sonar pour produire un signal à basse fréquence et qui est, par la suite, émis dans un milieu aqueux à partir d'une surface radiante du transducteur. Comme le montre la figure l A, la surface radiante comprend la surface elliptique extérieure 10 d'une enveloppe à tension et flexion combinées de Classe IV de l'élément de corps 12 qui est commandée par une paire de forces de réluctance variable 14 et 16 dirigées en sens contraires Ces forces de commande sont dirigées le long du grand axe 18 du corps 12 qui est en forme d'ellipsoïde Comme représenté, les forces de réluctance variable 14 et 16 dirigées le long de l'axe principal 18 provoquent une déflexion vers l'intérieur comme indiqué par les flèches 20 dans les régions des extrémités extérieures 22 et 24 Cette déflexion élastique provoque, par voie de conséquence, un mouvement de flexion, vers l'extérieur, du corps 12 comme indiqué par les flèches 26 le long des régions intermédiaires 28 et 30. Comme le montre la figure 1 B, quand les forces de réluctance variable 14 et 16 sont appliquées le long du petit axe 19 du corps d'enveloppe ellipsoïdale 12, le mouvement de déflexion 26 dirigé vers l'extérieur se produit, maintenant, dans les régions d'extrémités 22 et 24, cependant qu'un mouvement de déflexion 20 dirigé vers l'intérieur se produit dans les régions intermédiaires 28 et 30. Dans la présente invention, les forces de réluctance variable 14 et 16 sont produites par deux électroaimants identiques 32 et 34 représentés à la figure 2, couplés à une enveloppe souple 12 de façon élastique comme le montre, par exemple, la figure 4. Chacun des électroaimants 32 et 34 comporte, respectivement, des noyaux bifurqués 36 et 38 représentés comme des noyaux en forme de C et qui sont composés d'un empilage serré de feuilles d'alliage ferromagnétique isolées 40 et 42 et qui sont maintenues serrées entre elles par des paires respectives de plaques d'extrémités de type isolant 44, 46 et 48, 50. Bien que les noyaux soient représentés comme ayant des sections en forme de C, il doit être noté que, si nécessaire, des sections en E peuvent être utilisées La configuration qui en résulte aboutit à des paires de faces de pôles opposées 52 et 54 De plus, comme le montre la figure 2, chacun des électroaimants 32 et 34 comprend, respectivement, une bobine multispires 58 et 60 composée de conducteurs électriques isolés enroulés autour des noyaux 36 et 38 et connectés, en série, entre deux bornes électriques 62 et 64 Les faces des pôles 52 et 54 sont séparées par un vide d'air 65. Quand un courant électrique parcourt les bobines connectées en série 58 et 60, le flux magnétique 66, comme le montre la figure 3, circule d'un noyau 36, à travers le vide d'air 65, et à travers l'autre noyau 38. Le réseau de forces magnétiques développé constitue l'une des forces d'attraction agissant perpendiculairement aux faces des pôles 52 et 54. Ceci conduit, maintenant à examiner la figure 4, dans laquelle est représentée une vue en coupe longitudinale centrale d'un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel l'enveloppe élastique 12 comprend les sections extérieures 22 et 24 ayant une épaisseur augmentant progressivement qui se terminent en passages d'extrémités 23 et 25 et qui fournissent des emplacements de montage respectifs pour un empilage de feuilles de noyaux 40 ' et 42 ' ayant des parties terminales de dimensions réduites 41 et 43 Les parties terminales 41 et 43 sont fixées aux sections terminales 22 et 24 de l'enveloppe au moyen de paires de plaques de base 68, 70 et 72, 74 qui sont maintenues en position au moyen d'éléments filetés 76, 78 et 80, 82 Les parties terminales 41 et 43 des noyaux 40 ' et 42 ' sont soudées sur les plaques de base 68, 70 et 72, 74, à la suite de quoi, les plaques de protection d'extrémité 84 et 86 sont mises en place pour rendre l'assemblage étanche à l'humidité La liaison des plaques d'extrémité 84 et 86 avec le corps d'enveloppe 10 se fait au moyen de soudage ou de brasage Il est à noter, cependant, qu'il n'est pas utilisé de joints d'époxy fragiles Ainsi, une liaison rigide de faible élasticité est obtenue entre le corps d'enveloppe 12 et les noyaux d'électroaimants 40 ' et 42 ' qui, lors de l'excitation ultérieure des deux assemblages de bobines 58 et 60, permet la compression et l'extension de l'enveloppe 12 fléchissant de façon élastique en réponse à l'attraction mutuelle des faces de pôles 53 et 55. On comprendra également que dans la configuration telle que représentée, les liaison soudées, entre éléments, sont placées suffisamment loin des régions de champs magnétiques à variation intense de sorte qu'aucun courant d'amplitude significative n'est induit dans les soudures de raccordement. Un second mode de réalisation de l'invention est représenté à la figure 5 et comprend un agencement dans lequel les noyaux d'électroaimants 40 ' et 42 ' sont intégrés dans un corps souple 12 ' le long du petit axe 19 de telle sorte que les sections de noyaux 41 ' et 43 ' sont reliées, respectivement, au corps 12 ' dans les régions latérales 28 et 30 Ici, l'assemblage tout entier comprenant le corps 12 ' est formé par un seul empilage de feuilles ferromagnétiques 84 représenté à la figure 6, et qui est précontraint entre deux plaques d'extrémités non conductrices 86 et 88 La précontrainte des feuilles 84 est d'importance suffisante pour empêcher des vibrations s'amortissant sous forme de glissement interlaminaire entre feuilles adjacentes. Egalement, dans l'agencement représenté aux figures 5 et 6, l'assemblage est de configuration plane par opposition à la configuration en volume fermé. Le fonctionnement indépendant de la profondeur est obtenu par réglage de l'épaisseur du vide d'air initial Lg (figure 3) de manière à ce qu'il soit très grand par rapport à la déflexion maximale de l'enveloppe qui se produit dans la plage prévisible de profondeurs de fonctionnement Aucun système de compensation de pression tel que, tubes élastiques, ressorts Belleville, réservoir d'air pressurisé, etc, n'est nécessaire Le fonctionnement indépendant de la profondeur peut être démontré par la formule d'un circuit à réluctance équivalent pour les champs magnétiques En faisant référence, à nouveau, aux figures 2 et 3, la réluctance électromagnétique totale, Rem, est la somme des réluctances en série du noyau et du vide d'air et peut s'établir ainsi Rem = 2 (Lg/Ig Wt Ds) + Lc/(gc Wt Ds) ( 1) o Lg est l'épaisseur du vide d'air 65, Lc est la longueur moyenne du circuit magnétique du flux 66, Pg est la perméabilité de l'espace libre, gc est la perméabilité magnétique des feuilles ferromagnétiques 40 et 42, Wt est la largeur des feuilles ferromagnétiques et 42, et Ds est l'épaisseur des noyaux 36 et 38. Cette formule est basée sur les hypothèses simplificatrices admettant que les alliages ferromagnétiques ne sont pas saturés, que la perméabilité magnétique est constante et que les pertes d'encoches et les dispersions de champs magnétiques sont négligeables en raison de la forme adaptée des noyaux 36 et 38 De plus, puisque Lc/gc est de l'ordre de 10 à 100 fois inférieur à Lg/gg en raison de la valeur élevée de Ac pour les matériaux en feuilles les plus ferromagnétiques, Rem peut être raisonnablement donné approximativement par: 2 Lg/(g Wt Ds) L'amplitude du flux magnétique, O traversant le vide d'air, est alors donné approximativement par: p = NI/Rem NI Ig Wt Ds/( 2 Lg) ( 2) o N est le nombre total de spires de bobine pour les deux noyaux 58 et 60 et I est l'intensité en Ampères par tour. Evoquant le Tenseur de Contrainte de Maxwell ou le principe du Travail Virtuel, l'on peut exprimer la force de réluctance variable, ou force d'attraction électromagnétique, comme étant proportionnelle au carré du flux Par conséquent, une proportionnalité équivalente est que la force d'attraction électromagnétique est proportionnelle au carré de l/Lg, soit 1/Lg 2 A titre d'illustration, on considérera ce qui suit Un transducteur à enveloppe à tension et flexion combinées a une commande à réluctance variable agissant le long du petit axe de l'enveloppe 19 (figure ) Si, par exemple, la déflexion de l'enveloppe dans la direction du petit axe de l'enveloppe est proportionnelle à la profondeur de fonctionnement et de l'ordre de 0,0254 mm pour une variation de profondeur de O à 300 m et l'épaisseur initiale de vide d'air Lg est de 25 mm, alors, la force électromagnétique à courant constant commandant le transducteur à tension et flexion combinées varie de l'ordre de 1 % par 300 m d'immersion. Dans le cas d'un transducteur à enveloppe à tension et flexion combinées avec commande piézoélectrique selon les types connus précédemment, l'un des facteurs limitant la profondeur de fonctionnement est que la précontrainte de l'empilage de céramique piézoélectrique est progressivement réduite au fur et à mesure que la profondeur augmente, en provoquant par là, un affaiblissement en tension de l'empilage piézoélectrique De fait, la réalisation pratique de l'invention telle que décrite ici ne nécessite pas de compensation de pression. En plus de la non nécessité de compensation de pression, l'invention dispense du besoin de support linéaire et de d'élasticité de la périphérie associée de la surface radiante L'enveloppe sert aux fonctions de maintien et d'orientation de la commande à réluctance variable aussi bien qu'à faciliter le mécanisme du transfert de puissance acoustique entre la commande et l'eau L'invention assure aussi que le centre de la masse de la commande à réluctance variable coïncide avec le centre géométrique de l'enveloppe, qui est une condition nécessaire pour qu'un transducteur à tension et flexion combinées fonctionne dans un mode volumétrique quadripolaire. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant -à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit et du domaine de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Projecteur acoustique à basse fréquence, immergé, pour sonar caractérisé en ce qu'il comprend un élément de corps à tension et flexion combinées constitué d'un élément de corps à tension et flexion combinées consistant en une enveloppe ellipsoïdale souple ( 12) ayant un grand axe ( 18) et un petit axe ( 19) perpendiculaires entre eux; des moyens électromagnétiques ( 32, 34) produisant une force de réluctance variable le long d'un desdits axes centraux pour la commande dudit élément de corps dans un mode vo- lumétrique quadripolaire, lesdits moyens électromagnétiques comprenant de plus, une paire d'électroaimants sensiblement identiques ( 58/32, 60/34) raccordés aux parties opposées dudit élément de corps le long de l'un desdits axes, et dans lesquels ladite paire d'électroaimants comprend des noyaux feuilletés ( 40, 42) ayant des faces de pôles mutuellement opposées ( 53, 55) avec, entre elles, un vide d'air commun espacé uniformément ( 65) et des enroulements bobinés respectifs ( 58, 60) enroulés autour desdits noyaux et connectés de manière à produire une force de réluctance de face de pâle d'attraction mutuelle lorsqu'ils sont excités; et en ce que ladite enveloppe comprend une paire de passages d'extrémité ( 23, 25) situés sur l'un desdits axes et lesdits noyaux comprenant des parties extérieures d'extrémité ( 41, 43) de dimensions réduites pour le raccordement à ladite enveloppe auxdits passages d'extrémité. 2 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits noyaux ( 40, 42) comportent des parties intérieures extrêmes bifurquées ( 36, 38). 3 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites parties intérieures extrêmes bifurquées ( 35, 38) comportent des parties en forme de C. 4 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites parties intérieures extrêmes bifurquées ( 36, 38) comportent des parties extrêmes en forme de E. Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits noyaux ( 36, 38) comportent, de plus, des paires de plaques extérieures ( 44/46, 48/50) composées d'un matériau isolant. 6 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'un desdits axes ( 18) est constitué par le grand axe et en ce que ladite paire de passages d'extrémités ( 23, 25) est placée sur le grand axe. 7 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appareil comprend, de plus, des moyens ( 68 à 82) pour le raccordement des parties extrêmes extérieures ( 41, 42) desdits noyaux ( 36, 38) auxdits passages d'extrémités ( 23, 25). 8 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appareil comprend, de plus, une paire de plaques de protection ( 84, 86) fixées à ladite enveloppe ( 12) pour fermer ladite paire de passages d'extrémités ( 23, 25). 9 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite paire d'électroaimants ( 32, 34) est raccordée aux parties d'extrémités opposées de ladite enveloppe ( 12) le long dudit grand axe ( 18). Projecteur acoustique immergé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite paire d'électroaimants ( 32, 34) est raccordée aux parties d'extrémités opposées de ladite enveloppe ( 12) le long dudit petit axe ( 19). 11 Projecteur acoustique immergé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits enroulements bobinés ( 58, 60) sont connectés en série.