Brevet FR2709395A1 — publié le 19950303

HYDROPHONE FONCTIONNANT EN HYDROSTATIQUE La présente invention concerne un hydrophone fonctionnant en hydrostatique. L'invention concerne les hydrophones pour acoustique sousmarine. Selon l'art antérieur, on connait divers types d'hydrophones pour acoustique sous-marine. Ces hydrophones présentent divers inconvénients qui vont etre précisés dans la description des figures 1 et 2 relatives à l'art antérieur. L'invention concerne un hydrophone fonctionnant en hydrostatique qui ne présente pas les inconvénients des hydrophones de l'art antérieur. La présente invention concerne un hydrophone fonctionnant en hydrostatique, constitué par un matériau piézoélectrique ayant un coefficient hydrostatique gh au moins égal à la moitié de son coefficient piézoélectrique de contrainte g33, qui est lié au champ de polarisation électrique du matériau, caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément sensible en matériau piézoélectrique, en forme de tube creux, dont les extrémités ne sont pas obtruées, qui porte des électrodes sur ses faces cylindriques interne et externe, et qui est soumis à un champ de polarisation dirigé selon son épaisseur et en ce qu'il est fixé à un support par l'une de ses extrémités, I'axe piézoélectrique du matériau présentant le coefficient de contrainte le plus faible étant confondu avec l'axe de révolution du tube constituant l'élément sensible. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la decription suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent - les figures 1 et 2, deux modes de réalisation d'hydrophones selon l'art antérieur; - la figure 3, un hydrophone selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. L'élément sensible des hydrophones pour acoustique sousmarine est généralement constitué par une céramique piézoélectrique, telle que par exemple du titanate de baryum ou du titano-zirconate de plomb et de baryum. On rappelle qu'il est d'usage de définir pour ces céramiques trois coefficients piézoélectriques de contrainte appelés g31 > g32 et g33 qui relient la tension électrique apparaissant sur deux électrodes portées par la céramique à la pression appliquée dans une direction donnée. Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique un hydrophone, en forme de parallélépipède, en céramique piézoélectrique. Cet hydrophone porte deux électrodes el et e2 sur deux faoes parallèles. On définit trois axes 1, 2, 3 perpendiculaires aux faces de l'hydrophone. Un champ électrique de polarisation est appliqué lors de la fabrication de la céramique selon l'axe 3, qui est perpendiculaire aux électrodes el et e2. Le coefficient g33 correspond à une pression appliquée uniquement selon l'axe 3 et les coefficients g31 et g32 correspondent à une pression appliquée uniquement selon l'un des axes 1 et 2. Selon l'art antérieur, il est connu que l'une des possibilités pour obtenir des hydrophones pour acoustique sous-marine avec de bonnes performances est de réaliser des montages dans lesquels les faces de l'élément sensible qui sont disposées selon les axes 1 et 2 ne sont soumises à aucune pression. Seule la face de l'élément sensible disposée selon l'axe 3 reçoit une pression. Dans ce mode de réalisation, on n'utilise que le coefficient g33. Ce mode de réalisation présente l'inconvénient de compliquer la réalisation de l'hydrophone car il nécessite des éléments de protection contre la pression disposés selon les axes 1 et 2. De plus, ces éléments de protection contre la pression diminuent, pour un encombrement donné de l'hydrophone, le volume de matière sensible. Cette diminution du volume de matière sensible entraîne une réduction du facteur de qualité de l'hydrophone. Il faut noter que plus la profondeur d'immersion de l'hydro- phone augmente, plus la pression statique à supporter devient importante; on est alors conduit à renforcer les éléments de protection contre la pression donc à diminuer le volume de matière sensible, ce qui diminue aussi le facteur de qualité de l'hydrophone. Selon l'art antérieur, on sait aussi obtenir des hydrophones pour acoustique sous-marine présentant de bonnes performances en amplifiant la pression suivant les axes 1 et 2 au détriment de la pression suivant l'axe 3. On utilise alors l'un des coefficients g31 et g32, qui sont généralement égaux entre eux, mais avec des efforts amplifiés. Pour cela, on peut utiliser un hydrophone constitué par un tube de faible épaisseur, et dont les extrémités sont bouchées, comme cela est représenté sur la figure 2, partie droite, où le tube porte la référence 4 et le bouchon qui obstrue l'une de ses extrémité la référence 5. Ce mode de réalisation permet d'utiliser l'un des coefficients g31 ou g32 en bénéficiant d'une amplification de la pression égale environ au rapport du rayon sur l'épaisseur du tube. On utilise couramment des tubes pour lesquels ce rapport est voisin de 10. Ce mode de réalisation complique également la réalisation de l'hydrophone car il nécessite un tube de faible épaisseur par rapport à son rayon. De plus, dans ce mode de réalisation les possibilités d'utilisation à grande immersion sont réduites. En effet, les efforts statiques auxquels le tube est soumis sont unidirectionnels et amplifiés. Or, il est connu que les céramiques piézoélectriques sont plus sensibles aux efforts unidirectionnels qu'aux efforts simultanés selon les trois axes. Un inconvénient supplémentaire des hydrophones connus est leur réponse électrique aux accélérations mécaniques qui leur sont transmises par leur support. Sur la figure 2, on à représenté une solution connue en ce qui concerne la compensation des accélérations mécaniques. Sur la figure 2, l'élément sensible 4 est fixé sur un support 6, qui peut être par exemple métallique ou en matière plastique. Sur la figure 2, on a représenté trois axes x, y, z perpendiculaires entre eux. L'axe x est dirigé selon l'axe de révolution du cylindre. Les axes y et z passent par le milieu du support 6. On sait réaliser la fixation de l'élément sensible 4 sur le support 6 pour que la réponse aux accélérations mécaniques, externes à l'hydrphone, qui sont dirigées selon les axes y et z soit réduite, et qu'il y ait en quelque sorte une auto-compensation du fait notamment de la symétrie du support 6 par rapport aux axes y et z. Par contre, on enregistre une réponse importante aux accélérations dirigées selon l'axe x. Cette réponse peut être augmentée à cause de la masse des pièces accessoires telles que par exemple le bouchon du tube 5 ou à cause d'un système d'étanchéité... On dispose alors tête-bêche avec l'élément sensible 4, un autre élément 7 aussi identique que possible à l'élément 4, et qui est porté par le même support 6. L'élément 7 est également muni d'un bouchon 8. Les éléments 4 et 7 on des réponses selon l'axe x qui sont en opposition de phase et qui se compensent d'autant mieux que les éléments sont bien identiques et bien alignés. Selon l'art antérieur, on connait également des hydrophones fonctionnant en hydrostatique. On rappelle que lorsque l'élément sensible d'un hydrophone est placé dans un champ ultra-sonore dont la longueur d'onde est grande devant ses dimensions, la pression ultra-sonore est uniformément appliquée selon les trois axes 1, 2 et 3 et l'on définit un coefficient dit "hydrostatique" gh qui relie la tension électrique délivrée sur les électrodes à la pression appliquée. Ce coefficient gh s'écrit: gh g33 + g32 + g31 On rappelle que les coefficients g31 et g32 ont un même signe, et sont de signe contraire à celui du coefficient g33. Avec les céramiques piézoélectriques qui sont généralement utilisées pour réaliser des hydrophones d'acoustique sous-marine, le coefficient gh est très faible par rapport aux autres coefficients, le fonctionnement en hydrostatique n'est donc pas possible. En effet, pour oes céramiques, telles que par exemple le titanate de baryum ou le titano-zirconate de plomb et de baryum, les relations suivantes sont sensiblement vérifiées: g31 = g32 = - g33/2,5 ce qui donne un coefficient gh tel que Xgh\40w2 g33 On utilise alors pour constituer l'élément sensible des matériaux pour lesquels le coefficient hydrostatique gh est au moins égal à la moitié du coefficient g33. Ainsi, il est possible d'obtenir un hydrophone fonctionnant en hydrostatique avec de bonnes performances. 11 faut signaler que ces matériaux présentent un facteur de qualité voisin de celui des céramiques piézoélectriques couramment utilisées. Parmi les matériaux utilisés, on peut citer - certains types de plastiques piézoélectriques pour lesquels le rapport g33/g31 est du même ordre que pour les céramiques piézoélectriques classiques alors que le rapport g33/g32 est beaucoup plus grand. C'est le cas par exemple du poly-vinilidiène bifluoré étiré PVF 2 ou du copolymère de poly-vinilidiène bi-fluoré étiré; - certains mélanges de céramiques piézoélectriques dans une matière visco-élastique pour lesquels les coefficients g31 et g32 sont très faibles, ce qui fait que le coefficient hydrostatique gh se rapproche du coefficient g33; - certaines céramiques piézoélectriques à base de titanate de plomb pour lesquelles les coefficients g31 et g32 sont égaux entre eux et pour lesquelles le rapport des coefficients g33 et g31 (ou g32) est supérieur ou égal à - 25, ce qui permet d'obtenir un coefficient hydrostatique gh pratiquement égal au coefficient g33. On utilise donc pour réaliser l'élément sensible des matériaux, dont l'un au moins des coefficients piézoélectriques g31 et g32 est en valeur absolue beaucoup plus faible que le coefficient g33, ce qui fait que le coefficient hydrostatiques gh est voisin du coefficient g33 et permet de fonctionner en hydrostatique avec de bonnes performances. On peut donner à l'élément sensible de l'hydrophone toutes les formes couramment adoptées dans ce domaine par exemple une forme de parallélépipède comme sur la figure 1. Les hydrophones selon l'art antérieur qui fonctionnent en hydrostatique sont de construction simple, car ils reçoivent la pression dans toutes les directions sans en privilégier aucune. Ils sont donc moins sensibles à la pression statique et on peut les immerger à de grandes profondeurs. Enfin, il faut noter que ces hydrophones fonctionnent à la pression statique ambiante sans amplification de la pression sur la céramique piézoélectrique. Pour ces hydrophones, comme pour les autres hydrophones de l'art antérieur, se pose le problème de la sensibilité aux accélérations mécaniques qui leur sont transmises par leur support. La figure 3 représente de façon schématique un hydrophone selon l'invention. Il s'agit d'un hydrophone fonctionnant en hydrostatique, qui est constitué par un matériau piézoélectrique ayant un coefficient hydrostatique gh au moins égal à la moitié de son coefficient piézoélectrique de contrainte g33. On choisit donc ce matériau parmi ceux évoqués précédemment tels que par exemple certains types de plastiques piézoélectriques, certains mélanges de céramiques piézoélectriques dans une matière visco-élastique ou certaines céramiques piézoélectriques à base de titanate de plomb. Cet hydrophone fonctionnant en hydrostatique a un élément sensible 9 en matériau piézoélectrique en forme de tube creux, dont les extrémités ne sont pas obstruées, dont les faces cylindriques interne et externe sont soumises aux mêmes pressions dynamiques et statiques. Chacune de ces faces cylindriques interne et externe porte une électrode, référencée 10 et 11. Ce tube est soumis à un champ de polarisation dirigé selon son épaisseur. L'épaisseur de ce tube n'a pas besoin d'être aussi réduite que dans le cas de la figure 2 puisqu'on ne cherche pas d'effet d'amplification de la pression. Il suffit que ce tube présente un orifice suffisant pour loger l'électrode interne. L'invention permet d'obtenir un hydrophone peu sensible aux accélérations mécaniques, et qui ne nécessite pas pour autant d' éléments supplémentaires de compensation comme sur la figure 2. Selon l'invention, I'une des extrémités du tube creux constituant l'hydrophone est fixée sur un support 6. Sur la figure 3, on a représenté trois axes x, y, z qui occupent la même position par rapport au support 6 que dans le cas de la figure 2. Comme dans le cas de la figure 2, la fixation de l'élément sensible sur le support 6 permet de compenser les accélérations selon les axes y et z. Etant donné la polarisation du tube, selon la direction x, on a l'un des coefficients g31 ou g32. Selon l'invention, l'axe piézoélectrique du matériau présentant le coefficient de contrainte le plus faible des deux coefficients g31 et g32 est confondu avec l'axe de révolution x du tube constituant l'élément sensible. Ainsi par exemple pour le PVF 2, on oriente le plus petit des coefficients g31 et g32 selon la direction x. L'invention permet de réduire très fortement la réponse aux accélérations selon l'axe x, sans nécessiter de dispositif de compensation encombrant et délicat à mettre au point, comme celui qui est représenté sur la figure 2. Il est bien entendu possible de diminuer encore la réponse aux accélérations selon l'axe x en disposant tête-bêche avec l'élément sensible 9, un élément aussi identique que possible à l'élément 9 et qui est porté par le même support 6, comme c'est le cas sur la figure 2. REVENDICATIONS 1. Hydrophone fonctionnant en hydrostatique, constitué par un matériau piézoélectrique (9) ayant un coefficient hydrostatique gh au moins égal à la moitié de son coefficient piézoélectrique de contrainte g33, qui est lié au champ de polarisation électrique du matériau, caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément sensible en matériau piézoélectrique, en forme de tube creux (9), dont les extrémités ne sont pas obstruées, qui porte des électrodes (10, 11) sur ses faces cylindriques interne et externe, et qui est soumis à un champ de polarisation dirigé selon son épaisseur et en ce qu'il est fixé à un support (6) par l'une de ses extrémités, I'axe piézoélectrique du matériau présentant le coefficient de contrainte (g31, g32) le plus faible étant confondu avec l'axe de révolution (x) du tube constituant l'élément sensible. 2. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique (9) est constitué de plastiques piéu > - électriques, dont les coefficients piézoélectriques de contrainte g g32 et g33 sont tels que le rapport g33/g31 est du même ordre de grandeur que pour les céramiques piézoélectriques classiques, alors que le rapport g33/g32 est beaucoup plus élevé. 3. Hydrophone selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il s'agit de poly-vinilidiène bi-fluoré étiré PVF 2. 4. Hydrophone selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il s'agit de copolymère de poly-vinilidiène bi-fluoré étiré PVF 2. 5. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matériau piézoélectrique (9) est constitué de mélanges de céramiques piézoélectriques dans une matière visco-élastique, dont les coefficients piézoélectriques de contrainte g31 et g32 sont très faibles. 6. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique (9) est constitué de céramiques à base de titanate de plomb, dont les coefficients piézoélectriques de contrainte g31 et g32 sont égaux et dont le coefficient g33 est plusieurs dizaines de fois supérieur aux coefficients g31 et g32. 7. Hydrophone selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un élément aussi identique que possible à l'élément sensible (9), porté par le meme support (6), tête-bêche avec l'élément sensible (9).