Brevet FR2720585A1 — publié le 19951201

TRANSDUCTEUR ELECTRO ACOUSTIQUE ET ANTENNE SONAR OUVERTS DESCRIPTION La présente invention est relative à un perfectionnement apporté aux antennes sonar. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de transducteurs acoustiques sous-marins. Les antennes sonar sont utilisées notamment pour émettre des ondes sonores dans le milieu marin ou sous-marin par exemple de manière isotrope dans un plan. Pour ce faire, on utilise habituellement des antennes sonar comportant un ou plusieurs ensembles (ou têtes) piézoélectriques, par exemple de type "Tonpilz", essentiellement composés d'un empilement de disques de céramique piézoélectrique et d'électrodes qui est maintenu en compression par une tige de précontrainte, entre un pavillon mobile destiné à transmettre au milieu sous-marin des ondes acoustiques et une contre masse en général découplée de ce milieu. On connaît notamment par la demande de brevet FR2302655 (Etat français) une antenne sonar comportant une enveloppe cylindrique rigide contre la paroi intérieure de laquelle sont disposés radialement des moteurs piézoélectriques fixés sur une pièce centrale servant de contre masse commune ; selon ce document 1' antenne sonar qui comporte l'enveloppe cylindrique pouvant constituer une frette, comporte deux couvercles latéraux assemblés de manière étanche avec l'enveloppe cylindrique rigide de manière à constituer une enceinte fermée qui peut être remplie d'un liquide diélectrique et peut communiquer avec un récipient déformable plongé dans l'eau de manière à mettre le liquide en équipression avec l'eau. Ce type d'antenne comporte plusieurs inconvénients, en effet l'enveloppe cylindrique rigide qui peut être réalisé par exemple dans un matériau tel que du carbone est très couteuse ; par ailleurs les précautions à prendre pour garantir l'étanchéité nécessite de grandes précisions d'usinage et de montage et par conséquent des coûts élevés. Par ailleurs ce type d'antenne sonar est difficile à mettre en oeuvre en utilisant de telles enveloppes cylindriques de grand diamètre, ce qui est rendu nécessaire afin d'atteindre de fortes puissances et une bande passante élevée, notamment en basse fréquence. On connaît également par la demande de brevet FR2361033 une antenne sonar comportant une enveloppe étanche au gaz, au moins un transducteur piézoélectrique situé à l'intérieur de l'enveloppe qui comporte dans l'espace compris entre le transducteur et la paroi interne de l'enveloppe un matériau solide séparé de la paroi vibrante de l'enveloppe par un faible jeu rempli de gaz en equipression avec l'extérieur ; selon ce document, l'antenne comporte un canal cylindrique dans lequel coulisse un piston et qui communique par une extrémité avec l'extérieur de l'enveloppe et par l'autre extrémité avec l'intérieur de l'enveloppe. L' antenne sonar décrite dans ce document comporte également les inconvénients cités pour celle du document précédent ; par ailleurs ce type d' antenne sonar comportant un piston mobile et des moyens d'étanchéité correspondants est plus complexe et donc plus couteux et moins fiable. De plus les antennes sonar de type connu présentent deux inconvénients supplémentaires majeurs : lorsque l'étanchéité de l'antenne est réalisé au niveau des pavillons où le déplacement est maximal, cela provoque une usure rapide des joints d'étanchéité ; de plus le montage des transducteurs à l'intérieur d'une enveloppe rend très difficile sinon impossible l'uniformisation des contraintes mécaniques dans les piliers de céramique qui serait nécessaire pour utiliser efficacement dans des applications de puissance, les performances de ces empilements de céramique. Le problème posé est de procurer des transducteurs acoustiques antennes sonar susceptibles d'être immergées à grande profondeur pour émettre des ondes sonores qui puissent être obtenues à moindre coût tout en permettant une fabrication de telles antennes de grand diamètre, équipées de transducteurs piézoélectriques de forte puissance. La solution au problème posé consiste à procurer une antenne sonar comportant un ou plusieurs transducteurs cylindriques dits "multitêtes", chacun desdits transducteurs comportant une pluralité (au moins 4) d'ensembles sensiblement identiques comportant chacun un pavillon et un moteur piézoélectrique, (chacun desdits moteurs comportant au moins un empilement d'éléments piézoélectriques alternant avec des électrodes, lequel empilement est comprimé et/ou précontraint par au moins une tige de précontrainte), lesquels ensembles sont fixés par ladite tige de précontrainte à une contre masse commune à tous lesdits moteurs dudit transducteur, de forme générale cylindrique d'axe ZZ1, lesquels ensembles s'étendent selon des axes YY1, YY2, YY3... coplanaires, c'est-à-dire sont contenus dans un plan où dans plusieurs plans parallèles entre eux et perpendiculaires audit axe ZZ1, et sensiblement radiaux (concourants) ; chacun desdits pavillons et/ou chacun desdits empilements est revêtu sur sa face externe d'un revêtement électriquement isolant et étanche, de sorte que ladite antenne peut être "ouverte", c'est-à-dire que ladite antenne n'est pas contenue dans un caisson étanche et/ou à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique étanche. Avantageusement ladite antenne comporte des moyens de traitement acoustique, et/ou d'adaptation d'impédance acoustique des cavités, et/ou interstices situées entre lesdits ensembles moteur/pavillon et entre lesdits transducteurs superposés. Avantageusement lesdits moyens de traitement acoustique comportent pour chacun desdits ensembles moteur/pavillon, un baffle entourant en partie au moins ledit empilement et comportant une partie située à proximité immédiate de la face arrière du pavillon dudit ensemble moteur/pavillon. Avantageusement ledit baffle est réalisé dans un matériau alvéolaire léger, par exemple à structure fermée, et ledit baffle a une forme générale tronconique ayant pour axe ledit axe longitudinal dudit transducteur. Avantageusement ledit baffle comporte deux demi coquilles sensiblement identiques qui peuvent être fixées sur ledit ensemble moteur/pavillon par des moyens de cerclage tels que des colliers. Avantageusement des moyens de passage d'eau, tels que des canaux tubulaires et coniques, sont prévus entre ledit baffle et ledit empilement d'éléments piézo-électrique d'une part, et entre ledit baffle et la face arrière dudit pavillon d'autre part, ce qui permet ainsi le refroidissement par convection dudit ensemble moteur/pavillon immergé. Avantageusement lesdits baffles sont percés de plusieurs canaux radiaux permettant le passage d'eau entre la face interne sensiblement cylindrique dudit baffle et la face externe sensiblement tronconique dudit baffle et permettant ainsi de faciliter le passage d'eau et le refroidissement dudit ensemble moteur/pavillon. Avantageusement ledit revêtement isolant étanche comporte du caoutchouc surmoulé sur ledit pavillon et ledit empilement dudit moteur. Avantageusement ledit revêtement comporte des protubérances qui peuvent coopérer avec des moyens complémentaires tels que des gorges prévus sur la face sensiblement cylindrique internes desdits baffles afin de permettre le positionnement longitudinal, selon ledit axe longitudinal dudit ensemble, desdits baffles par rapport audit ensemble moteur/pavillon. Grâce aux caractéristiques particulières des transducteurs et antennes sonar selon l'invention, on peut obtenir une bande passante très nettement supérieure à celles des antennes connues, de l'ordre de deux fois plus étendue, et l'invention permet de procurer des antennes sonar de forte puissance, de masse et de coût réduits. Les nombreux avantages procurés par l'invention, seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif, des modes particuliers de réalisation d' antennes sonar selon l'invention. La figure 1 est une vue de dessus (en plan) d'un mode particulier de réalisation d'un transducteur d'une antenne sonar selon l'invention, et est une vue selon I-I de la figure 2. La figure 2 est une vue d'ensemble d'un mode particulier de réalisation d'une antenne sonar selon l'invention. La figure 3 illustre un mode préférentiel de réalisation des moyens d'adaptation acoustique des cavité d'une antenne sonar selon l'invention et des moyens de fixation d'un ensemble pavillon-moteur piézoélectrique à la contre masse commune. Par référence à la figure 1 une antenne sonar 1 comporte plusieurs modules ou transducteurs superposés selon un axe ZZ1, chaque module ou transducteur comportant une pluralité (10 sur la figure 1) d'ensembles pavillon-moteur piézoélectrique repérés 21, 22,.. .210, qui sont identiques ; lesdits ensembles s'étendent selon des axes longitudinaux respectifs W1, YY2,...YY10 qui sont uniformément répartis dans le plan de la figure 1 selon un écart angulaire 12 avantageusement constant. Chacun desdits ensembles comporte une tige de précontrainte 41, un empilement 71 d'éléments piézoélectriques en forme de couronne, constituant un moteur piézoélectrique, s'étendant selon l'axe YY1 longitudinal dudit moteur de même que ladite tige de précontrainte. Ladite tige de précontrainte relie mécaniquement le pavillon 31 de l'ensemble à la contre masse commune 9 de l'antenne sonar et/ou du module transducteur correspondant. Chacun desdits ensembles est muni, dans l'espace situé autour dudit empilement d'éléments piézoélectriques et à l'arrière dudit pavillon, d'un baffle respectivement 101, 102,...1010 de forme générale de révolution ayant une face externe tronconique ; on voit également sur la figure 1 que des interstice 13 ou cavités subsistent à l'intérieur dudit transducteur, lesquelles cavités sont remplies d'eau lorsque ledit module transducteur et/ou ladite antenne est immergé. On voit également sur cette figure qu'un revêtement 5 électriquement isolant et étanche par exemple en caoutchouc vulcanisé sur la face externe dudit empilement de céramiques piézoélectriques et dudit pavillon ainsi que sur la face avant de celui-ci, assure l'étanchéité du dispositif. Par référence à la figure 2 on voit que ladite antenne 1 comporte deux modules ou transducteurs 57 tels que représentés à la figure 1, qui sont superposés selon l'axe ZZ1 de symétrie générale de ladite antenne, chacun desdits transducteurs comportant une pluralité d'ensembles pavillon-moteur piézoélectrique 2, dont les axes longitudinaux s'étendent dans un plan P (pour ce qui concerne le module 57 situé à droite de la figure 2) et sont co-planaires et concourants en un point de l'axe ZZ1 de ladite antenne. On voit également sur cette figure les interstices ou cavités 13 laissés libres à l'intérieur de ladite antenne et qui sont remplis d'eau lorsque celle-ci est immergée. On voit à la figure 3 que selon un mode préférentiel de réalisation d'antenne selon l'invention, chacun desdits ensembles pavillon-moteur piézoélectrique est équipé d'un baffle 10 qui peut être essentiellement constitué par deux demi coquilles 151 152 d'un matériau alvéolaire léger tel que par exemple une mousse de PVC. De façon connue ledit ensemble comporte essentiellement un pavillon 3 qui sera susceptible de se déplacer sous l'effet des vibrations engendrées par l'empilement 7 d'éléments piézoélectriques 6 superposés et alternés avec des électrodes 8 lesquelles électrodes sont pour certaines, repérées 8a, reliées à un fil électrique 21 de mise à la masse qui peut être avantageusement lié électriquement à une bride d'appui 25 électriquement conductrice et à ladite contre masse commune 9, et pour d'autres repérées 8b et alternées avec les premières, reliées à un fil électriquement conducteur 22 constituant le "point chaud" par lequel lesdits éléments piézoélectriques peuvent être excités. Une cale d'ajustement 27 est également prévue entre une extrémité dudit empilement d'éléments piézoélectriques et ledit pavillon 3 ledit empilement peut être précontraint et/ou comprimé par une tige 4 de précontrainte prenant appui par l'intermédiaire de la face d'appui 20a d'un écrou 20 la face d'appui 3a correspondante dudit pavillon 3, laquelle tige est vissée dans ladite contre masse commune 9 à sa deuxième extrémité. L'ensemble constitué par ledit pavillon 3, ladite tige 4, ledit empilement d'éléments piézoélectriques alternés avec lesdites électrodes 8 peut être recouvert d'un revêtement 5 électriquement isolant et étanche qui comporte une partie 5A recouvrant la face avant dudit pavillon, une partie 5B recouvrant la face arrière dudit pavillon, une partie 5C recouvrant la face externe dudit empilement, et une partie 5D recouvrant partiellement au moins ladite bride d'appui 25. Ladite partie 5a dudit revêtement comporte une zone centrale 5e qui peut être découpée (otée) pour permettre le démontage dudit ensemble ; à cet effet, consécutivement à l'enlèvement de ladite zone centrale 5e, on peut ensuite, grâce à un alésage fileté 4b prévu à la 1ère extrémité de ladite tige, à l'aide d'un outil (non représenté) vissé dans ledit alésage fileté et prenant appui sur la face avant 3b dudit pavillon, exercer une traction longitudinale (dirigée vers le bas, par référence à la figure 3) permettant de compenser les efforts de précontrainte, et permettant ainsi de dévisser ledit écrou 20, par exemple grâce à des cavités 20 b prévues dans la face externe dudit écrou, dans lesquelles peut prendre appui un outil (non représenté). On voit que ledit revêtement 5 comporte dans ladite partie 5C des protubérances 19 pouvant coopérer avec des gorges circulaires ou circonférencielles 18 prévues sur la face interne cylindrique dudit baffle afin de permettre le positionnement longitudinal dudit baffle par rapport audit ensemble. Ledit baffle qui est ici de forme de révolution comporte une surface externe 23 tronconique d'axe YY1 qui constitue l'axe longitudinal général dudit ensemble, comporte une surface interne 24A cylindrique prolongée par une surface interne 24B tronconique lesdites surfaces 24A et 24B internes dudit baffle qui sont situées en regard respectivement de la face externe dudit revêtement 5C dudit empilement et de la face externe dudit revêtement 5B de la face arrière dudit pavillon, délimitent un espace libre comportant sensiblement un canal 37 sensiblement tubulaire et un canal 56 sensiblement tronconique, lesquels canaux 37 et 56 seront remplis d'eau lorsque l'antenne sera immergée, laquelle eau pourra circuler afin de faciliter le refroidissement dudit ensemble. Ladite circulation d'eau le long des parois externe dudit revêtement dudit ensemble peut être avantageusement facilitée grâce à des canaux 14 prévus dans ledit baffle qui mettent en communication la face interne 24 et la face externe 23 dudit baffle ; avantageusement ledit baffle peut être maintenu autour dudit ensemble grâce à des colliers 17 calés dans des gorges externes 16 prévues sur la face externe 23 dudit baffle. REVENDICATIONS 1. Antenne sonar (1) comportant une pluralité d'ensembles (2) sensiblement identiques comportant chacun un moteur piézoélectrique et un pavillon, fixés à une contre masse (9) commune de forme générale cylindrique d'axe (ZZ1), lesquels ensembles s'étendent selon des axes longitudinaux YY1, YY2, YY3... coplanaires et sensiblement radiaux, caractérisée en ce que chacun desdits ensembles est revêtu sur sa face externe d'un revêtement (5) électriquement isolant et étanche. 2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de traitement acoustique des cavités (13) situées entre lesdits transducteurs et/ou entre lesdits ensembles moteur/pavillon. 3. Antenne selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdits moyens de traitement acoustique comportent pour chacun desdits ensembles, un baffle (10) entourant ledit empilement ou moteur et comportant une partie située à proximité immédiate de la face arrière dudit pavillon (3). 4. Antenne selon la revendication 3 caractérisée en ce que ledit baffle est réalisé dans un matériau alvéolaire léger et en ce que ledit baffle a une forme générale tronconique ayant pour axe ledit axe longitudinal dudit ensemble moteur/pavillon. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 à 4 caractérisée en ce que ledit baffle comporte deux demi coquilles sensiblement identiques (151, 152) qui peuvent être fixées sur ledit ensemble par des moyens de cerclage tels que des colliers (17). 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisée en ce que des moyens de passage d'eau (37, 56) sont prévus entre ledit baffle et ledit empilement d'éléments piézoélectrique d'une part, et entre ledit baffle et la face arrière dudit pavillon d'autre part. 7. Antenne selon la revendication 6 caractérisée en ce que lesdits baffles sont percés de plusieurs canaux radiaux (14) permettant le passage d'eau entre la face interne sensiblement cylindrique dudit baffle et la face externe sensiblement tronconique dudit baffle et permettant ainsi de faciliter le passage d'eau et le refroidissement dudit ensemble moteur/pavillon. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisés en ce que ledit revêtement isolant étanche comporte du caoutchouc surmoulé sur ledit pavillon et ledit empilement. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce que ledit revêtement (5) comporte des protubérances (19) qui peuvent coopérer avec des moyens complémentaires tels que des gorges (18) prévus sur la face sensiblement cylindrique interne desdits baffles afin de permettre le positionnement longitudinal desdits baffles par rapport audit ensemble moteur/pavillon.