Brevet FR2713869A1 — publié le 19950616

La présente invention concerne un transducteur électroacoustique à transformateur mécanique d'impédance capable d'émettre des ondes acoustiques puissantes dans un milieu liquide. Du fait de ses dimensions, le transducteur selon l'invention convient particulièrement bien pour une utilisation dans des puits de section relativement faible, tels que des puits pétroliers ou gaziers. Par les demandes de brevet FR-A- 2.667.518 ou 2.678.390, on connait des sources vibrantes électro-hydrauliques adaptées à fonctionner notamment dans des puits où les vibrations engendrées par un empilement de disques piézo-électriques sont appliquées à des patins couplés avec une formation souterraine par l'intermédiaire de vérins et de circuits hydrauliques. de liaison. En choisissant les sections des vérins, on obtient une adaptation mécanique d'impédance de l'amplitude et une amplification de l'amplitude des vibrations appliquées au sol par les patins. Par le brevet US-A 5.069.308, on connait une source d'ondes acoustiques adaptée à fonctionner dans un puits, qui comporte un corps tubulaire, un générateur électro-mécanique constitué d'un ou deux empilements de disques piézo-électriques, couplé avec un transformateur mécanique d'impédance qui abaisse l'impédance acoustique du générateur. Le transformateur comporte plusieurs lames allongées flexibles disposées symétriquement autour de l'axe central du corps. La partie centrale de chacune des lames a une courbure elliptique dans un plan radial et elle se raccorde à ses extrémités opposées, à deux plaques sensiblement perpendiculaires à l'axe de la source qui sont appliquées contre des faces vibrantes du générateur. Le transducteur électro-acoustique selon l'invention comporte au moins un générateur de vibrations (constitué par exemple d'un empilement de disques piézo-électriques ou d'un moteur de type magnétostrictif, relié à une source de tension électrique) disposé dans un corps allongé et un transformateur d'impédance couplé mécaniquement avec le générateur. Il est caractérisé en ce que le transformateur d'impédance comporte une pièce tubulaire ou coque constituée d'au moins une partie centrale courbe et flexible et d'au moins une partie tubulaire la partie courbe au moins étant pourvue d'ouvertures (telles que des fentes orientées suivant des génératrices de la coque), le volume intérieur de la pièce tubulaire étant choisi pour renforcer les fréquences les plus basses engendrées par le générateur de vibrations. Le générateur de vibrations comporte par exemple un empilement d'éléments sensibles lequel est prolongé à ses extrémités par deux embouts venant en appui sur ses faces terminales et couplés avec lui par des moyens de couplage. Suivant un autre mode de réalisation, le transducteur comporte une gaîne souple, disposée autour de la coque, pour isoler le volume intérieur de celle-ci du milieu extérieur, au moins un embout étant pourvu d'ouvertures permettant de remplir ledit volume avec un fluide. Suivant un mode de réalisation, la pièce tubulaire est maintenue sous contrainte par rapport aux embouts par deux chapeaux d'extrémité assujettis respectivement aux deux embouts. Suivant un autre mode de réalisation, le transducteur comporte deux manchons prolongeant de part et d'autre le générateur de vibrations et la coque, et connectés par l'intermédiaire d'éléments de découplage élastique (bloc d'élastomère, ressort etc). Suivant un mode de réalisation, chacun des deux manchons comporte une cloison intérieure et une plaque assujettie à cette cloison par l'intermédiaire de l'élément élastique, la plaque étant fixée contre le chapeau d'extrémité. L'un des deux manchons peut comporter une paroi terminale pourvue de traversées électriques étanches et des canaux pour le passage de conducteurs électriques connectant chacune des traversées étanches au générateur. Le transducteur peut être utilisé en profondeur et comporter des moyens de liaison permettant de le connecter à une installation de surface hors d'un puits ou à la surface de l'eau par exemple. Suivant un mode de réalisation, le transducteur comporte des moyens de compensation statique permettant une compensation statique des variations de la pression statique du milieu extérieur où il est utilisé. Le transducteur peut être relié par exemple à une installation de surface (terrestre ou marine par exemple), par des moyens de liaison. Le transducteur selon l'invention est avantageux notamment en ce que - la coque entourant le générateur de vibrations est réalisée d'un seul tenant; elle est plus facile à construire et ses caractéristiques acoustiques sont stables et plus facilement contrôlables; et - avec sa partie centrale ajourée (ou chacune d'elles éventuellement) prolongée d'un côté au moins par une partie cylindrique pleine de longueur plus ou moins grande, la coque constitue une cavité résonnante qui dispose d'un meilleur rendement acoustique du côté des basses fréquences; D'autres caractéristiques et avantages du transducteur selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un modes de réalisation décrit à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où: - la Fig.1 montre une vue en coupe longitudinale du transducteur; - la Fig.2 montre une vue en coupe transversale suivant 2-2 du transducteur; - la Fig.3 montre une variante du mode de réalisation de la Fig.1 pourvue de moyens de compensation des variations de la pression statique s'exerçant extérieurement au transducteur; - la Fig.4 montre le transducteur modifié pour fonctionner dans un puits;et - la Fig.5 montre un exemple de spectre d'émission que l'on peut obtenir avec le transducteur pour un certain type de dimensionnement. Le transducteur selon l'invention comporte (Fig.l,2) un générateur de vibrations comprenant par exemple un bloc 1 d'éléments sensibles constitué d'un empilement de disques ou de tubes de type piézo-électrique par exemple. Sur les faces terminales opposées du bloc 1, sont respectivement appliqués deux embouts cylindriques 2, 3. Chacun d'eux est pourvu d'un alésage central 4 et d'une cavité axiale 5, du côté opposé à leur face d'appui contre le bloc 1. Une tige 6 filetée à ses deux extrémités, traverse le bloc I et les deux embouts 2, 3 et l'ensemble est rendu solidaire par des écrous de serrage 7.Les moyens de serrage 6,7 assurent une mise sous contrainte des disques de l'empilement. Autour du bloc 1 et des deux embouts 2, 3, est disposé une pièce tubulaire ou coque 8 comportant une partie médiane courbe 8A présentant une concavité dirigée vers l'extérieur du transducteur, qui est prolongée de part et d'autre par deux parties cylindriques 8B, 8C pourvues chacune d'une plaque terminale 9. La longueur du bloc 1 prolongé des deux embouts 2, 3, est supérieure à celle.de la coque 8. Une ouverture est percée dans chacune des deux plaques terminales 9. Sa section est suffisante pour laisser passer la partie terminale de l'embout correspondant 2, 3, laquelle est filetée extérieurement. Deux chapeaux 10 sont vissés respectivement sur les embouts 2, 3 de façon à venir en appui contre les plaques 9 aux extrémités de la coque 8 et exercer sur celle-ci une précontrainte permanente ajustable en fonction de l'amplitude de vibrations prévue pour le générateur. La pièce tubulaire ou coque 8 au moins dans sa partie centrale courbe 8A, est pourvue d'une ou plusieurs ouvertures 11 qui peuvent être par exemple des fentes disposées suivant des génératrices de la pièce tubulaire et symétriquement autour de l'axe longitudinal du bloc. A chaque extrémité du transducteur, est disposé un manchon tubulaire rigide 12 pourvu intérieurement d'une cloison 13 Un élément de découplage 14 tel qu'un bloc d'élastomère ou un ressort, est disposé respectivement entre chacune des cloisons 13 et une plaque 15, et chaque ensemble est maintenu ensemble par une tige filetée axiale 16. Des vis (non représentées) permettent de solidariser chcune des plaques 15 et par conséquent les deux manchons tubulaires 12, respectivement aux deux chapeaux 10. La section intérieure de chaque manchon 12 est sensiblement égale à la section extérieure du chapeau 10 et de la plaque correspondante 15 correspondante. Des joints 17 sont interposés entre chaque manchon et le chapeau correspondant, de façon à assurer l'étanchéité entre eux quand ils se déplacent l'un relativement à l'autre du fait des variations de longueur subies par chaque élément de découplagel4. Une membrane souple 18 est enfilée par dessus la coque 8. Sa longueur est suffisante pour recouvrir chaque manchon tubulaire 12 sur une partie de sa longueur. Des moyens de fixation (non représentés) permettent de serrer les extrémités de la membrane souple 18 à la paroi extérieure de chaque manchon 12. Dans la cavité intérieure de l'un des manchons 12, du côté de la cloison 13 opposé au bloc d'élastomère 14, est placé une pièce de fermeture 19 pourvue d'un orifice axial 20 et extérieurement de joints d'étanchéité 21. Cette pièce est tenue en place par une bague 22. Deux traversées étanches 23 disposées dans l'épaisseur de la pièce 19, permettent d'établir une connexion électrique entre des conducteurs électriques intérieurs 24 et des broches extérieures 25, lesquelles sont connectées à un générateur électrique (non représenté) délivrant une tension électrique élevée (1 à 2 kV par exemple). Des canaux 26 sont ménagés dans l'épaisseur de la cloison 13, de la plaque 15 et du chapeau 10 pour le passage des conducteurs électriques vers les éléments sensibles piézoélectriques, permettant leur excitation Par l'orifice axial 20, on injecte un fluide, de l'huile par exemple, de façon à remplir le volume intérieur du transducteur Le transducteur selon l'invention peut être utilisé pour des applications dans des puits ou en mer par exemple, notamment pour des applications de prospection sismique souterraine. Pour le cas où le transducteur doit être utilisé dans un milieu où la pression extérieure est susceptible de varier dans des proportions importantes (dans un puits notamment), on utilise de préférence une variante telle que celle schématisée à la Fig.3. Suivant cette variante, un des manchons 12 par exemple est prolongé par un élément DM renfermant un fluide en équipression avec le fluide à l'intérieur de la coque, et dont le volume est déformable. Cet élément déformable DM est par exemple un soufflet rempli également d'huile ou bien encore un cylindre d'équilibrage d'un type connu communiquant avec l'intérieur de la coque 8 dans lequel un piston pourvu de joints d'étanchéité peut se déplacer librement sous l'action des variations de pression résultant par exemple du plus ou moins grand enfoncement du transducteur dans le milieu où il est utilisé. Le transducteur selon l'invention peut être utilisé dans un puits (Fig.4) pour des applications de prospection sismique d'une formation souterraine. Dans ce cas, les deux manchons opposés sont prolongés par des coiffes rigides 27a, 27b. A la coiffe supérieure 27a, on raccorde un câble électro-porteur 28 relié intérieurement aux conducteurs électriques intérieurs 25, et à son extrémité opposé, à un dispositif de levage 29 et une source de tension électrique variable 30 pour l'application d'un signal excitateur au générateur 1. Le spectre de fréquence émis par un tel transducteur (un exemple est montré Fig.5) dépend de la bande d'émission propre du bloc d'éléments sensibles mais aussi du volume intérieur de la coque 8, de la longueur de la partie centrale concave et de la surface totale des fentes 1 1 ménagées au travers de celle-ci. On vérifie que ces fentes 1 1 font office d'évents pour la cavité résonnante constituée par la coque et qu'en fonction des paramètres précédents, on peut élargir notablement vers les fréquences basses le spectre de fréquence émis qui peut atteindre au moins deux octaves. Le transducteur selon l'invention est capable de fonctionner dans des milieux dont la température peut atteindre jusqu'à 185"C et dont la pression peut dépasser 100 MPa par exemple. On a décrit un transducteur où l'intérieur de la coque est isolé du milieu extérieur par une membrane de séparation 18 et ou l'on utilise des moyens de découplage élastique en élastomère. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois si on utilisait le transducteur en laissant au fluide extérieur le libre accès à l'intérieur de la cavité et en remplaçant les blocs d'élastomère par des ressorts, de type hélicoïdal par exemple. REVENDICATIONS 1) Transducteur électro-acoustique comportant au moins un générateur de vibrations (1) et un transformateur d'impédance couplé mécaniquement avec le générateur, caractérisé en ce que le transformateur d'impédance comporte une pièce tubulaire ou coque (8) constituée d'au moins une partie courbe et flexible (8A) et d'au moins une partie cylindrique (8B, 8C), la partie courbe au moins étant pourvue d'ouvertures (11) et le volume intérieur de la pièce tubulaire étant choisie pour renforcer les fréquences les plus basses engendrées par le générateur de vibrations (1). 2) Tranducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu au moins une partie courbe (8A) est pourvue de fentes orientées sensiblement suivant des génératrices de la coque (8). 3) Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une partie centrale courbe de la coque (8), prolongée de part et d'autre par une partie cylindrique (8B, 8C). 4) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de vibrations (1) comporte un empilement d'éléments sensibles prolongé à ses extrémités par deux embouts (2, 3) venant en appui sur ses faces terminales qui sont couplés avec lui par des moyens de couplage. 5) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une gaîne souple (18), disposée autour de la coque (8), pour isoler le volume intérieur de celle-ci du milieu extérieur, au moins un embout (2,3) étant pourvu d'ouvertures permettant de remplir ledit volume avec un fluide. 6) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pièce tubulaire (8) est maintenue sous contrainte par rapport aux embouts (2, 3), par deux chapeaux d'extrémité (10) assujettis respectivement aux deux embouts (2,3 > . 7) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux manchons (12) prolongeant de part et d'autre le générateur de vibrations (1) et la coque (8) et connectés par l'intermédiaire des moyens (14) de découplage élastique. 8) Transducteur selon les deux revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de découplage élastique comportent chacun un élément de découplage élastique (14), chacun des deux manchons (12) comporte une cloison intérieure (13) et une plaque (15) assujettie à ladite cloison par l'intermédiaire de l'élément élastique (14), ladite plaque (15) étant fixée contre le chapeau d'extrémité. 9) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des deux manchons (12) comporte une paroi terminale (19) pourvue de traversées électriques étanches (23) et des canaux (26) pour le passage de conducteurs électriques connectant chacune des traversées étanches au générateur (1). 10) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de vibrations (1) comporte un empilement de disques piézo-électriques connectés électriquement à une source de tension électrique (30) et maintenus sous contrainte par des moyens de serrage (6, 7). 11) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de vibrations (1) comporte un ensemble d'émission de type magnétostrictif connecté électriquement à une source de tension électrique. 12) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de liaison permettant de connecter le transducteur à une installation de surface. 13) Transducteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un câble électro-porteur (28) pour relier le transducteur à une installation hors d'un puits. 14) Transducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments de liaison à une intallation à la surface de l'eau. 15) Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de compensation statique (27) permettant une compensation statique des variations de la pression statique du milieu extérieur où le transducteur est utilisé. 16) Transducteur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'élément de découplage élastique (14) comporte un bloc réalisé en élastomère. 17) Transducteur selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'élément de découplage élastique (14) comporte un ressort.