Brevet FR2738442A1 — publié le 19970307

TRANSDUCTEUR ELECTRODYNAMIOUE COMPENSE La présente invention est relative à des améliorations apportées à des transducteurs électrodynamiques compensés. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de transducteurs électrodynamiques compensés pour sonar. Il est connu de fabriquer des transducteurs électrodynamiques pour la production d'ondes sonores et leur propagation dans l'eau, particulièrement dans le milieu sous marin, qui utilisent un moteur ou actionneur électrodynamique qui comporte une bobine mobile axialement qui est placée dans l'entrefer d'un circuit magnétique, et qui entraîne dans son mouvement une pièce rigide (appelée pavillon ou piston) en contact avec le milieu extérieur (c'est à dire l'eau) pour transmettre à ce milieu des ondes sonores. Un système de compensation ou égalisation de la pression régnant à l'intérieur du transducteur avec la pression externe régnant dans le milieu sous marin, peut être prévu comme par exemple décrit dans le brevet US 5 199 005 (FORSBERG). La présente invention a pour objet d'améliorer les transducteurs électrodynamiques compensés, tels que décrits notamment dans le document sus mentionné. La solution au problème posé consiste à procurer un transducteur électrodynamique compensé, comportant un pavillon actif qui est entraîné en translation par une bobine mobile caractérisé en ce qu'il comporte un pavillon passif qui, associé au gaz contenu dans la cavité du transducteur qui est située à l'arrière du pavillon actif, constitue un résonateur dont la fréquence de résonance est inférieure à celle de l'ensemble actif, la face arrière dudit pavillon passif étant soumise aux variations de la pression interne de ladite cavité. En d'autre termes l'invention procure un transducteur électrodynamique compensé, pour l'émission d'ondes sonores dans le milieu sous marin, comportant un premier pavillon dit pavillon actif qui est mobile en translation axiale et entraîné par une bobine mobile en translation axiale (et placée dans l'entrefer d'un circuit magnétique) ou moteur électrodynamique, lequel transducteur comporte en outre un deuxième pavillon (qui n'est entraîné par aucun moteur ou actionneur) dit pavillon passif, dont la masse associée à l'élasticité du gaz contenu dans la cavité du transducteur qui est située à l'arrière du pavillon actif, constitue un résonateur (similaire à un résonateur d'HELMHOLTZ) dont la fréquence de résonance est inférieure à celle de l'ensemble actif (c'est à dire du pavillon actif et de sa suspension), la face arrière dudit deuxième pavillon ou pavillon passif étant soumise ou excitée par les variations de la pression interne de ladite cavité située à l'arrière du pavillon actif. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention - ladite fréquence de résonance du résonateur est comprise entre 5 et 50 Hertz, de préférence comprise entre 10 et 30 Hertz - la masse dudit pavillon passif est supérieure au double de la masse dudit pavillon actif ; de préférence le rapport de la masse dudit pavillon passif à la masse dudit pavillon actif est supérieur ou égale à 5, par exemple voisin de 10 - ledit pavillon passif est fixé par un ou plusieurs ressorts en forme générale de lame - ledit pavillon passif est fixé et centré par trois ressorts au moins, identiques, en forme de lame pliée en "S"; - le pavillon passif est monté sur des moyens de suspension dont la raideur est faible comparativement à la raideur des moyens de suspension du pavillon principal ; de préférence le rapport de la raideur des moyens de suspension du pavillon principal (actif) à la raideur des moyens de suspension du pavillon passif (ou secondaire) est supérieur à 3, par exemple voisin de 10 - ledit pavillon passif est monté sur des ressorts en matériaux composites (matière plastique armée de fibres minérales); - ledit pavillon actif et ledit pavillon passif sont concentriques et sont par exemple vulcanisés sur une membrane commune réalisée en matériau élastomère; - ledit transducteur comporte une pièce fixe telle qu'une couronne, disposée entre ledit pavillon passif et ledit pavillon actif, et qui peut être vulcanisée sur la membrane commune aux pavillons dans le cas où ceux-ci sont concentriques - ladite surface utile du pavillon passif est supérieure à la surface utile du pavillon actif ; de préférence le rapport de la surface utile du pavillon passif à la surface utile du pavillon actif est inférieur à 10 et supérieur à 1, par exemple compris entre 2 et 5. L'invention permet d'augmenter et d'améliorer les performances des transducteurs électrodynamiques aux basses fréquences ; l'invention permet d'élargir la bande passante et de diminuer l'amplitude du mouvement à donner au pavillon actif aux basses fréquences. Aux basses fréquences le rayonnement sonore est obtenu essentiellement par le pavillon passif dont l'efficacité décroît avec la fréquence, la participation du pavillon actif à l'émission sonore devenant prépondérante à partir d'une fréquence de l'ordre de 30 à 40 Hertz par exemple. L'invention permet de réduire l'amplitude du déplacement axial du pavillon actif entraîné par le moteur électrodynamique et permet ainsi de diminuer la distorsion entre le signal alimentant le transducteur et le signal sonore émis par ce transducteur ; l'invention permet d'élargir la bande passante d'un transducteur électrodynamique compensé, aux basses fréquences, c'est à dire de diminuer la fréquence de coupure (par exemple à - 3 décibels) de plusieurs Hertz et jusqu'à plus de 10 Hertz, ainsi qu'aux fréquences élevés, et permet d'utiliser un pavillon actif entraîné par un moteur électrodynamique qui sont de dimensions réduites et permettent ainsi de réduire le volume, le poids et le coût du transducteur (à performances égales). Les moyens particuliers de réalisation de la suspension du pavillon passif selon l'invention permettent d'assurer une grande capacité de déplacement axial du pavillon passif tout en assurant son guidage en translation le long de l'axe (ou sa concentricité par rapport à cet axe) longitudinal de déplacement, c'est à dire permet de constituer des moyens de suspension dont la raideur est très élevée dans le plan perpendiculaire à la direction de déplacement et dont la raideur est très faible dans le sens du déplacement ; ceci permet d'obtenir de grands débattements, de faibles pertes mécaniques et une durée de vie élevée. Afin d'obtenir les résultats procurés par l'invention, il est bien entendu nécessaire de permettre au gaz (par exemple de l'air) contenu dans la cavité et en contact avec les faces arrières du pavillon actif et du pavillon passif de circuler librement entre les deux pavillons dans ladite cavité. 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 préférentiels de réalisation de transducteur selon l'invention. La figure 1 illustre en vue en coupe longitudinale un mode particulier de réalisation d'un transducteur selon l'invention et est une vue selon I-I de la figure 2. La figure 2 est une vue selon II-II de la figure 1 et illustre le transducteur de la figure 1 en vue en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (ou de symétrie générale) du transducteur. La figure 3 illustre un mode préférentiel de réalisation de ressort de suspension de pavillon passif pour un transducteur selon l'invention, en vue en perspective schématique. La figure 4 constitue un graphe de représentation de 3 courbes de niveau sonore caractéristiques de transducteur selon l'invention. La figure 5 qui est une vue selon V de la figure 1 illustre de façon schématique en vue en élévation, la face active d'un transducteur selon l'invention. La figure 6 illustre schématiquement de la même manière que la figure 5 une variante de réalisation de transducteur selon l'invention. Par référence à la figure 4, l'axe des abscisses du graphe représente la fréquence et est graduée en Hertz de 0 à 100 Hertz ; l'axe des ordonnées représente le niveau sonore obtenu, en décibel par rapport à une référence en micropascal, et est gradué de 130 à 170 décibels. La courbe ou graphe 41 illustre le niveau sonore simulé qui serait obtenu par le pavillon auxiliaire ou passif seul, excité par les fluctuations de pression régnant dans la cavité à l'arrière des pavillons actif et passif ; ce graphe 41 montre un maximum pour une fréquence 38 correspondant sensiblement à la fréquence de résonance caractéristique du pavillon passif, c'est à dire la fréquence de résonance du résonateur essentiellement constitué par la masse du pavillon passif, la suspension de ce pavillon et l'élasticité du gaz contenu dans la cavité. Le graphe 42 et illustre le niveau sonore fourni par un transducteur équipé uniquement du pavillon actif et montre un niveau maximum à une fréquence 39 constituant la fréquence basse de résonance du transducteur (identique mais dénué de pavillon passif) constitué par le pavillon actif monté sur ses moyens de suspension et des parties mobiles du moteur électrodynamique ; le graphe 42 montre un minimum relatif pour une fréquence 40 supérieure à la fréquence 39 ; le repère 45 désigne la fréquence correspondant à un affaiblissement de 3 décibels du niveau sonore obtenu par l'ensemble actif, c'est à dire du niveau de la courbe 42, par rapport à son niveau maximal, c'est à dire correspondant sensiblement à la fréquence de coupure basse d'un transducteur équipé uniquement d'un pavillon actif. La courbe 43 illustre le niveau sonore obtenu en adjoignant au transducteur dont le niveau sonore est représenté par la courbe 42, un pavillon auxiliaire ou passif conformément à l'invention et dont le fonctionnement est simulé et représenté par le graphe 41 comme explicité ci avant. Le graphe 43 montre que l'on obtient une amélioration des performances, par rapport au graphe 42, en basse fréquence, c'est à dire un niveau sonore plus élevé que celui de la courbe 42 particulièrement entre la fréquence 39 et la fréquence 45 de coupure basse du transducteur non équipé d'un pavillon passif selon l'invention ; on voit plus précisément que la fréquence de coupure 44 du transducteur équipé d'un pavillon passif peut être diminuée de façon notable par rapport à la fréquence 45 de coupure du transducteur classique. Par référence aux figures 1 et 2 le transducteur 1 comporte un boîtier 3 essentiellement cylindrique renfermant un moteur ou actionneur électrodynamique qui entraîne en déplacement en translation (selon l'axe 8 qui peut être l'axe de symétrie générale du transducteur est qui est également son action longitudinal), une bobine mobile 9 qui entraîne à son tour un pavillon 12 actif, en translation selon l'axe 8. Le boîtier 3 délimite une cavité principale 2 délimitée par les parois internes 16 du boîtier 3, par la face arrière d'une membrane 5 d'égalisation de pression, et par la face arrière de la membrane 14 active ou utile, qui est en contact avec le milieu extérieur pour la production des ondes sonores, et qui est vulcanisée sur le pavillon actif 12 et sur le pavillon passif 21. La membrane 5 de compensation qui est monté de façon hermétique dans les parois internes 16 du boîtier 3 permet de maintenir la pression statique de la cavité 2 sensiblement égale à la pression d'immersion, grâce à des orifices 6 prévus dans le fond 7 du boîtier 3 qui permettent de laisser pénétrer le fluide extérieur au boîtier 3 dans une cavité 4 délimité par ce boîtier 3 et par la membrane d'égalisation de pression 5. La face avant du transducteur comporte un première bride 25 et une deuxième bride 26 qui sont fixées sur le corps du boîtier 3 par des vis 27 et entre lesquelles est pincée la périphérie de la membrane 14 circulaire, grâce à un bourrelet 15 prévu à sa périphérie, favorisant son pincement et l'étanchéité. Sur la face interne de la membrane 14 sont vulcanisés d'une part le pavillon actif ou principal 12 au voisinage du centre de la membrane (c'est à dire de l'intersection du plan de cette membrane avec l'axe 8), lequel pavillon actif 12 a été préalablement fixé à une tige 10 de liaison mécanique avec la bobine 9 mobile par une vis 13, d'autre part le pavillon passif 21, et enfin une pièce 17 de découplage. Autour du pavillon actif 12 s'étend une onde ou ondulation 18 de la membrane 14 permettant un découplage mécanique entre le piston ou pavillon 12 et une couronne 17 intermédiaire liée rigidement au boîtier 3 et servant à assurer un découplage mécanique entre le mouvement du piston actif 12 ou pavillon actif, et du pavillon passif 21 en forme de couronne également et s'étendant au delà de la couronne 17. Une deuxième onde ou ondulation 19 de la membrane 14 est prévu entre la couronne 17 et le pavillon passif 21, de même qu'entre ce pavillon passif 21 et la bride 25 est prévue une ondulation 20. Les ondulations 18, 19, 20 permettent le déplacement axial des pavillons et la déformation correspondante de la membrane avec des efforts négligeables ; grâce à ces ondulations et au matériau souple constituant la membrane 14, la raideur axiale (selon l'axe 8) de cette liaison mécanique entre les pavillons et le corps du transducteur, est négligeable. Le pavillon passif 21 est fixé par sa face arrière et par l'intermédiaire de vis 24, à un ressort 22 en forme de lame repliée pour constituer un "S" comme illustré particulièrement figure 3. La couronne 21 formant le corps du pavillon passif est montée par l'intermédiaire de trois ressorts 22 fixés par leur deuxième extrémité à une pièce 23 solidaire du boîtier 3 et qui constituent les moyens de suspension élastiques du pavillon passif 21. Comme illustré figure 1 particulièrement, l'équipage mobile entraîné par le moteur électrodynamique, à savoir la bobine mobile 9 , la tige 10, et le pavillon principal 12, est monté par rapport au boîtier par l'intermédiaire d'une suspension 11 partiellement et schématiquement représentée, de type flector, constituée par une lame élastique s'étendant sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe 8, permettant le centrage et le maintien et le guidage en translation de l'équipage mobile selon l'axe 8 ; cette suspension est doté d'une grande raideur dans un plan perpendiculaire à l'axe 8 et d'une raideur relativement faible en translation selon cet axe 8 (bien que plus élevée que la raideur, selon le même axe, de la suspension du pavillon passif). Comme illustré particulièrement figure 3, chacun des ressorts 22 de préférence réalisés en matériau composite par moulage de fibres de verre par exemple imprégnés de résine, a la forme d'une lame comportant une partie centrale 32 plane prolongée à chacune de ses extrémités par une partie incurvée, respectivement 35, 36 elle même prolongée par une partie terminale 33, 34 munie d'orifices 37 permettant la fixation de chacune des extrémité du ressort. De préférence les parties planes d'extrémités 33, 34 sont sensiblement parallèles entre elles et perpendiculaire à la direction de travail de la suspension. Comme illustré particulièrement figure 5 les pavillons actif 12 et passif 21 et la couronne séparatrice 17 sont concentriques comme illustré également aux figures 1 et 2 ; dans la variante illustrée figure 6, par opposition à la figure 5, les pavillons actif 12 et passif 21 peuvent ne pas être concentriques. A titre d'exemple, on peut réaliser un transducteur dans lequel - la masse du pavillon actif est de l'ordre de 0,3 kilogramme, - la masse du pavillon passif est de l'ordre de 3 kilogramme, - la raideur de la suspension du pavillon actif est de l'ordre de 50.000 Newton par mètre, - la raideur de la suspension du pavillon passif est de l'ordre de 5 500 Newton par mètre, - la surface utile du pavillon actif est de l'ordre de 55-10-4 m2, - la surface utile du pavillon passif est de l'ordre de 200-10-4 m2, - le volume (rempli d'air) de la cavité est de l'ordre de deux litres. REVENDICATIONS 1. Transducteur électrodynamique compensé, comportant un pavillon actif (12) qui est entraîné en translation par une bobine mobile, caractérisé en ce qu'il comporte un pavillon passif (21) qui, associé au gaz contenu dans la cavité du transducteur qui est située à l'arrière du pavillon actif, constitue un résonateur dont la fréquence de résonance(38) est inférieure à celle de l'ensemble actif, la face arrière dudit pavillon passif étant soumise aux variations de la pression interne de ladite cavité (2). 2. Transducteur selon la revendication 1 dans lequel ladite fréquence de résonance du résonateur est comprise entre 5 et 50 Hertz. 3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la masse dudit pavillon passif est supérieure au double de la masse dudit pavillon actif. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel ledit pavillon passif est fixé par un ou plusieurs ressorts (22) en forme générale de lame. 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit pavillon passif est fixé et centré par au moins trois ressorts (22) identiques en forme de lame pliée en "S". 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le rapport de la raideur des moyens de suspension du pavillon actif à la raideur des moyens de suspension du pavillon passif est supérieur à 3. 7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel ledit pavillon passif est monté sur des ressorts (22) en matériau composite. 8. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit pavillon actif et ledit pavillon passif sont concentriques et sont vulcanisés sur une membrane commune (14) en matériau élastomère. 9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comportant une pièce fixe (17) disposée entre ledit pavillon passif et ledit pavillon actif. 10. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel le rapport de la surface utile du pavillon passif à la surface utile du pavillon actif est inférieur à 10 et supérieur à 1.