Brevet FR2748183A1 — publié le 19971031

La présente invention concerne un hydrophone utilisable notamment pour la réception des ondes acoustiques ou sismiques, et un procédé pour sa fabrication. Il est connu de constituer un hydrophone par assemblage d'éléments sensibles à des variations de pression constitué chacun d'un disque réalisé en une céramique piézo-électrique associé à une paire d'électrodes disposées de part et d'autre. Chaque disque est collé sur un support flexible tel qu'un diaphragme, dont l'une des faces est exposée aux variations de pression à mesurer. Le support flexible est par exemple en forme de coupelle qui peut être supportée par un boitier rigide ou bien encore être en appui sur une coupelle identique, elle-même porteuse d'un ou plusieurs élements sensibles, les deux coupelles étant en contact par un rebord et délimitant un boitier. Le support flexible est par exemple la partie centrale d'une plaque dont la partie périphérique est renforcée et rigide. Le boitier peut être délimité par deux plaques analogues en appui l'une contre l'autre par leurs parties périphériques plus épaisses et portant chacune un élément sensible. Les électrodes des deux éléments sensibles sont interconnectées électriquement de façon à assurer une compensation des effets parasites dus aux accélérations. Lorsque la pression statique extérieure augmente, les deux plaques fléchissent jusqu'à venir en appui l'une contre l'autre. Leur écartement est choisi de façon que leur déformation maximale lorsqu'elles sont plaquées l'une contre l'autre, reste dans les limites de déformation élastique. De cette façon, le capteur est protégé contre les surpressions accidentelles. Le boitier ainsi constitué peut être revêtu d'une couche d'un matériau transparent aux ondes acoustiques. Les éléments sensibles peuvent être fixés extérieurement au boitier, ce qui leur confere une sensibilité qui varie peu ( moins de 10% pour une pression statique de 10 MPa par exemple) avec les variations de la pression hydrostatique. On recouvre généralement les éléments sensibles par un revêtement protecteur (tel qu'une couche d'araldite enduite d'un vernis) de 2 2748183 façon à maintenir une isolation électrique suffisante entre les électrodes. Ce mode d'agencement permet d'obtenir à coût relativement faible des capteurs très sensibles. Suivant un autre agencement connu, les éléments sensibles sont fixés sur les faces intérieures des coupelles et donc à l'intérieur du boitier, ce qui leur assure une bonne protection contre le milieu extérieur. Cependant, avec cette disposition, les éléments sensibles piézoélectriques qui sont des disques de céramique frittés et donc relativement fragiles sont facilement endommagés par écrasement quand l'augmentation de la pression hydrostatique, en incurvant les plaques, vient les plaquer l'un contre l'autre. En outre, on constate que leur sensibilité diminue fortement avec l'augmentation de la pression hydrostatique, phénomène lié à leur fixation sur une face devenant convexe. De plus, les éléments sensibles étant à l'intérieur, il faut prévoir des traversées étanches pour la sortie des fils électriques reliés aux électrodes, ce qui augmente le coût de fabrication. On constate aussi que la sensbilité des hydrophones avec des éléments sensibles à l'intérieur du boitier est plus faible. Les fabricants sont conduits, pour pallier ce défaut, à augmenter la surface des disques sensibles. et de façon concomittante le diamètre et l'épaisseur des coupelles de support. Il est connu également de positionner un ou plusieurs de ces boitiers renfermant un ou deux éléments sensibles, à l'intérieur d'un tube rigide avec interposition de cales de centrage et de découplage acoustique en élastomère. Dans des applications en écoute sous-marine ou pour la prospection sismique, ces tubes sont répartis en grand nombre à l'intérieur d'une gaine souple souvent de très grande longueur ou "flûte sismique", remplie de kérosène ou d'huile minérale qui est remorquée en immersion par un navire. Pour protéger les boitiers, du liquide de remplissage, il est aussi connu, les boitiers étant préalablement placés dans des étuis protecteurs, de couler à l'intérieur de chaque tube un matériau de protection. Différents capteurs piézo-électriques sont décrits par exemple dans les brevets FR 1.556.971 et 2.122.675 et la demande de brevet FR 95/05331 tous au nom de l'un des demandeurs, ou les brevets US 3.970.878, 4.336. 639 ou 4 926 397. 3 2748183 L'hydrophone selon l'invention comprend au moins une unité de détection comportant un boitier constitué de deux coupelles en appui l'une contre l'autre par un rebord péripiphérique, chacune d'elle étant pourvue d'une partie centrale flexible, et au moins un élément sensible associé à des électrodes, qui est fixé à la partie centrale d'au moins une des coupelles, sur une face de celle-ci devenant concave quand elle est soumise à une augmentation de la pression statique régnant dans ce milieu, des conducteurs électriques reliés aux électrodes de chaque élément sensible, et un tube rigide pour contenir au moins un de ces boitiers. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un élément de centrage plat évidé réalisé en un matériau déformable, adapté à recevoir au moins un boitier et à être emboité dans le tube suivant un plan axial de celui-ci, cet élément de centrage étant pourvu d'une rainure intérieure pour l'encastrement du rebord périphérique des deux coupelles du boitier, et un revêtement étanche de protection pour l'unité de détection et une partie de la face intérieure du tube. L'élément de centrage peut être d'un seul tenant (fermé ou bien ouvert d'un côté), chaque boitier y étant placé (par enclipsage éventuellement), ou bien réalisé en deux parties disposées de part et d'autre d'un boitier. Chaque unité de réception comporte de préférence deux éléments sensibles associés respectivement aux deux coupelles de chaque boitier, lesquelles peuvent être réalisées par exemple par emboutissage. L'élément de centrage peut être englobé dans le revêtement étanche ou ôté après injection de la substance de revêtement, l'espace libéré pouvant être comblé par un nouvel apport de matériau amortisseur. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer un hydrophone comprenant au moins une unité de réception comportant un boitier constitué de deux coupelles en appui l'une contre l'autre, chacune d'elle étant pourvue d'une partie centrale flexible, et au moins un élément sensible associé à des électrodes, qui est fixé contre la partie centrale d'au moins une des coupelles, sur une face de celle-ci devenant concave quand elle est soumise à une augmentation de la pression statique extérieure, des conducteurs électriques 4 2748183 reliés aux électrodes de chaque élément sensible, et un tube rigide pour contenir au moins une unité de détection. L'hydrophone est caractérisé en ce qu'il comporte un élément de centrage plat évidé adapté à recevoir et maintenir au moins un boitier, cet élément de centrage étant destiné à être emboité dans le tube rigide, et un revêtement étanche de protection pour l'unité de détection et une partie de la face intérieure du tube. Suivant un mode de réalisation, les coupelles de chaque boitier sont en appui l'une contre l'autre par un rebord périphérique, et dans ce cas l'élément de centrage est pourvu de préférence d'une rainure intérieure pour l'encastrement du rebord périphérique des deux coupelles du boitier. L'élément de centrage peut être réalisé d'un seul tenant (éventuellement ouvert d'un côté) ou bien réalisé en deux parties entre lesquelles le boitier est maintenu. Suivant un mode de réalisation, chaque unité de réception comporte deux éléments sensibles associés respectivement aux deux coupelles de chaque boitier. Les coupelles utilisées sont réalisées par exemple par emboutissage. Suivant les cas, l'élément de centrage peut être englobé dans le revêtement étanche ou bien encore il peut être enlevé après formation du revêtement étanche de manière à supprimer tout couplage direct de l'unité de réception avec le tube rigide. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer un hydrophone comprenant au moins une unité de réception comportant un boitier constitué de deux coupelles en appui l'une contre l'autre par un rebord péripiphérique, chacune d'elle étant pourvue d'une partie centrale flexible, et au moins un élément sensible associé à des électrodes, qui est fixé à la partie centrale d'au moins une des coupelles, des conducteurs électriques reliés aux électrodes de chaque élément sensible, et un tube rigide pour contenir au moins une unité de détection. 2748183 Il est caractérisé en ce qu'il comporte successivement: - l'encastrement du boitier dans un élément de centrage plat évidé adapté à recevoir au moins un boitier; - l'introduction dans le tube rigide de l'élément de centrage contenant un boitier; - l'introduction dans le tube rigide d'une pièce de moulage en U à deux branches, destinée à combler sensiblement tout le volume intérieur restant du tube, de part et d'autre de l'élément de centrage excepté un espace d'épaisseur bien déterminée; et l'injection à l'intérieur du tube, dans le volume restant autour de l'élément de centrage, d'un matériau durcissable formant gaine de protection. Suivant un mode de mise en oeuvre, on retire l'élément de centrage après formation de la gaine de protection, de manière à supprimer tout couplage direct de l'unité de réception avec le tube rigide. On peut injecter dans une partie au moins de l'espace libéré par le retrait de l'élément de centrage, un matériau d'étanchéité pour bien isoler chaque unité de réception. On peut utiliser à cet effet un matériau amortisseur de vibrations de manière à découpler acoustiquement chaque unité de réception par rapport au tube rigide. L'hydrophone et son procédé de fabrication présentent de nombreux avantages: - les éléments sensibles sont collés à l'extérieur des coupelles, ce qui est favorable pour obtenir à la fois une bonne sensibilité et des dimensions réduites, et évite aussi l'utilisation de traversées étanches pour les fils électriques; - les coupelles peuvent être usinées mais également obtenues à prix réduit par tout procédé de formage, notamment par emboutissage; 6 2748183 - on utilise des éléments de centrage préfabriquées réalisés, en matière plastique, dans lesquels on introduit les boitiers d'éléments sensibles, qui réalisent leur centrage immédiat à l'intérieur du tube sans manipulation; - l'utilisation d'une pièce de moulage à deux branches que l'on introduit d'un côté du tube et qui vient s'emboiter de part et d'autre de l'élément de centrage, en laissant autour de lui un espace bien délimité pour la formation par injection d'une gaine d'étanchéité dont les dimensions précises garantissent une coefficient d'absorption des vibrations bien déterminé. De par sa conception d'ensemble et son mode de fabrication, l'hydrophone selon l'invention est à la fois de petites dimensions, il possède une bonne sensibilité, une bonne résistance aux variations de la pression statique extérieure et il peut être fabriqué en série avec des coûts de fabrication réduits. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention et de son procédé de fabrication, apparaîtront à la lecture de la description ci- après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig. 1 montre schématiquement en coupe d'une unité de réception; - la Fig.2 montre l'élément de centrage dans lequel s'enclipse le boitier de l'unité de réception; - la Fig.3 montre une variante en deux parties de l'élément de centrage; - la Fig.4 montre une variante du mode de réalisation de la Fig.2 avec une extrémité ouverte; - la Fig.5 montre schématiquement le dispositif avec son tube contenant l'unité de réception; - la Fig.6 illustre le procédé de fabrication avec introduction de la pièce de moulage dans le tube, pour confiner un espace d'injection autour du boitier enclipsé; 7 2748183 - la Fig.7 montre un mode de réalisation o l'élément de centrage est retiré après injection et solidification de la substance formant la gaine; et - la Fig.8 montre une variante du mode de réalisation précédent o l'on occulte une partie de l'espace libéré par le retrait de l'élément de centrage par des pièces de moulage 15. Le dispositif comporte une ou plusieurs unités de réception 1 comprenant chacune (Fig. 1) un boitier constitué de deux coupelles identiques 2a, 2b disposées symétriquement, en appui l'une de l'autre à leur périphérie, pourvues par exemple d'un bord ou un rebord d'appui 3. Les deux coupelles peuvent être usinées ou bien réalisées par un procédé de formage, notamment par emboutissage. Contre la face de la partie centrale flexible de chacune des coupelles 2a, 2b, est collé un élément sensible tel qu'un disque en céramique piézo-électrique par exemple associé à deux électrodes 5, chacune électriquement connectée à un fil conducteur 5a, 5b. L'électrode 5b de chaque élément sensible peut être constituée d'un film conducteur interposé entre le disque sensible et la face d'appui de la coupelle 2a, 2b ou bien d'une face conductrice de celle-ci contre laquelle le disque est appliqué. De préférence, suivant un mode de connexion classique, les électrodes Sa, 5b des deux éléments sensibles sont respectivement interconnectés. A chaque unité de réception 1, est associé (Fig.2, 3) un élément de centrage plat et mince 6 en un matériau plastique avec un évidement central. 7 de dimensions adaptées à celle du boitier 2a, 2b. Deux bords opposés de cet évidement central 7 sont pourvus de rainures 8 d'écartement d entre lesquelles peuvent venir s'enclipser les rebords 3 des coupelles. L'élément de centrage peut être réalisé d'un seul tenant (Fig.2), ou en deux parties 6a, 6b pourvues de rainures complémentaires 8 dans lesquelles le rebord 3 est engagé (Fig. 3). Deux bords opposés de l'élément de centrage 6 sont arrondis. Leur écartement D est adapté au diamètre intérieur d'un tube rigide 9 (Fig.5) dans lequel l'élément de centrage 6 après encastrement du boitier 2a, 2b doit être placé. Les deux autres bords de l'élément de centrage sont traversés par des ouvertures 10. 8 2748183 Suivant le mode de réalisation de la Fig.4, l'un des deux bords est supprimé, l'élément de centrage 6 étant ouvert de ce côté. L' élément de centrage 6 avec son unité de réception encastrée 1, après sa mise en place dans le tube 9, est noyé (Fig.5) dans une gaine d'étanchéité 11 d'épaisseur contrôlée. A cet effet, on associe à l'ensemble (1, 6) dans son tube rigide 9, une pièce de moulage 12 formant un U (Fig.6). Les deux branches 13a, 13b de ce U sont adaptées à venir s'emboiter à l'intérieur du tube 9 de part et d'autre de l'ensemble 1, 6, en laissant autour de lui un espace d'épaisseur bien déterminée. Dans cet espace laissé libre autour de l'ensemble 1, 6, on injecte une matériau plastique acoustiquement transparent par les ouvertures 10 ménagées dans les extrémités de la pièce de centrage. Après durcissement par polymérisation par exemple, et retrait de la pièce de moulage 12, 13, le revêtement gaine de façon étanche l'unité de réception 1 dans son élément de centrage 6 en épousant bien la paroi intérieure du tube rigide 9 (Fig.5). Suivant le mode de réalisation de la Fig.7, on retire les deux parties 6a, 6b de l'élément de centrage (cf. mode de réalisation de la Fig.3), après solidification de la gaine de protection. Tout contact direct entre le boitier (2a, 2b) et le tube extérieur rigide 9, source possible de transmission directe de vibrations, est alors supprimé. Cet espace libéré 14 peut rester vide de matière mais il peut être aussi rempli par injection d'un matériau plastique de préférence amortisseur de vibrations, soit en totalité soit seulement en partie (Fig.8) par interposition avant injection de pièces de moulage 14, pour améliorer l'amortissement des vibrations parasites appliquées aux coupelles 2a, 2b susceptibles de parasiter les signaux. On a décrit un mode de réalisation o le tube rigide 9 utilisé est un cylindre de révolution. Un tel tube rigide convient particulièrement dans les applications o les unités de réception doivent être disposées à intervalles réguliers dans une flûte sismique remorquable par un navire pour des applications en écoute sous-marine ou en prospection sismique. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en utilisant tout autre contenant dont la forme serait la plus appropriée pour l'utilisation envisagée. 9 2748183 On a décrit aussi un mode de réalisation o les coupelles 2a, 2b de chaque boitier sont pourvues de rebords 3 et l'élément de centrage 6 est pourvu de rainures 8 pour le maintien de ces rebords. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des coupelles sans rebord en appui l'une contre à leur périphérie, et un élément de centrage 6 adapté à maintenir suffisamment un ou plusieurs boîtiers durant les opérations ultérieures de mise en place dans le tube 9. REVENDICATIONS 1) Hydrophone comprenant au moins une unité de détection (1) comportant un boitier constitué de deux coupelles (2a, 2b) en appui l'une contre l'autre, chacune d'elle étant pourvue d'une partie centrale flexible, et au moins un élément sensible (4) associé à des électrodes (5), qui est fixé contre la partie centrale d'au moins une des coupelles, des conducteurs électriques (5a) reliés aux électrodes (5) de chaque élément sensible (4), et un tube rigide (9) pour contenir au moins une unité de détection, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de centrage plat évidé (6) adapté à recevoir et maintenir au moins un boitier, cet élément de centrage étant destiné à être emboité dans le tube rigide (9), et un revêtement étanche de protection (1 1) pour l'unité de détection (1) et une partie de la face intérieure du tube rigide (9). 2) Hydrophone selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les coupelles (2a, 2b) de chaque boitier sont en appui l'une contre l'autre par un bord périphérique (3). 3) Hydrophone selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est pourvu d'une rainure intérieure (8) pour l'encastrement du bord périphérique (3) des deux coupelles (2a, 2b) du boitier. 4) Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est réalisé d'un seul tenant. ) Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est réalisé en deux parties (6a, 6b) entre lesquelles le boitier est maintenu. 6) Hydrophone selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est réalisé en une seule partie en forme de U avec deux branches entre lesquelles le boitier est maintenu. il 2748183 7) Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque unité de réception comporte deux éléments sensibles associés respectivement aux deux coupelles (2a, 2b) de chaque boitier. 8) Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coupelles (2a, 2b) sont réalisées par un procédé de formage, notamment par emboutissage. 9) Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est englobé dans le revêtement étanche. ) Hydrophone selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément de centrage (6) est amovible après formation du revêtement étanche. 11) Procédé de fabrication d'un hydrophone comprenant au moins une unité de réception (1) comportant un boitier constitué de deux coupelles (2a, 2b) en appui l'une contre l'autre, chacune d'elle étant pourvue d'une partie centrale flexible, et au moins un élément sensible (4) associé à des électrodes (5), qui est fixé contre la partie centrale d'au moins une des coupelles, des conducteurs électriques (Sa) reliés aux électrodes de chaque élément sensible (4), et un tube rigide (9) pour contenir au moins une unité de détection, caractérisé en ce qu'il comporte successivement: - l'encastrement du boitier dans un élément de centrage plat évidé (6) adapté à recevoir au moins un boitier; - l'introduction dans le tube rigide (9) de l'élément de centrage contenant un boitier; l'introduction dans le tube rigide (9) d'une pièce de moulage en U à deux branches, destinée à combler sensiblement tout le volume intérieur restant du tube rigide (9) de part et d'autre de l'élément de centrage (6) excepté un espace d'épaisseur bien déterminée; et - l'injection à l'intérieur du tube, dans le volume restant autour de l'élément de centrage (6), d'un matériau durcissable formant gaine de protection (11). 12 2748183 12) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte le retrait de l'élément de centrage (6) après formation de la gaine de protection (11), de manière à supprimer tout couplage direct de l'unité de réception (1) avec le tube rigide (9). 13) Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte l'injection d'un matériau dans une partie au moins de l'espace libéré par le retrait de l'élément de centrage (6), d'un matériau d'étanchéité pour isoler chaque unité de réception. 14) Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on choisit comme matériau d'étanchéité, un matériau amortisseur de vibrations, de manière à découpler acoustiquement chaque unité de réception (1) par rapport au tube rigide (9).