Brevet FR2776161A1 — publié le 19990917

ANTENNE D'EMISSION ACOUSTIQUE ANNULAIRE DEMONTABLE La présente invention se rapporte aux antennes d'émission acoustiques qui présentent la forme d'un anneau et qui sont démontables. De telles antennes sont particulièrement utiles pour les sonars basse fréquence à longue portée. On connaît de la demande de brevet n0 9415587 déposée par la société THOMSON-CSF le 23 décembre 1994 sous le titre: "Transducteur acoustique en anneau précontraint" et publiée le 4 juin 1996 sous le n 2 728 755, un transducteur de ce type essentiellement caractérisé en ce que l'anneau piézoelectrique émetteur est réalisé sous forme de segments placés à l'intérieur d'une couronne métallique ou composite formant frette. Ces segments sont séparés les uns des autres par des pièces métalliques en forme de coins. Un dispositif à base de vis permet de faire mouvoir les coins vers le centre de l'anneau, ce qui tend à écarter les segments les uns des autres. Les segments sont ainsi plaqués contre la couronne de frettage et on obtient une précontrainte de l'ensemble des segments. Un intérêt majeur de cette construction est de rendre le dispositif entièrement démontable très facilement, pour pouvoir par exemple remplacer une pièce défectueuse. En outre, on peut très facilement régler la précontrainte en ajustant les vis jusqu'à ce que les caractéristiques souhaitées, qui sont alors mesurées en permanence pendant cette action, soient obtenues. On peut facilement réaliser un tel transducteur d'émission avec un diamètre situé dans une gamme de dimensions relativement importante. Il est toutefois plus difficile, pour des raisons tant mécaniques qu'acoustiques, de fabriquer un transducteur de ce type avec une hauteur relativement importante. Pour obtenir une puissance d'émission suffisante, dont on sait qu'elle est nécessaire dans les gammes de fréquences basses auxquelles s'applique plus particulièrement ce genre de transducteur, on est alors amené à utiliser plusieurs transducteurs distincts de même type. Ceci peut se faire par exemple en fixant les transducteurs sur un bâti commun qui les maintient à une distance convenable pour obtenir les caractéristiques acoustiques souhaitées. La présence d'un tel bâti entraîne bien entendu une augmentation de la masse inactive par rapport à la masse active constituée par les éléments transducteurs eux-mêmes. Ceci ne présente pas dans certains cas, pour un sonar de coque par exemple, des inconvénients très importants. Dans d'autres cas par contre, en particulier lorsque l'antenne d'émission est placée dans un corps remorqué par un bateau, on a besoin d'avoir le poids le plus faible possible pour réduire en conséquence la masse du câble de remorquage, afin aussi bien de réduire la traînée que de faciliter la manutention de ce câble. Pour pouvoir diminuer cette masse inactive, I'invention propose une antenne d'émission acoustique annulaire démontable, du type comprenant au moins un anneau précontraint formé d'un ensemble de segment piézoélectrique groupés pour former des secteurs sensiblement identiques, de pièces d'extrémité fixées sur ces secteurs pour délimiter entre eux des intervalles en forme de coin, et de cales de serrage en forme de coin adaptées à ces intervalles et placées dans ceux-ci, une frette conformatrice permettant de maintenir l'ensemble des secteurs, et des moyens de permettant de faire glisser les cales de serrage vers I'intérieur de l'anneau pour précondraindre les segments sur la frette, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'anneaux sensiblement identiques superposés les uns au dessus des autres de manière à ce que les cales de serrage soit en vis-à-vis les unes des autres, deux couronnes profilées de même diamètre que les anneaux précontraints et placées respectivement aux deux extrémités de l'empilage, et un ensemble de tirants de fixation traversant respectivement les groupes de cales superposées par l'intermédiaire de trous longitudinaux forés dans ces cales pour être fixés aux couronnes profilées afin de presser les anneaux les uns contre les autres. Selon une autre caractéristique, elle comprend deux enveloppes en matériau élastique venant recouvrir respectivement les faces extérieure et intérieure du cylindre formé par l'empilement d'anneaux, et comportant chacune des rebords venant s'ancrer dans des gorges périphériques ménagées dans les faces des couronnes profilées situées de l'autre côté des faces de ces couronnes venant s'appuyer sur les anneaux. Selon une autre caractéristique, elle comprend en outre deux flasques en forme de couronnes fixées respectivement sur lesdites surfaces des couronnes profilées pour maintenir lesdits rebords dans lesdites gorges périphériques. Selon une autre caractéristique, elle comporte des couronnes isolantes insérées entre les anneaux superposés. Selon une autre caractéristique, elle comporte en outre des anneaux en matière élastique interposés entre les couronnes profilées et les anneaux isolants situés sous ces couronnes pour découpler acoustiquement les anneaux de la structure de maintien de ceux-ci. Selon une autre caractéristique, les tirants de fixation forment des vis dont les têtes viennent s'appuyer sur la face extérieure de l'une des couronnes profilées et dont les autres extrémités sont filetées et viennent se visser dans des trous borgnes taraudés, forés sur la face intérieur de l'autre couronne profilée. Selon une autre caractéristique, le connecteur d'alimentation de l'antenne et l'embout de gonflage de celle-ci sont fixés sur des supports élastiques eux-mêmes fixés sur la paroi externe de l'enveloppe intérieure de protection de l'antenne. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qu représentent: - la figure 1, un couronne élémentaire, conforme à 1'état de Il'art; - la figure 2, une vue en coupe écorchée partielle d'une antenne selon l'invention; - la figure 3, une vue en perspective d'un coin de serrage d'une couronne et d'un tirant d'assemblage qui lui est associé; et - la figure 4, une vue en coupe de deux couronnes profilées d'extrémité permettant l'assemblage des anneaux élémentaires. On a représenté sur la figure 1 un anneau élémentaire permettant d'obtenir par assemblage une antenne selon l'invention. Cet anneau est conforme à celui décrit dans la demande de brevet citée plus haut. Les éléments actifs de cet anneau sont formés d'un ensemble de segments trapezoiïdals 101 en céramique piézoélectrique disposés les unes contre les autres avec des polarisations alternées pour constituer les secteurs 102 d'un anneau circulaire. Ces secteurs sont assemblés à l'intérieur d'une frette 108 qui permet de les maintenir pour obtenir la forme de l'anneau circulaire destiné à émettre des ondes acoustiques sous une symétrie radiale. Pour maintenir ces secteurs en place dans la frette, on a placé entre leurs extrémités des ensembles formés de deux coins 106 séparés par une cale 109. Les coins 106 ont leur grande base à l'intérieur de l'anneau et leur petite base du côté de la frette. Les cales 109 ont leur petite base dirigée vers l'intérieur de l'anneau et leur grande base vers la frette. Ces cales 109 comportent sur leur petite base des trous taraudés 1 0 dans lesquels viennent se visser des vis 111 muni de rondelles 112. Ces rondelles sont suffisamment larges pour déborder de la petite base des cales 109 et venir s'appuyer sur les grandes bases des coins 106. De cette manière, en vissant les vis 111 on fait glisser les cales 109 vers I'intérieur de l'anneau, tout en maintenant les coins 106 plaqués contre la frette 108. Les coins 106 s'écartent donc en venant comprimer les segments 1 02 et en plaquant ceux-ci contre la face intérieure de la frette 108. Selon l'invention, on place les uns au dessus des autres un certain nombre d'anneaux tels que celui décrit ci- dessus pour obtenir un cylindre émetteur dont les caractéristiques d'émission, la puissance disponible sans détérioration en particulier, sont celles souhaitées. Dans l'exemple représenté sur la figure 2 on a utilisé trois anneaux 201 à 203. Pour pouvoir assurer l'isolation électrique entre ces anneaux, tout en assurant un couplage acoustique correct, on a interposé entre ceux-ci des couches isolantes 204 fabriquées avec un matériau présentant les caractéristiques nécessaires, par exemple un matériau plastique connu sous la marque déposée "DELRIN". Une épaisseur d'environ 1 mm d'un tel matériau permet d'obtenir les caractéristiques souhaitées. Les anneaux sont placés les uns sur les autres de telle manière que les segments actifs 102 soit superposés en continuité les uns des autres, ce qui entraîne que les coins 106 et les cales 109 sont eux- mêmes superposés les uns par rapport aux autres. Pour assembler ces anneaux ensemble, on a pratiqué dans les cales 109 des trous longitudinaux 205, un par cale, qui relient la face supérieure et la face inférieure de ces cales, comme représenté en figure 3. Les trous taraudés 110 sont d'une profondeur suffisamment faible pour ne pas déboucher dans le trou 205, afin de ne pas risquer de perturber l'assemblage décrit ci-dessous. Les trous 205 de chacune des cales superposées sont alors dans le prolongement les uns des autres, ce qui permet d'y faire passer des tirants d'assemblages 206 qui permettent de solidariser les anneaux les uns avec les autres. Pour cela, on utilise deux couronnes 207 et 208 dont les faces en contact avec les anneaux émetteurs 201 à 203 sont planes et les faces situées de l'autre côté sont usinées en forme de profilé avec des gorges dont la fonction sera décrite plus loin. Dans une réalisation préférée, le profilé inférieur 208 est percé de trous qui sont en regard des trous 205 de l'anneau 203, afin de permettre d'y faire passer les tirants 206 qui sont en formes de vis dont les têtes viennent s'appuyer sur la face externe de ce profilé 208. Les autres extrémités des tirants 206 sont filetées et viennent se visser dans des trous borgnes taraudés 209 percés dans le profilé 207 à l'aplomb des tiges 206. Ce mode de construction est le plus simple, mais on pourrait utiliser d'autres variantes telles que par exemple un trou débouchant sur la face supérieure du profilé 207 et un écrou venant se visser sur la vis 206, ou des tiges filetées aux deux bouts venant traverser les deux profilés 207 et 208 et munies à chacunes de leurs extrémités d'écrous destinés à assurer la fixation de l'ensemble. Dans cette réalisation, pour isoler les segments des profilés 207 et 208, on utilise au point de vue électrique des couronnes 209 et 210 identiques aux couronnes 204, et au point de vue acoustique des couronnes 211 et 212 en matière élastique relativement épaisse, du caoutchouc de 4 mm d'épaisseur par exemple, qui séparent ces profilés des segments piézoélectriques émetteurs. Sur la figure ces couronnes ont été représentées coupées pour montrer la superposition des couches, en particulier au niveau de la cale 109. On pourrait éventuellement utiliser une couronne unique en caoutchouc, en sélectionnant une variété de caoutchouc suffisamment isolante. Les profilés 207 et 208 présentent donc une face inférieure plane permettant de s'appuyer sur les couronnes en caoutchouc et une face supérieure présentant des gorges périphériques extérieure 213 et intérieure 214. Les faces extérieures et intérieures de cet ensemble sont recouvertes de deux couches de caoutchouc respectivement 21 5 et 21 6 qui forment des enveloppes destinés à assurer l'étanchéité de l'empilement vis à vis des agents extérieurs, en particulier de l'eau de mer dans lequel le dispositif doit être immergé. Ces enveloppes présentent à leurs extrémités des rebords 217 et 218, obtenus par exemple par usinage ou par moulage, qui viennent s'encastrer respectivement dans les gorges 213 et 214. A titre de variante on pourrait utiliser des profilés présentant plusieurs gorges successives adaptées à un moulage adéquat des rebords des enveloppes, de manière à augmenter la longueur du joint entre ces rebords et ces gorges pour obtenir une meilleure étanchéité. L'étanchéité est elle-même obtenue en pressant les rebords dans les gorges à l'aide de deux flasques de fixation supérieure et inférieure 219 et 220 en forme de couronnes qui sont assemblées sur les profilés par des vis 221. Dans cet exemple de réalisation, ces flasques présentent un épaulement médian 222 qui vient s'appuyer contre une saillie circulaire médiante 223 ménagée sur le dessus des profilés et concentrique à la gorge 213, de manière à pouvoir centrer sans difficulté chaque flasque sur le profilé correspondant, en l'emboîtant à la manière d'un couvercle. A titre de variante, on peut usiner les couronnes pour éliminer la surépaisseur intérieure 230, correspondant au décalage en hauteur de la gorge 314 par rapport à la gorge 21 5, afin de dimininuer au maximum le poids inactif de l'ensemble. Pour pouvoir alimenter par les signaux électriques d'excitation les segments des anneaux 201 à 203, on utilise un connecteur multifilaire 224, qui est placé dans un embout 225 réalisé dans le même matériau, du caoutchouc par exemple, que Il'enveloppe intérieure 216. Cet embout est fixé sur la face extérieur de cette enveloppe intérieure de manière à faire saillie dans l'espace intérieur du transducteur. La fixation s'effectue par tout moyen connu pour relier des pièces en matériau de cette nature, par vulcanisation par exemple. De la même manière une valve 226, permettant le remplissage de l'espace intérieur du transducteur avec un fluide approprié, de l'huile par exemple, est fixé à l'aide d'un embout 227 sur l'enveloppe intérieure 216. Dans un exemple de réalisation d'une telle antenne d'émission, on a assemblé trois anneaux comportant chacun 14 segments et dont les diamètres intérieurs et extérieurs sont sensiblement de 450 et 600 mm. Le rapport masse active/masse totale de ce dispositif est supérieur à %, ce qui est une valeur particulièrement remarquable. Par ailleurs I'antenne ainsi obtenue est, comme on peut le constater, entièrement démontable et remontable, ce qui permet de remplacer facilement et rapidement un segment qui se révélerait défectueux. Pour fixer l'antenne sur son support, la structure de maintien d'un poisson remorqué par exemple, on utilise l'une ou l'autre, ou les deux flasques 219 et 220. Les couches de caoutchouc 211 permet alors de découpler acoustiquement l'antenne de cette structure. REVENDICATIONS 1 - Antenne d'émission acoustique annulaire démontable, du type comprenant au moins un anneau précontraint (201) formé d'un ensemble de segment piézoélectrique (101) groupés pour former des secteurs sensiblement identiques (102), de pièces d'extrémité (106) fixées sur ces secteurs pour délimiter entre eux des intervalles en forme de coin, et de cales de serrage (109) en forme de coin adaptées à ces intervalles et placées dans ceux-ci, une frette conformatrice (108) permettant de maintenir l'ensemble des secteurs, et des moyens de serrage (110-112) permettant de faire glisser les cales de serrage vers l'intérieur de l'anneau pour précondraindre les segments sur la frette, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'anneaux précontraints (201-203) sensiblement identiques superposés les uns au dessus des autres de manière à ce que les cales de serrage soit en vis-à-vis les unes des autres, deux couronnes profilées (207,208) de même diamètre que les anneaux précontraints et placées respectivement aux deux extrémités de l'empilage, et un ensemble de tirants de fixation (206) traversant respectivement les groupes de cales superposées par l'intermédiaire de trous 205 longitudinaux forés dans ces cales pour être fixés aux couronnes profilées afin de presser les anneaux les uns contre les autres. 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux enveloppes en matériau élastique (21 5-21 6) venant recouvrir respectivement les faces extérieure et intérieure du cylindre formé par l'empilement d'anneaux, et comportant chacune des rebords (217, 218) venant s'ancrer dans des gorges périphériques (213,214) ménagées dans les faces des couronnes profilées situées de l'autre côté des faces de ces couronnes venant s'appuyer sur les anneaux. 3 - Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre deux flasques en forme de couronnes (219-220) fixées respectivement sur lesdites surfaces des couronnes profilées pour maintenir lesdits rebords dans lesdites gorges périphériques. 4 - Antenne selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des couronnes isolantes (204) insérées entre les anneaux superposés. 5 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des anneaux en matière élastique (211) interposés entre les couronnes profilées et les anneaux isolants situés sous ces couronnes pour découpler acoustiquement les anneaux de la structure de maintien de ceux-ci. 6 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les tirants de fixation (206) forment des vis dont les têtes viennent s'appuyer sur la face extérieure de l'une des couronnes profilées et dont les autres extrémités sont filetées et viennent se visser dans des trous borgnes taraudés, forés sur la face intérieur de l'autre couronne profilée. 7 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le connecteur d'alimentation de l'antenne 224 et I'embout de gonflage de celle-ci (226) sont fixés sur des supports élastiques (225-227) eux-mêmes fixés sur la paroi externe de l'enveloppe intérieure (21 6) de protection de l'antenne.