Brevet FR2792802A1 — publié le 20001027

La présente invention concerne un hydrophone pour la réception des ondes acoustiques ou sismiques. L'état de la technique dans le domaine des hydrophones piézo- électriques, est illustré par exemple par les brevets FR 1.556.971, 2. 122.675 io 2.733.831 ou 2.748.183 ou les brevets US 3.970.878, 4.336. 639 ou 4 926 397, 541 894 ou 5 815 466. 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 piézoélectrique 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 un diaphragme supporté par un boîtier rigide ou bien encore ou bien la partie centrale d'une coupelle dont la partie périphérique est renforcée et rigide, en appui sur une coupelle identique, elle-même porteuse d'un ou plusieurs éléments sensibles, les deux coupelles délimitant un boîtier. 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. o10 Les éléments sensibles peuvent être fixés extérieurement au boîtier et recouverts d'un revêtement protecteur (tel qu'une couche d'araldite enduite d'un vernis) de façon à maintenir une isolation électrique suffisante entre les électrodes. La sensibilité de ce type d'hydrophone est bonne et varie peu (moins de 10% pour une pression statique de 10 MPa par exemple) avec la !5 pression hydrostatique. Suivant un autre agencement connu, les éléments sensibles sont fixés sur les faces intérieures des coupelles et donc à l'intérieur du boîtier, 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 risquent d'être endommagés par écrasement quand l'augmentation de la pression hydrostatique, en incurvant les plaques, vient les plaquer l'un contre l'autre. La sensibilité des hydrophones avec des éléments sensibles à l'intérieur du boîtier est plus faible et elle diminue fortement avec l'augmentation de la pression hydrostatique, phénomène que l'on attribue à leur mode de fixation sur une face devenant convexe. Il est également connu de combiner les deux types précédents dans un hydrophone à deux diaphragmes délimitant un boîtier clos, chacun d'eux portant une paire d'éléments sensibles, l'un à l'extérieur du boîtier, l'autre à l'intérieur, les deux paires étant électriquement interconnectées en parallèle de façon à compenser certains des inconvénients inhérents aux deux modes, mais cette solution est relativement coûteuse. Un inconvénient commun des hydrophones à montage symétriques, avec une paire unique d'éléments sensibles tous les deux soit à l'intérieur du boîtier, soit à l'extérieur, reste, comme le montre la Fig.9, la variation !o relativement importante de leur capacité électrique avec la pression hydrostatique. Elle augmente avec la pression quand les éléments sensibles sont à l'intérieur (courbe Cint.) alors qu'elle diminue quand ils sont à l'extérieur (courbe Cext). L'hydrophone selon l'invention permet avec une seule paire d'éléments sensibles, d'éviter les inconvénients des hydrophones antérieurs à montage symétrique. Il comporte un boîtier clos délimité par deux coupelles (réalisées par exemple par un procédé de formage, notamment par emboutissage) ces deux coupelles étant en appui l'une contre l'autre, chacune d'elles étant pourvue d'un diaphragme flexible et au moins deux éléments sensibles piézoélectriques associés chacun à des électrodes et interconnectés électriquement, ces deux éléments sensibles étant fixés respectivement aux diaphragmes, l'un à l'extérieur du boîtier, l'autre à l'intérieur du boîtier. Suivant un mode préféré de réalisation, 1' hydrophone comporte au moins deux éléments sensibles de tailles différentes et par exemple de diamètres différents. On interconnecte électriquement entre elles par exemple les électrodes des éléments sensibles non en contact avec les coupelles et les électrodes en contact avec les coupelles. L'hydrophone selon l'invention avec une seule paire d'éléments sensibles, combine les avantages des hydrophones antérieurs. Sa capacité inter- électrodes est sensiblement constante dans une gamme de pression étendue et, si les éléments sensibles sont de taille différente, on obtient une sensibilité qui est du même ordre de grandeur que celle obtenue avec un montage symétrique extérieur au boîtier. Suivant un mode de réalisation, l'hydrophone comporte un tube rigide pour contenir au moins une unité de détection, un élément de centrage plat évidé adapté à recevoir et maintenir au moins un boîtier, cet élément de centrage étant destiné à être emboîté dans le tube rigide, et un revêtement étanche de protection pour chaque boîtier et une partie de la face intérieure du tube rigide. Suivant un mode de réalisation, les coupelles de chaque boîtier sont en appui l'une contre l'autre par un bord périphérique et l'élément de centrage (réalisé d'un seul tenant ou en deux parties et amovible une fois que l'on a réalisé un revêtement étanche) est pourvu d'une rainure intérieure pour l'encastrement du bord périphérique des deux coupelles du boîtier. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig. 1 montre schématiquement l'unité de détection de l'hydrophone, vue s en coupe, avec un montage dissymétrique d'éléments sensibles - la Fig.2 montre l'élément de centrage dans lequel s'enclipse le boîtier 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 boîtier enclipsé; - 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 - 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; - la Fig.9 montre schématiquement l'allure des courbes de variation de la capacité inter-électrodes C des éléments sensibles en fonction de la pression dans le cas d'un montage symétrique extérieur (courbe Cext.), d'un montage symétrique intérieur (Cint.) et dans le cas d'un montage dissymétrique (Cint./ext.) retenu pour l'hydrophone selon l'invention; et - la Fig.10 montre à titre de comparaison l'allure de la courbe de variation de la sensibilité (Sdissym.) en fonction de la pression, de l'hydrophone selon l'invention, et la sensibilité (Ssym.) que l'on peut obtenir avec un montage symétrique classique. L'hydrophone comporte un boîtier 1 (Fig. 1) constitué de deux coupelles identiques 2, 3 disposées symétriquement, en appui l'une contre l'autre à leur périphérie, pourvues chacune par exemple d'un bord ou un rebord d'appui 4 et io d'une partie centrale flexible 5. Les deux coupelles peuvent être usinées ou bien réalisées par emboutissage. Contre la face externe de la partie centrale flexible de la coupelle 2 par exemple, est collé un élément sensible 6 tel qu'un disque en céramique piézo- électrique par exemple associé à deux électrodes 7a, 7b. Un élément sensible i5 analogue 8 associé pareillement à des électrodes 9a, 9b, est fixé à la face interne de la partie flexible 4 de la coupelle 3. Par une traversée étanche telle qu'une perle de verre, Un conducteur électrique 10 est associé à l'électrode 9a de l'élément sensible intérieur 8. Il est connecté électriquement avec un conducteur 1 1 associé à l'électrode 7a de l'élément sensible 6. Les électrodes opposées 7b, 9b de ces mêmes éléments sensibles sont en contact électrique avec les coupelles 2, 3 et avec un autre conducteur 12 soudé au boîtier 1. Dans le cas o le boîtier est réalisé en un matériau isolant, l'interconnexion électrique des électrodes 7b et 9b est bien sûr assurée directement par des fils électriques distincts. Avec ce montage dissymétrique, on vérifie que la capacité globale de l'hydrophone est sensiblement indépendante de la pression statique exercée par le milieu o il est plongé (courbe Cint./ext. sur la Fig.9), mais que sa sensibilité est relativement faible (courbe Sdissym. sur la Fig. 10) si les éléments sensibles 6, 8 sont identiques. On a vérifié aussi que, l'on obtenait une sensibilité élevée (courbe S'dissym. sur la Fig.10), en choisissant des éléments sensibles de dimensions différentes, comme le montrent les résultats expérimentaux suivants. Ils ont été obtenus avec des disques piézoélectriques respectivement de 12mm et 11 mm. pression\résultats Sensibilité en dB Sensibilité en V/bar Capacité en nF en bars 0 -192,4 23,9 17,3 1 -192,1 24,8 17,4 2 -192,5 23,7 17,5 3 -192,7 23,2 17,5 4 -192,8 23 17,5 -192,8 22,9 17,4 6 -192,3 22,4 17,3 L'unité de réception 1 ainsi constitué peut être simplement enrobée dans un revêtement transparent aux ondes acoustiques. De préférence, on l'intègre dans un ensemble de protection comprenant (Fig.2, 3) un élément de centrage plat et mince 13 en un matériau plastique i5 avec un évidement central 14 de dimensions adaptées à celle du boîtier 1. Deux bords opposés de cet évidement central 14 sont pourvus de rainures 15 d'écartement d entre lesquelles peuvent venir s'enclipser les rebords 4 des coupelles 2, 3. L'élément de centrage peut être réalisé d'un seul tenant (Fig.2), ou en deux parties 13a, 13b pourvues de rainures complémentaires 15 dans lesquelles le rebord 4 est engagé (Fig.3). Deux bords opposés de l'élément de centrage 13 sont arrondis. Leur écartement D est adapté au diamètre intérieur d'un tube rigide 16 (Fig. 5) dans lequel l'élément de centrage 13 après encastrement du boîtier 1 doit être placé. Les deux autres bords de l'élément de centrage 13 sont traversés par des i0 ouvertures 17. Suivant le mode de réalisation de la Fig.4, l'un des deux bords est supprimé, l'élément de centrage 13 étant ouvert de ce côté. L' élément de centrage 13 avec son unité de réception encastrée 1, après sa mise en place dans le tube 16, est noyé (Fig.5) dans une gaine d'étanchéité 18 d'épaisseur contrôlée. A cet effet, on associe à l'ensemble (1, 13) dans son tube rigide 16, une pièce de moulage formant un U (Fig.6). Les deux branches l9a, 19b de ce U sont adaptées à venir s'emboîter à l'intérieur du tube 16 de part et d'autre de l'ensemble 1, 13, en laissant autour de lui un espace d'épaisseur bien déterminée. Dans cet espace laissé libre autour de l'ensemble 1, 13, on injecte une matériau plastique acoustiquement transparent par les ouvertures 17 ménagées dans les extrémités de la pièce de centrage. Après durcissement par polymérisation par exemple, et retrait du U de moulage 19a, 19b, le revêtement gaine l'unité de réception 1 dans son élément de centrage 13 en épousant bien la paroi intérieure du tube rigide 16 (Fig.5). Suivant le mode de réalisation de la Fig.7, on retire les deux parties 13a, 13b 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 boîtier 1 et le tube extérieur rigide 16, source possible de transmission directe de vibrations, est alors supprimé Cet espace libéré 20 peut rester vide de matière mais il peut être aussi rempli en totalité par injection d'un matériau d'étanchéité de préférence amortisseur de vibrations, soit en totalité soit seulement en partie (Fig.8) par interposition avant injection de pièces de moulage 21, pour améliorer l'amortissement des vibrations parasites appliquées aux coupelles 2, to 3 susceptibles de parasiter les signaux. On a décrit un mode de réalisation o le tube rigide utilisé 9 est un cylindre de révolution. Un tel tube 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. On a décrit aussi un mode de réalisation o les coupelles 2, 3 de chaque boîtier 1 sont pourvues de rebords 4 et l'élément de centrage 13 est pourvu de rainures 15 pour le maintien de ces rebords. On ne sortirait pas du cadre de l'invention cependant en utilisant des coupelles sans rebord en appui l'une contre à leur périphérie, et un élément de centrage 13 adapté à maintenir suffisamment un ou plusieurs boîtiers durant les opérations ultérieures de mise en place dans le tube 16. o10 REVENDICATIONS 1) Hydrophone comprenant une unité de détection incluant un boîtier clos (1) délimité par deux coupelles (2,3) en appui l'une contre l'autre, chacune d'elles étant pourvue d'un diaphragme flexible (4) et au moins deux éléments sensibles piézoélectriques (6, 8) associés chacun à des électrodes (7, 9), caractérisé en ce que les deux éléments sensibles (6, 8) sont fixés respectivement aux diaphragmes (4), l'un à l'extérieur du boîtier (1), l'autre à l'intérieur du boîtier. 2) Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments sensibles (6, 8) sont de tailles différentes. 3) Hydrophone selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments sensibles (6, 8) sont de diamètres différents. 4 Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (7a, 9a) des éléments sensibles non en contact avec les coupelles (2, 3) et interconnectés électriquement et les électrodes en contact avec les coupelles (2, 3) et également interconnectés électriquement. ) 4 Hydrophone selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un tube rigide (16) pour contenir au moins une unité de détection, un élément de centrage plat évidé (13) adapté à recevoir et maintenir au moins un boîtier, cet élément de centrage étant destiné à être emboîté dans le tube rigide (16), et un revêtement étanche de protection (18) pour chaque boîtier (1) et une partie de la face intérieure du tube rigide (16). I 6) Hydrophone selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les coupelles (2, 3) de chaque bottier (1) sont en appui l'une contre l'autre par un bord périphérique (4). 7) Hydrophone selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de centrage (13) est pourvu d'une rainure intérieure (15) pour l'encastrement du bord périphérique (4) des deux coupelles (2, 3) du boîtier (1). 8) Hydrophone selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'élément de centrage (13) est réalisé d'un seul tenant. 9) Hydrophone selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'élément de centrage (13) est réalisé en deux parties (13a, 13b) entre lesquelles chaque boîtier (1) est maintenu. ) Hydrophone selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les coupelles (2, 3) sont réalisées par un procédé de formage, notamment par emboutissage. 1 11) Hydrophone selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que l'élément de centrage (13) est englobé dans le revêtement étanche. 12) Hydrophone selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que l'élément de centrage (13) est amovible après formation du revêtement étanche.