Brevet FR2855009A1 — publié le 20041119

La présente invention concerne des éléments acoustiques, et en particulier, mais non exclusivement, des éléments acoustiques destinés à être utilisés dans des ensembles d'hydrophones. Des ensembles d'hydr(-)phones peuvent comprendre un grand nombre (d'éléments acoustiques lies de manière à former un système rem(Orqué. Dans des systèmes remorqués non-optiques, le moyen de détecti on des élément s acoustiques est généralement constituée par des disques en 10 matière piézo-céramique maintenus clans des organes de support, normalement en matière plastique. Pour obtenir l.a sensibilité souhaitée, les disques ceramiques doivent présenter un certain diamètre et en outre, de par leur forme de disque, le grand nombre de conducteurs 15 électriques nécessaires pour coupler les éléments actifs du système d'hydrophones doivent être logés autour des organes de support des él éments. En conséquence les systèmes, une fo-is un revêtement approprié appliqué, ont un diamètre de l'ordre de 90 mm. Lorsqu'ils sont déployés 20 pour former des systèmes remorqués, les hydrophonries doivent être capables de détecter des signaux acoustiques de niveau très faible, dont la source peut être située à une distance d'environ 350 m du système. Les systèmes sont donc généralement de très grande longueur et chaque 25 hydrophone élémentaire du système doit être aussi. long que possible afin d'intégrer efficacement le bruit dû au courant d'ealu le long du système. Lorsqu'i]ls ne sont pas utilisés, ]les systèmes doivent être stockés sur le navire à partir duquel ils ont- été déployés, généralement sur de 30 gros tambours. On comprendra donc que le].e stockage des systèmes de grande 1 onrigueur actlle]ls, rel ativement encombrants, presente des problèmes difficiles comptetenu de la dimension physique réelle des systèmes. Il existe donc un besoin pour un système remo1rqué qui ait la 35 sensibilité requise, mais qui soit d'une cc)nception qui permette aux composants du système d'être lo(gés dans des - 2 ensembles de diamètre sensiblement réduit. Un objet de la présente invention est de proposer un élément acoustique qui permette de réaliser un système remorqué compact avant la sensibilité requise, et dans lequel les 5 problèmes de stockage précités soient substantiellement palliés. Ainsi, il est proposé un élément acoustique comprenant une feuille de matière polymère piézoélectrique étirée le long d'un axe d'étirage et 10 configurée selon une forme sensiblement tubulaire, l'axe d ' étirage étant orienté sensiblement selon la circonférence de la forme tubulaire. De préférence, la forme tubulaire est cylindrique ou polygonale. En variante, la forme tubulaire peut être réalisée par une matière en feuille configurée en spirale. Avantageusement, la matière en feuille inclut des couches métalliques, par exemple de cuivre ou de nickel ductile, sur ses faces opposées, les couches métalliques étant 20 agencées pour tenir lieu d'électrodes pour les éléments acoustiques. De préférence, l'élément acoustique comprend des moyens de suspension pour supporter la feuille de matière polymère autour d'un organe de support, les moyens de 25 suspension comprenant une pluralité de tubes de matière elastique, de préférence trois, disposés de telle sorte que leurs axes l ongitudinaux soient sensiblement parallèles à celui de la forme tubulaire. Avantageusement, la matière élastique des moyens 30 de suspension comprend du caoutchouc à base cde polysulfure, du caoutchouc à base de fluo)ro-silicone ou du caoutchouc riche en nitrile. En outre, les couches métalliques constituant les électrodes peuvent comprendre, dans leurs régions qui recouvrent les moyens de suspension, des zones électriquement i solées, de manière à définir sur les électrodes des zones actives et -3 -des zones inactives, afin d'assurer que les moyens de suspension ne viennent pas en contact avec les zones actives des éléments. De façon particulièrement avantageuse, la matière 5 polymère est. constituée par du fluorure de polyvinvl i dène, soit avec des vides, soit sans vides. L 'alésage situé dans la forme tubulaire peut en outre être utilisé pour loger un organe de tension et des moyens de couplage pour coupler une pluralité des 10 éléments acoustiques afin de former un système remorqué. La présente invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure l illustre schématiquement une feuille 15 de matière polymère piézo-électrique et montre 1 'axe d'étirage le long duquel la feuille a été étirée, et les plans de sensibilité qui en résultent; la figure 2 illustre schématiquement un tube étiré de matière polymère piézo- électrique, en montrant la 20 configuration des plans de sensibilité qui résultent du processus d'étirage du tube; la figure 3 illustre schématiquement une forme de réalisation d 'un élément acoustique selon la présente invention; la figure 4 représente une vue en bout partielle de l.'élément acoustique représenté sur]la figure 3; la figure 5 représente une vue en coupe transversale schématique d'un élément acoustique selon une autre forme de réalisation de la présente invention; 30 et la figure 6 illustre schématiquement le système de suspension de la partie active de l'élément représenté sur la figure 5. En référence à la figure 1, une feuille 2 de 35 matière polymère piézoélectrique, telle que de fluorure de polvvi.nyvlidène (PVdF) est produite par étirage le long - 4 d'un axe d'étirage 4. Le processus d'étirage donne naissance à une feuille en film épais, qui présente typiquement une épaisseur de] 'ordre de 0,6 mm et qui possède, compte--tenu des propriétés du PVdF, des plans de 5 sensibilité qui sont généralement désignés par plans de sensibilité "31", "32" et "33". Les désignations "31", "32" et "33" pour les plans de sensibilité et leur orientation par rapport à l'axe d'étirage sont supposées connues de l'homme de l'art et ne seront donc pas 10 décrites dans la présente demande. Peuvent être prévus sur la feuille 2 des revêtements 6 et 8 d'une matière métallique telle que le cuivre ou le nickel, qui sont capables non seulement de tenir lieu d'électrodes, mais également de rigidifier la 15 matière polymère dans le plan de sensibilité d'étirage "31" et dans le plan de sensibilité d'étirage "32" et d'aider à maintenir la matière relativement rigide dans les formes imparties. Si la feuille 2 est soumise à une force de déformation, telle qu'une pression hydrostatique 20 produite par des signau.x acoustiques se propageant à travers] 'eau, alors est engendrée une charge externe Q qui peut être détectée par des moyens de détection appropriés, avec Q = q "33" + q "32" + q"31" of q est la charge engendrée dans chacun des trois plans de sensibi]it&, q "33" étant une quantité négative et q "31" et q "32" étant des quantités positives. Les feuilles 2 ont donc, avec une forme sensiblement plane, trouvé application comme éléments hydrophoniques fixés à 30 'extérieur des coques de navires. Pour des systèmes remorqués, chaque élément hydropho)nique doit être aussi long que possible pour intégrer efficacement les bruits de courant, tout en gardant une aptitude à se conformer selon le rayon de 35 courbure requi s lorsque le système est stocké sur un tambour à bord du na-ire. L'utilisation de tubes en PVdF - 5 commle éléments actifs dans des systèmes remorqués a été envisagé. Le PVdF peut être étiré en une forme tubulaire 10, comme représenté sur la figure 2. Cependant, on petit observer sur la figure 2 que, du fait du processus 5 d'étirage, le plan sensible "31" relativement sensible est orienté dans la direction axiale du tube 10. En outre, tin tube étiré en PVdF n'atteint pas la régularité et la sensibilité des matières étirées planes et, au surplus, la rigidité de paroi induite par le revêtement 10 avec des électrodes m.t a] I iques sur les surfaces intérieure et extérieure du tube diminue encore la sensibilité. Les systèmes remorqués, en (co:)urs d'utilisation, sont exposés à des forces d'accélération le long de la 15 ligne de remorquage. ainsi on comprend que des tubes étirés 10 ne sont pas appropriés pour être utilisés comme hydrophones élémentaires dans de tels systèmes, car la charge de sortie Q engendrée par les variations de pression hydro)statique résultant de signaux acoustiques 20 relativement faibles serait éclipsée par les charges découlant des forces d' accélération le long de la ligne de remorquage, c'est-à-dire alignées avec le plan de sensibilité "31". On a réalisé, selon la présente invention, que les 25 hydrophones élémentaires pouvaient être fabriqués en configurant la feuille] 2 représentée sur la figure 1. en une forme tubulaire 12 telle que représentée sur la figure 3, qui est de préférence une forme en cylindre circulaire droit, dans laquelle le plan de sensibilité 30 "31", qui est aligné avec l'axe d'étirage de]la matière, est disposé selon la circonférence de la forme cy]lindrique 12. Typiquement, la forme cylindrique 12 a un diamètre externe d'environ 22 mm et une longueur de 140 mm. On peut observer que les hydrophones élémentaires 35 peuvent être réalisés relativement longs, et donc relativement sensibles, par comparaison avec les systèmes - 6 de conception actuelle à disques céramiques, et: qu'en outre un système de diamètre sensiblement réduit peut être obtenu car l'organe de tension du système, les interconnexions d'éléments et les ensembles électroniques 5 de traitement associés peuvent être l.ogés à l'intérieur de l'espace central de l 'élément tubulaire 12. En adoptant les principes de la présente invention, on a fabriqué des hydrophones élémentaires de forme tubulaire d'un diamètre d'environ 22 mm, en utilisant une feuille 10 de PVdF de 0,6 mmin d'épaisseur. Le PVdF est une matière relativement rigide qui ne gardera pas une forme tubulaire sans forces de maintien. La forme tubulaire 12 représentée sur la figure 3 peut être fabriquée en prévoyant un certain nombre de lignes 15 d'encochage 14 sur la longueur de la matière en PVdF et en courbant la feuille aultour des lignes d'encochage 14 au delà de la limite plastique du PVdF pour former une charnière plastique, comme représenté sur la figure 4. Par cette technique, on peut former un tube polygonal 20 comprenant un certain nombre de plats longitudinaux. La forme tubulaire pelut être obtenue en courbant la feuille autour d'un mandrin de taille appropriée. Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 3 et 4, la feuille 2 est de préférence munie d'électrodes 25 métalliques, par exemple d'électrodes en nickel, avant la formation des lignes d'encochage 14. L'électrode intérieure ainsi formée est donc continue, les plats 16 ayant chacun une électrode extérieure él]ect-riquement isolée. Les électrodes extérieures peuvent être 30 raccordées par tout moyen de connexion approprié, par exemple des bagues de retenue conductrices ou simplement des fils mét.alliques de connexion. En variante, les lignes d'encochage 14 peuvent être arrêtées avant les extrémités longitudina]es de la feuille pour assurer un 35 couplage électrique dans les parties d'extrémité de l'électrode extérieure. - 7 LTes hydrophones acoustiques élémentaires peuvent également être fabriqués en roulant la feuille 2 dans le plan de sensibilité "31". Dans cette forme de réalisation, on prévoit des électrodes en cuivre, par 5 exemple par placage, sur les faces opposées de la feuille 2, et la feuille 2 est roulée sans encocher le placage de cuivre. Seul un placage relativement mince est nécessaire pour maintenir la feuille roulée dans sa forme cylindrique, ce qui permet aux éléments acoustiques 10 d' être fabriqués de façon simple et relativement économique, et avec une densité relative par nature faible, ce qui permet de donner facilement au syvstème assemblé le caractère flottant. Des essais réalisses avec des feuilles rou.lées dans le plan de sensibilité "31" ont 15 démontré avec satisfaction que la sensibilité inhérente de la matière PVdF de forme plane est conservée, contrairement à ce à quoi on pouvait s ' attendre antérieurement. Les éléments acoustiques selon] a présente 20 invention sont extrêmement rigides, de par leur caractère stratifié et tubulaire, et si on les rend symétriques au montage poulr former les hydrophone;; élémentaires d'un système remorqué, on n'obtient aucun signal de sortie lorsqu'ils sont chargés au point milieu. Les éléments 25 opèrent essentiell]ement dans le seul mode "33". Les électrodes plaquées assurent une rigidificatiorn dans les plans de sensibilité "31" et "32", ce qui réduit efficacement la contribution de ces plans dans le signal de sortie et, en correspondance, la sensibilité 30 hydrostatique tend vers le plan de sensibilité "33". Des contributions indésirables au signal, qui sont engendrées par les forces d'accélératicon le long de 1 ' axe de remorquage et par la courbure des éléments, apparaissent respectivemernt dans les plans de sensibilité "32" et "31", mais sont minimisées du fait de la rigidité de structure de l'élément et de l'orientation du plan de _- 8 _sensibilité "31". UJne telle sélectivité et une telle sensibilité de la structure ne peuvent être obtenues avec la matière en tube étiré telle que mentionnée précédemment en référence à la figure 2. Pour former un système remorqué, les éléments en PVdF de forme tubulaire 12 sont supportés autour de supports centraux 18 par des unités de suspension 20 disposées de manière à mi nimiser la transmi ssi on orthogonale de la vibration axiale, 'est-à--dire depuis 10 l'axe de remorquage jusqu'au plan de sensibilité "actif" "33". Les unités de suspension 20 comprennent trois tubes montés avec un espacement mutuel de 120 entre les supports 18 et les éléments 12 comme représenté sur les figures 5 et 6. Le coeur 22 du système est utilisé pour 15 loger un organe de tension 24 et le câblage traversant 26 provenant d'autres éléments du système, l'ensemble étant revêtu d'une gaine extérieure 28 pour empêcher la pénétration d'eau. Les unités de suspension 20 peuvent être 20 fabriquées à partir de caoutchouc, tel que du caoutchouc à base de polvsulfure, du caoutchouc à base de fllutorosilicone ou du caoutchouc riche en nitrile, les exigences principales étant le caractère moulable, la compliance et la résistance au kérosène, qui est le Fluide utilisé pour 25 le remplissage de la gaine 28 avec le système. Il est fondamental que l'atténuation des fo)rces transversales à l'axe soit importante, car toute force d'accélération dans cette direction engendre une réaction à la pression dans le plan de sensibilité acti f du tube 1.2, qui 30 engendre ell e-même des signaux de sortie indésirables dont les amplitudes dépendent des asymétries du système. Les unités de suspension 20 peuvent être considérées comme très molles transversalement et dures axialement. Ces caract6éristiques d'amortissement ont été obtenues en 35 utilisant l'action de déformation du tube de caoutchouc mou dans la direction transversale et la rigidité - 9 inhérente selon la longueur du tube en plus de la rigidité élevée de la forme tubulaire 12 à laquelle les unités de suspension sont].iées. La rigidité de la forme tubulaire 12, qui est accrue par les électrodes plaquées 5 6, 8, le caractère mou transversalement des unités de suspension 20, ainsi que]. 'orientation du plan de sensibilité "31" obtenue par l'utilisation d'une feuille de PVdF de forme plane, se combinent pour assurer que les forces d'accélération axial es sont conf inées presque 10 exclusivement dans le plan de sensibilité "32", c'est-àdire le plan de sensibilité le moins significatif de la matière PVdF. Par ailleurs, les electrodes 6, 8 comportent respectivement des gorges circonférentielles 30, 32 de 15 manière à définir des zones actives 34, 36 pour les électrodes, qui sont isolées électriquement de zones inactives 38, 40 qui sont en contact avec les unités de suspension 20. Les unités de suspension 20 ne sont donc pas en contact avec les zones actives ou sensibles 34, 20 36, ce qui améliore encore la réjection par l'élément acoustique des forces transversales indésirables. On peut donc observer qu'en utilisant un élément acoustique fabriqué à partir d'une matière PVdF en feuille amenée dans une forme cylindrique avec des plans 25 de sensibilité orientes conformément à la présente invention, on peut réaliser un système remorqué flottant compact, robuste et relativement économique, et possédant en outre une bonne sensibilité en tension, typiquement de -199,5 dB pour 1 V/Pa l dB, un faible bruit, une bonne 30 aptitude à l'intégration de surface, une capacité de source el]evée, typiquement de 1000 pF, une sensibilité aux vibrations axiales de -80 dB Hz/g, et une sensibilité aux vibrations transversales de -90 dB Hz/g, ainsi qu'un grand domaine actif qui, pour un système d'un diamètre de 35 mm, est situé dans les environs de 47000 mm2/mètre - 10 linéaire, ce qui représen environ 43% de la superficie du système. Bien que l'on ait décrit des formes de réalisation spécifiques de l'invention, on comprendra que des 5 modifications peuvent être apportées sans sortir de son cadre. Par exemple, les unités de suspension 20 peuvent être réalisées différemment des trois tubes de caoutchouc espacés mutuellement. De plus, pour assurer que les zones sensibles 34, 36 des électrodes 6, 8 ne recouvrent pas 10 les mnités de suspension 20, les électrodes 6, 8 peuvent être arrêtées à la position des gorges 30, 32 ou à leur voisinage. En outre, d'autres métaux ou alliages conducteurs ductiles peuvent être utilisés pour fabriquer les électrodes 6, 8. La forme tubulaire 12 peut également être fabriquée à partir de la feuille 2 enroulée en spirale de manière à accroïtre la capacité de source du système, et l'expression "forme tubulaire" est censée couvrir les éléments acoustiques fabriqués de cette manière. - 11 REVENDTICATIONS 1. Un élément acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend une feuille de matière polymère pi.ézo-électrique (2) étirée le. long d'un axe d'étirage (4) et configurée selon une forme sensiblement tubulaire (12), l'axe 5 d'étirage étant orienté sensiblement selon la direction circonférentielle de la forme tubulaire. 2. Un élément acoustique se]on la revendication 1, caractérisé en ce que la forme tubulaire (12) est cylindrique. 3. Un élément acoustiqule selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme tubulaire (12) est polygonale. 4. Un élément acoulstique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme tubulaire (12) est définie par une configuration en spirale de la feuille de matière (2). 5. Un él]ément acoust ique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière en feuille inclut d(les coucihes métalliques (6, 8) sur ses 20 faces opposées, lesdites couches métalliques étant disposées de manière à tenir lieu d'électrodes pour l'élément acoustique. 6. Un élément acoustique sel-on la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens de suspension (20) 25 son prévus pour supporter ladite feuille de matière polymère autour d'un organe de support (18), lesdits moyens de suspension comprenant une pluralité de tubes de matière élastique disposés de telle manière que leurs axes longitudinaux sont sensiblement parallèles à celui 30 de la forme tubulaire (12). 7. Un élément acoustique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de suspension (20) sont fabriqués à partir de l'un quelconque des matériaux choisis dans le groupe comprenant le caoultcholuc à base de - 12 polysulfutre, le caoutchouc à base de fluoro-silicone et le caoutchouc riche en nitrile. 8. Un élément acoustique selon]la revend-icat-io)n 6 on 7, caractérisé en ce que les couches métalliques (6, 5 8) constituant lesdites électrodes comprennent, dans les régi ons de celles-ci situées au droi t des moyens de suspension, des zones él]ectriquement isolées, pour ainsi définir des zones inactives et: actives (38, 40) des é]ectrodes pour assurer que lesdits moyens de suspension 10 ne viennent pas au contact des zones actives de l. 'élément acoustique. 9. Un élément acoustique selon l 'une des revendications I à 8, caractérisé en ce que ladite matière polymère est le f]uorure de polyvinylidène. 10. Un élément acoustique selon l'une des revendications I à 9, caractérisé par la présence dans la forme tubulaire d 'un alésage qui loge un organe de tension (24) et des movens de couplage (26) pour coupler une pl]uralité des éléments acoustiques en vue de former 20 un système remorqué. 1il.. Un système remorqué, caractérisé en ce qu'il comprend une plural i té d' léments acoustiques selon l'une des revendications 1 à 10.