Brevet FR2931016A1 — publié le 20091113

ANTENNE ACOUSTIQUE A CIRCUITS IMPRIMES INTEGRES La présente invention se rapporte à une antenne acoustique à circuits imprimés intégrés, et en particulier à une antenne acoustique à bas coût. La technologie de transduction acoustique utilisée classiquement dans les applications sous-marines et présentant le meilleur compromis entre puissance acoustique rayonnée et bande passante utilisable est le "Tonpilz". Ce système est un convertisseur électro-acoustique de type masse-ressort-masse à symétrie de révolution fonctionnant généralement en dilatation/compression. On a schématiquement représenté en figure 1 un tel transducteur de type Tonpilz. Il comporte essentiellement un empilement 1 de disques de céramique piézoélectriques (ou à effet électrostrictif) serrés entre un disque épais 2 formant contre-masse et un disque 3 moins épais que le disque 2 et formant pavillon. Tous ces disques sont percés d'une ouverture centrale permettant le passage d'une tige de serrage 4 qui assure leur serrage avec un écrou 5. Chacun des éléments représentés en figure 1 assure un rôle bien particulier : la fonction motrice est assurée par le pilier 1 de céramiques piézoélectriques reliées entre elles électriquement par des électrodes 1A formées sur leurs faces planes en vis-à-vis. Les céramiques sont câblées en parallèle.Le pavillon 3 assure le couplage acoustique avec le milieu et permet aussi d'élargir la bande par mode propre dit de "papillonnage". C'est lui qui détermine la géométrie du champ rayonné (diagramme de directivité). La contremasse 2 stabilise le système et canalise l'énergie rayonnée dans une seule direction de l'espace. La tige de précontrainte 4 et l'écrou de serrage 5 garantissent le fonctionnement du dispositif (transducteur) en dilatation/ compression. La quantité de câblage par soudure à réaliser est donc très rapidement rhédibitoire pour des antennes hautes fréquences (supérieure à 50kHz), composées d'un grand nombre de transducteurs de petites dimensions, par exemple, et à titre non limitatif, 128 transducteurs élémentaires à 150kHz. Ce poste de câblage, de soudage et de repérage, très difficilement automatisable, s'avère être très souvent dans la pratique le poste le plus lourd du process de montage d'une antenne acoustique 2 2931016 La présente invention a pour objet une antenne acoustique à bas coût nécessitant le minimum possible d'opérations d'assemblage, ces opérations pouvant être facilement automatisées. On emploie ici, pour simplifier, le terme � acoustique �, mais il est bien entendu que la bande de fréquences de 5 fonctionnement de l'antenne de l'invention peut être supérieure aux fréquences sonores et même nettement supérieures à celles-ci ; elle peut s'étendre par exemple de 20 kHz à plusieurs centaines de kHz, et typiquement, mais non limitativement, ce peut être la bande de fréquences de 140-160 kHz. L'antenne acoustique conforme à l'invention est caractérisée en ce qu'elle 10 comporte un réseau de transducteurs élémentaires, chaque transducteur élémentaire comprenant, entre une contre-masse et un pavillon, au moins une céramique, tous les transducteurs élémentaires étant montés sur un circuit imprimé commun de liaison électrique entre les transducteurs et de positionnement des transducteurs les uns par rapport aux autres, et au moins un connecteur fixé sur ce circuit imprimé, chacun des 15 transducteurs étant monté de façon que le circuit imprimé soit serré entre sa (ses) céramique(s) et sa contre-masse. . Selon une caractéristique de l'invention, les transducteurs élémentaires sont de l'un des types électro-acoustiques suivants : piézo-électrique ou électrostrictif. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 20 détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - la figure 1, mentionnée ci-dessus, est une vue en coupe simplifiée d'un élément d'antenne du type � Tonpilz � de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en coupe d'un transducteur élémentaire 25 monté sur un circuit imprimé, conformément à l'invention, les figures 3 à 7 sont respectivement des représentations en perspective en vue de dessus, de face et en perspective en vue de dessous, en vue de dessous et en vue de dessus d'un exemple de réalisation, conforme à la présente invention, d'un circuit imprimé 30 portant huit transducteurs élémentaires, les pistes des circuits imprimés étant représentées schématiquement et partiellement, et 3 2931016 la figure 8 est une vue de dessus partielle en perspective du circuit imprimé et des transducteurs d'une antenne à 64 transducteurs, conforme à l'invention. 5 Un objet de la présente invention consiste à éliminer, lors du processus de fabrication, les postes de positionnement des transducteurs sur leur support et de soudure de leurs électrodes de connexion (fils d'alimentation des transducteurs) du processus de fabrication des antennes type tonpilz à haute fréquence à grand nombre d'éléments. 10 L'invention prévoit, selon un mode de réalisation préféré, de réduire le pilier de céramiques du Tonpilz à une seule céramique et de fixer les différents piliers sur un circuit imprimé commun à toute l'antenne dans la structure du tonpilz, entre la céramique et la contremasse, afin d'assurer la connexion électrique de tous les éléments de l'antenne et de fixer de façon stable la disposition des transducteurs les 15 uns par rapport aux autres. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à des transducteurs à une seule céramique, et que ces transducteurs peuvent en comporter davantage. On a représenté en figure 2 un transducteur élémentaire 6 conforme à l'invention et fixé sur un circuit imprimé 7. Selon l'invention, le matériau isolant du 20 circuit imprimé est choisi en fonction des caractéristiques des transducteurs utilisés, par exemple, et à titre non limitatif, ce matériau peut être du verre époxy ou tout support sérigraphiable. Le transducteur 6 comporte essentiellement une céramique tubulaire 8, un pavillon 9 en forme de disque et une contre-masse 10. Ces trois éléments 8 à 10 sont assemblés de la façon suivante sur le circuit imprimé 7 à l'aide 25 d'une vis 11 traversant un perçage de ce circuit imprimé: la contre-masse 10 est appliquée sur une face du circuit imprimé, tandis que la céramique 8 est appliquée sur l'autre face de ce circuit, et le pavillon 9 est appliqué sur la face plane libre de la céramique 8. La vis 11 (vis d'assemblage et de précontrainte) traverse donc librement les éléments 10, 7, et 8 et est vissée dans un alésage axial fileté du pavillon 30 9. L'axe commun de tous ces éléments est référencé 12. Bien entendu, un grand nombre (une centaine ou plus) d'autres transducteurs peuvent être fixés sur le circuit 4 2931016 imprimé 7, et à titre d'exemple, on a représenté un perçage 13 formé dans ce circuit imprimé pour la fixation d'un transducteur voisin du transducteur 6. La topologie d'implantation des différents transducteurs sur le circuit imprimé 7 est déterminée de façon connue en soi en vue d'obtenir un diagramme de rayonnement recherché et, le 5 cas échéant, pour pouvoir mettre en oeuvre un système de formation et d'orientation de faisceaux. Les connexions électriques sont assurées de la façon suivante. Le circuit imprimé 7 récupère chacun des points positif et négatif du transducteur sur ses deux faces principales. La connexion positive est obtenue par le contact direct d'une face 10 plane de la céramique sur le circuit imprimé 7. La connexion négative est obtenue de façon indirecte: l'autre face plane de la céramique est en contact direct avec le pavillon (électriquement conducteur), et la vis 11 relie électriquement le pavillon à la contremasse, et la contremasse est en contact direct avec le circuit imprimé 7. La vis 11 est isolée électriquement de la céramique à l'aide d'un fourreau (non représenté), 15 en matière plastique par exemple. La topographie des conducteurs formés sur le circuit imprimé 7 et partant des transducteurs est optimisée et ces conducteurs sont reliés à un connecteur (non représenté) fixé sur le circuit imprimé. Ces conducteurs véhiculent l'énergie d'excitation des voies en émission depuis les dispositifs d'électronique de puissance 20 et de pilotage (non représentés), et en phase de réception, ils véhiculent les signaux vers les circuits électroniques de traitement (non représentés). Pour simplifier le dessin, on a représenté sur les figures 3 à 7 un mode de réalisation d'une antenne 14 (sans son boîtier de protection) conforme à l'invention avec seulement huit transducteurs, référencés 15 dans leur ensemble, mais il est bien 25 entendu que dans la réalité, une antenne comporte généralement un plus grand nombre de transducteurs, par exemple au moins 64. Ces transducteurs 15 ont été représentés alignés, mais il est également bien entendu que dans la réalité, ils ne sont pas nécessairement alignés, et que leur disposition sur le circuit imprimé les supportant est fonction, de façon connue en soi, des caractéristiques du faisceau 30 acoustique à obtenir. 5 2931016 Les transducteurs 15 sont fixés sur une plaque 16 sur laquelle sont imprimés des conducteurs de liaison électrique entre les différents transducteurs et un connecteur (non représenté) assurant, avec un autre connecteur (non représenté non plus) la connexion avec des circuits de réception et de traitement de signal 5 appropriés, bien connus en soi et non décrits ici. Les conducteurs 17 imprimés sur la face supérieure de la plaque 16 (celle contre laquelle sont appliquées les céramiques telles que la céramique 8 de la figure 2) comportent chacune une partie circulaire entourant le perçage de fixation du transducteur, assurant le contact avec une première électrode frontale de la 10 céramique correspondante, et se prolongeant par une partie filiforme s'étendant jusqu'à une zone 18A où ces conducteurs 17 sont reliés à travers la plaque 16, dans une zone 18B (en vis-à-vis de la zone 18A) de la face inférieure de la plaque 16, à des tronçons de conducteurs 19 dont les extrémités sont soudées à un connecteur (non représenté, dont on a uniquement représenté la trace 20 sur la plaque 16). Des 15 conducteurs 21 sont imprimés sur la face inférieure de la plaque 16. Ils assurent la connexion électrique avec une seconde électrode de chaque céramique, et ont une forme similaire à celle des conducteurs 17, avec cette différence que leurs extrémités sont soudées à un deuxième connecteur (non représenté, dont on a uniquement représenté la trace 22 sur la plaque 16. Bien entendu, les conducteurs imprimés sur la 20 plaque 16 peuvent avoir d'autres parcours et être reliés différemment au(x) connecteur(s). L'antenne 23 représentée en figure 8 comporte essentiellement une plaque 24 à circuits imprimés sur laquelle sont fixés 64 transducteurs référencés 25 dans leur ensemble. Quatre connecteurs (dont seulement deux, référencés 26, 27 sont visibles 25 sur la figure) sont fixés sur la plaque 24. Le circuit imprimé 24 est du type double face, et ne voit donc sur la figure que les pistes 28 imprimées sur une seule de ses faces. L'ensemble est fixé dans un boîtier étanche (non représenté) . De même, on n'a pas représenté non plus les circuits électroniques (préamplification, amplification, pré-traitement,...) pouvant être inclus dans ce boîtier. 30 Les avantages de la présente invention sont de cinq ordres : 1- Facilité du montage des tonpilz de type empilage/serrage. 6 2931016 2- Positionnement mutuel très précis des transducteurs par nature (déterminé par le circuit imprimé), ce qui garantit une bonne répétabilité des caractéristiques de rayonnement de l'antenne ainsi constituée. 3- Suppression de la dispersion de performances, sur de petits transducteurs, due au 5 soudage (déformation thermique, dérive des caractéristiques des pièces assemblées). 4- Repérage automatique du câblage des transducteurs par le circuit imprimé; 5- Le contrôle électro-acoustique de l'antenne (contrôle individuel de chaque transducteur) devient automatisable.En effet, le (les) connecteur(s) peut (peuvent) 10 être également relié(s) à un circuit de test disposé dans le boîtier de l'antenne et télécommandé pour effectuer les tests appropriés directement in situ. 6- L'ensemble des avantages mentionnés ci-dessus amène une réduction du coût de production, car il permet un gain de temps considérable. 15 Les couplages vibratoires entre voies ("cross-talking") susceptibles d'apparaître par l'intermédiaire du circuit imprimé sont minimisés par optimisation du fonctionnement par la méthode des éléments finis, en optimisant la masse de chaque élément de chaque transducteur, en particulier les contre-masses (10), de façon à ramener le point nodal de vibration de la structure au niveau du circuit 20 imprimé afin de réduire le plus possible la déformation de ce dernier et les éventuels déplacements infimes des transducteurs sur leur plaque de support (généralement, la tige de fixations des transducteurs sur la plaque de circuit imprimé est bien plus élastique que la céramique, et la précontrainte qu'elle exerce sur le transducteur n'est pas suffisante pour le brider, mais suffit à assurer le contact électrique entre les 25 éléments des transducteurs et le circuit imprimé). Pour mettre en oeuvre l'optimisation des transducteurs, la structure de chaque transducteur est représentée comme un maillage de petits éléments volumiques dans lequel chacune des grandeurs acoustiques est calculée, connaissant les conditions initiales et les conditions aux limites et en appliquant le théorème de Kirchhoff. 30 7 REVENDICATIONS1. Antenne acoustique à montage facilité, caractérisée en ce qu'elle comporte un réseau de transducteurs élémentaires(15), chaque transducteur élémentaire comprenant, entre une contre-masse (10) et un pavillon (9), au moins une céramique (8), tous les transducteurs élémentaires étant montés sur un circuit imprimé (7, 16) commun de liaison électrique entre les transducteurs et de positionnement des transducteurs les uns par rapport aux autres, et au moins un connecteur (26, 27) fixé sur ce circuit imprimé, chacun des transducteurs étant monté de façon que le circuit imprimé soit serré entre sa (ses) céramique(s) et sa contre-masse. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les transducteurs élémentaires sont de l'un des types électro-acoustiques suivants : piézo-électrique ou électrostrictif. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la masse de chaque élément de chaque transducteur est optimisée de façon à ramener le point nodal de vibration de la structure au niveau du circuit imprimé. 4. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les transducteurs élémentaires sont alignés. 5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les transducteurs élémentaires ne sont pas alignés, leur disposition sur le circuit imprimé les supportant étant fonction des caractéristiques du faisceau acoustique à obtenir.25