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DESCRIPTION
Transducteurs électro-acoustiques comportant une coque
émettrice flexible et étanche. -
La présente invention a pour objet de nouveaux
transducteurs électro-acoustiques comportant une coque émettrice
flexible et étanche.
Le secteur technique de l'invention est celui de l'acoustique
sous-marine. ;
On connalt des transducteurs électro-acoustiques, qui sont `
utilisés pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques en basse
fréquence, de l'ordre de 1 KHz, et qui comportent un moteur,
constitué généralement d'un empilement de céramiques piézo-
électriques, qui est placé à l'intérieur d'une enveloppe ou coque
étanche, qui constitue la surface émettrice en contact avec l'eau.
Ces transducteurs sont connus sous le nom de transducteurs
flextensionnels. On peut les classer dans quatre classes selon la forme
générale de la coque.
La classe I correspond à des coques de révolution autour
d'un axe ayant une forme ellipsoidale et comportant un seul moteur
constitué par un empilement disposé suivant le grand axe de~` ` `
l'ellipsoide et couplé mécaniquement et acoustiquement avec les
extrémités du grand axe de la coque. Les déformations en tension et
compression suivant le ~rand axe entra ment des déformations en
flexion de la coque dont l'amplitude est maxima dans le plan médian
perpendiculaire au grand axe. ~
La classe II correspond à des transducteurs dont la coque ~ ;
a une forme de disque ou de tore de révolution autour d'un axe
perpendiculaire au plan du disque ou du tore. Ces transducteurs
comportent des moteurs piézo-électriques disposés radialement autour
de l'axe et couplés à leursextrémitésavec la coque qui présente
alors des déformations en flexion maxima dans la direction de l'axe.
La classe III correspond à des transducteurs dont la
coque présente deux renflements à ses deux extrémités et a une forme
générale d'os ou de diabolo.
La classe IV correspond à des transducteurs dont la coque
a une forme de cheminée cylindrique délimitée par des génératrices
rectili~nes s'aDDuYant sur une section droite elliptique ou en forme
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.. ~
de courbe fermée pouvant présenter un étranglement dans la partie
centrale. Dans ce cas, le transducteur comporte généralement
plusieurs moteurs parallèles entre eux, qui sont disposés dans des
plans perpendiculaires aux génératrices de la coque et qui sont -
couplés avec la coque à leurs deux extrémités.
La présente invention concerne plus particulièrement, mais
non exclusivement des transducteurs flextensionnels de la classe IV.
Les transducteurs flextensionnels présentent des avantages
bien connus.
Ils permettent d'émettre des ondes acoustiques en basse ;~
fréquence car leur fréquence d'émission est la fréquence de
résonance des déformations en flexion de la coque et les fréquences
de flexion sont des fréquences basses, de l'ordre ou inférieures
à 1 KHz.
Ce sont des transducteurs compacts de forte puissance. Ils
amplifient fortement l'amplitude des oscillations de ltempilement
piézo-électrique, du fait que les mouvéments de dilatation
compression suivant l'axe de l'empilement sont transformés en
oscillations de flexion de la coque dont la flèche maxima est
nettement supérieure aux déplacements des extrémités de la coque qui
sont couplées mécaniquement avec les extrémités du ou des moteurs
piézo-électriques.
Toutefois les transducteurs flextensionnels connus à ce
jour ont un coefficient de couplage entre la coque et le moteur `
piézo-électrique qui est relativement faible, de l'ordre de 25 %
au maximum et ils ont une bande passante relativement faible, avec
une fréquence médiane qui est la fréquence propre des déformations
en flexion de la coque excitée par les moteurs.
L'objectif de la présente invention est de procurer de
nouveaux transducteurs flextensionnels qui présentent un coefficient
de couplage entre la coque et les moteurs piézo-électriques
nettement amélioré et une bande passante élargie.
Les transducteurs électro-acoustiques selon l'invention
sont des transducteurs flextensionnels, c'est-à-dire des transducteurs
qui comportent un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques,généralement
des empilements de céramiques piézo-électriques, qui sont placés
à l'intérieur d'une coque étanche et flexible et qui sont couplés
acoustiquement par leurs deux extrémités avec ladite coque, ~ ~
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laquelle est en contact avec un liquide et fait fonction de
surface émissive.
L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un
transducteur dans lequel chacun des moteurs électro-acoustiques
comporte, à ses deux extrémités, une masselotte qui est couplée
mécaniquement avec ladite coque et avec ledit moteur et qui est
déterminée, de telle sorte que la fréquence foncamentale des
oscillations axiales de l'ensemble constitué par ledit moteur et
les deux masselottes est voisine de la fréquence propre des
oscillations en flexion de la coque.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les deux
masselottes sont déterminées pour que la fréquence fondamentale des
oscillations axiales de l'ensemble constitué par le moteur et les deux
masselottes soit très légèrement supérieure à la fréquence propre des
oscillations en flexion de la coque, ce qui a pour conséquence
d'élargir par effet de couplage des deux modes la bande passante du
transducteur aussi bien vers les basses fréquences que vers les
hautes fréquences.
L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs électro~
acoustiques de type flextensionnel destinés à émettre dans l'eau dans
les basses fréquences, de l'ordre de 1 KHz ou inférieures.
Les transducteurs selon l'invention présentent les avantages
des transducteurs flextensionnels connus. De plus, ils permettent ~-
d'obtenir une bande passante élargie, notamment vers les basses fré-
quences et ils peuvent donc émettre avec un bon rendement en balayant
toute une plage de basses fréquences pouvant aller par exemple de 0,5
KHz à 1 KHz. La largeur de la bande passante d'un transducteur selon
l'invention équipé de masselottes est environ une fois et demi plus
large que celle du même transducteur sans masselotte. ;
De plus, le coefficient de couplage électro-acosutique d'un
transducteur selon l'invention est de l'ordre de 40% alors qu'il
est de l'ordre de 25 % pour les transducteurs flextensionnels sans
masselottes.
Etant donné que la puissance acoustique émise par un
transducteur est proportionnelle au carré du coefficient de
couplage acoustique, on obtient donc une augmentation importante de -~ H
la puissance acoustique qui est multipliée par trois ou quatre pour
un même encombrement et pour un même champ électrique d'excitation
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2 O~R 7~,~
des céramiques.
I.a description suivante se réfère à la figure unique qui `
représente unexemplederéalisationd'un transducteurselon l'invention.
La figure unique représente une demi-coupe d'un
transducteur fle~tensionnel. Cette demi-coupe représente par exemple
une demi-coupe axiale d'un transducteur flextensionnel de la classe
I, qui est de révolution autour d'un axe x x' et symétrique par
rapport à un plan médian PP' perpendiculaire à l'axe.
Cette demi-coupe peut également être une coupe
transversale d'un transducteur flextensionnel de la classe IV, qui
comporte une coque en forme de cheminée cylindrique, dont les
génératrices sont perpendiculaires au plan de la figure et qui est
symétrique par rapport à deux plans perpendiculaires, le plan
médian PP' et un plan longit~dinal x x' tous deux parallèles aux
génératrices de la coque et qui comporte plusieurs moteurs
piézo-électriques parallèles entre eux dont les axes sont situés
dans le plan de symétrie x x'.
Les transducteurs selon l'invention sont des transducteurs
dits flextensionnels qui comportent un ou plusieurs moteurs
électro-acoustiques 1, qui sont généralement des empilements de
céramiques piézo-électriques la, lb....ln, mais qui peuvent être
remplacés par des moteurs magnétostrictifs.
Le ou les moteurs sont enfermés dans une coque étanche et
flexible 2 qui est en contact avec l'eau de mer et qui délimite une
cavité 3 remplie de gaz, dans laquelle se trouvent les moteurs
piézo-électriques.
La coque 2 a une forme ovoide si elle est de révolution
ou une section droite ovale si elle est en forme de cheminée
cyllndrique, de sorte qu'elle comporte deux bouts ou deux extrémités2a
ayant une courbure très prononcée, c'est-à-dire un rayon de courbure
très faible et elle comporte, dans sa partie médiane, c'est-à-dire ~- `
dans le plan médian PP', des plages ayant une courbure peu prononcée.
Les deux extrémités 2a sont couplées mécaniquement avec
les extrémités du ou des moteurs électro-acoustiques. -
Lorsqu'elles sont excitées électriquement, les céramiques
la, lb....ln se déforment à la fois axialement, c'est-à-dire
suivant des oscillations de dilation-compression parallèles à l'axe
x x' et également radialement. Les mouvements axiaux sont très
20~s7a~
largement prépondérants.
Les déformations axiales des moteurs électro-acoustiques
sont transmises mécaniquement aux extrémités 2a de la coque et ~ `
ces mouvements entralnent des déformations en flexion de la coque
et notamment des déformations parallèles au plan médian PP'.
L'amplitude de ces déformations est maxima dans le plan PP' et
nettement supérieure à l'amplitude des oscillations axiales des
moteurs électro-acoustiques.
Les transducteurs flextensionnels sont connus et il est
10 inutile de les décrire plus en détail. On retiendra suelement qu'ils ~ - -
convertissent les mouvements de dilatation-compression (mouvement
extensionnel) d'un moteur électro-acoustique en un mouvement de
flexion d'une coque d'où leur ncm de flextensionnel.
Les transducteurs flextensionnels permettent d'émettre
dans l'eau des ondes acoustiques en basse fréquence, de l'ordre de
1 KHz, sans avoir à utiliser des émetteurs ayant des dimensions et
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un poids élevé, ce qui est un gros avartage.
La fréquence d'émission des transducteurs flextensionnels
est la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque qui
fait fonction de surface émettrice, ce qui permet d'émettre à basse
fréquence car les fréquences propres de flexion d'une coque placée
dans l'eau sont de l'ordre de 0,5 à 2 KHz et donc nettement inférieures
à la fréquence fondamentale des oscillations axiales d'un empilement
de céramiques piézo-électriques qui est de l'ordre de 8 KHz.
Toutefois les transducteurs flextensionnels connus à ce jour
ont une bande passante relativement étroite, qui est centrée sur la
fréquence propre des oscillations en flexion de la coque.
Les moteurs piézo-électriques équipant ces transducteurs
doivent être excités à une fréquence qui est inférieure de plusieurs
octaves à leur fréquence fondamentale, c'est-à-dire la fréquence
propre de leurs oscillations axiales.
La conversion d'énergie électrique en énergie acoustique
réalisée par les moteurs électro-acoustiques, n'est donc pas optima.De
plus, le couplage électromécanique et donc électro-acoustique entre les
extrémités d'un empilement de céramiques et les extrémités de la coque
est difficile à réaliser et l'expérience montre que le coefficient de
couplage électro-acoustique des transducteurs flextensionnels connus à - ce jour, est généralement de l'ordre de 25~, ce qui réduit
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considérablement la puissance acoustique utile de ces transducteurs.
L'objectif de l'invention est de construire des
transducteurs flextensionnels ayant une bande passante élargie,
notamment vers les basses fréquence et ayant un meilleur coefficient
de couplage électro-acoustique que les transducteurs de ce type
connus à ce jour.
Cet objectif a pu être atteint au moyen de transducteurs
qui comportent deux masselottes ou contre-masses 4 qui sont
placés aux deux extrémités du moteur et qui sont couplées
mécaniquement et acoustiquement avec celui-ci et avec les
extrémités 2a de la coque 2.
L'ensemble constitué par le moteur électro-acoustique et par -`
les deux contre-masses forme un ensemble mécanique, ressort et masses,
à constantes localisées et l'on peut calculer la valeur de ces constan-
tes pour que cet ensemble ait une fréquence fondamentale déterminée,
voisine de la fréquence propre des oscillations de flexion de la coque,
ce qui permet d'obtenir une bande passante élargie, comportant deux
sommets voisins.
Technologiquement, il est plus aisé de choisir les dimensions
du moteur et des deux contre-masses pour que la fréquence fondamentale
des oscillations axiales de cet ensemble mécanique soit légèrement supé-
rieure à la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque. Ce-
ci a pour conséquence, par effet de couplage des deux modes, d'élargir
la bande passante aussi bien vers les basses fréquences que vers les
hautes fréquences. Par exemple, on réalise un transducteur dont la co-
que a une fréquence en flexion de 0,8 KHz et dont l'ensemble formé par
le moteur et par les deux masselottes a une fréquence fondamentale de - ~-
1 KHz. On obtient ainsi un transducteur ayant deux fréquences de réso- ~-
nance voisines et une bande passante élargie comprise entre 0,6 KHz
30 et 1,2 KHz. -
Pour que l'ensemble constitué par l'empilement de céramiques
piézo-électriques 1 et par les deux contre-masses 4 soit assimilable à
un ensemble mécanique ressort-masse à constantes localisées,il faut que
la masse de l'empilement soit petite devant celle des contre-masses et
que l'élasticité de l'empilement selon X X' soit grande devant celle
des contre-masses.
Si l'on diminue le diamètre des céramiques, on accentue ~ ~ ~
le risque de flambage de l'empilement qui est indésirable parce ~ ;;;
7 2 0 3 8 7 .? ~' ~
qu'il consomme inutilement de l'énergie et qu'il entralne une fatigue
mécanique des céramiques. On résout le problème en augmentant le dia- ~ ~
mètre intérieur et le diamètre extérieur des plaquettes de céramique -
la, lb...ln, ce qui a pour effet de les rendre moins sujettes à la
5 flexion tout en réduisant la masse des céramiques. Par exemple, l'em- ~ -pilement 1 a une hauteur de 20 cm et il comporte 20 plaquettes de céra- ;~
miques la, lb...ln, en forme de rondelles ayant un diamètre extérieur
de 50 mm et les contre-masses sont en acier et ont une masse de 3Kg.
La coque 2 est en alliage d'aluminium par exemple en AU4G.
La figure unique représente un mode de réalisation du coupla-
ge mécanique entre l'empilement 1, les contre-masses et la coque.
Chaque contre-masse 4 a une section trapézoldale dont
la grande base est placée du côté de l'empilement 1 et comporte
un logement en creux 5, dans lequel pénètre une extrémité de
l'empilement de céramiques.
Les deux contre-masses comportent un alésage axial dans
lequel passe une tige d'acier 6 qui les relie en passant dans ;
l'espace 7 situé au centre des céramiques. La tige 6 se prolonge
au delà des deux contre-masses à travers deux alésages percés
axialement à travers les extrémités 2a de la coque 2. La coque 2
peut être formée de deux demi-coques symétriques par rapport au
plan de symétrie x x'.
Les deux extrémités de la tige 6 sont filetées et deux ~`
écrous 8 sont vissés sur ces extrémités filetées et prennent
appui sur le fond d'un logement 9 en creux dans les extrémités 2a
de la coque.
Le vissage des écrous met la tige 6 en tension et applique
fortement les extrémités de la coque contre les contre-masses et
celles-ci contre les extrémités de l'empilement d'où un bon couplage
mécanique et acoustique entre ces éléments.
Selon une variante représentée en pointillés, la face
externe de chaque masselotte peut comporter un logement en creux
10 dans lequel est logé un deuxième écrou 11, qui est vissé sur
la tige filetée 6.
Dans ce cas, on assemble d'abord l'empilement de céramiques
et les deux masselottes au moyen de deux écrous 11 fixés sur la
tige 6, ce qui permet de réaliser un couplage mécanique des
masselottec et de l'emPilement de céramiques puis on place cet ` :~
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ensemble préfabriqué dans la coque 2 et on visse les deux écrous
8 pour obtenir le couplage mécanique entre la coque et l'ensemble
préfabriqué. Le coefficient de couplage obtenu est de l'ordre
de 40 à 45%.
On connalt les transducteurs électro-acoustiques de type
tonpilz, qui comportent un empilement de céramiques placé entre un
pavillon et une contre-masse qui fait fonction de point fixe.
Dans la présente application, les masselottes 4, intercalées
entre les deux extrémités de l'empilement et les deux extrémités de
la coque remplissent une fonction totalement différente qui est celle
d'abaisser la fréquence fondamentale du moteur pour l'amener au
voisinage de la fréqeunce propre des oscillations en flexion de la
coque afin d'élargir la bande passante d'un transducteur
flextensionnel.
La figure unique représente un transducteur qui comporte,
en outre, de facon connue,une peau d'étanchéité 12 qui enveloppe :-
entièrement le transducteur et qui est composée d'un film ~
élastomère. :- :
Les masselottes 4 sont en un métal ayant un coefficient: . ~
20 d'élasticité E élevé tel que l'acier, le laiton, le tungstène :-:
afin de ne pas introduire des déformations élastiques parasites des ~ ~
masselottes et d'avoir un bon couplage mécanique. -~ .
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