Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
WO 92/13338 PGT/FR92/00025
w ~~~lv
TRANSDUCTEUR ACOUSTIQUE FLEXTENSEUR
POUR II~MEERSION PROFONDE
La présente invention se rapporte aux transducteurs
acoustiques du type flextenseurs susceptibles d'étre immergés à
une profondeur importante sans subir de àégats et en
fonctionnant toujours correctement. Elle s'applique à l'émission
et/ou à la réception des ondes acoustiques sonores ou
ultra-sonores dans les milieux fluides tels que l'espace
sous-marin .
Les transducteurs flextenseurs connus sont composés
généralement par une coque flexible, étanche, à paroi latérale
cylindrique de section droite elliptique, mise en vibration par
un ou plusieurs piliers ou barreaux de cellules piézoélectriques
en céramique. Chaque pilier est maintenu en compression entre
les parties opposées les plus éloignées de la paroi latérale. En
émission, un champ électrique alternatif est appliqué dans la
direction longitudinale de chaque pilier et le mouvement
résultant, qui a lieu suivant l'axe longitudinal de chaque
pilier, est retransmis, amplifié, au milieu liquide environnant,
l'amplitude de ce mouvement étant maximum dans le plan
engendré par les petits axes des ellipses formées par chaque
section droite.
Une précontrainte en compression des cellules
piézoélectriques de chaque pilier est nécessaire pour éviter le
bris de la céramique lorsque les piliers sont sollicités en
extension .
Cette précontrainte est, selon un premier mode de
réalisation connu, fournie directement par la coque su moment de
l'assemblage des plliers. Les logements prévus dans la coque
pour les plllers ont, avant l'assemblage, des longueurs
inférieures h oelles des piliers. Pour mettre en plaoo les
piliers, ll suffit d'appliquer deux forces extérieures opposées
sur les parties en regard les plus rapprochées de la paroi
WO 92/13338 PGT/FR92/00025
,,.
2 , ï ...
latérale pour comprimer la coque à cet endroit et provoquer par
déformation élastique de celle-ci une augmentation juste
suffisante de la longueur des logements pour permettre
l'installation des piliers . La farce de précontrainte est
appliquée lorsque l'action des deux forces extérieures est
supprimée. Les piliers restent alors comprimés dans leurs
logements entre les parties de la paroi latérale intérieure de
la coque en contact avec leurs extrémités .
Ce mode de réalisation exige, pour obtenir un
fonetionnernent correct des transducteurs à une profondeur
déterminée, de donner à l'amplitude des deux forces extérieures
une valeur supérieure à celle qui est exercée normalement par la
pression hydrostatique à cette profondeur. Ceci a pour
inconvénient de limiter l'utilisation de ces types de
transducteurs aux profondeurs pour lesquelles la force de
précontrainte du pilier peut encore être assurée, pour évitez le
bris de la céramique constituant les cellules piézoélectriques .
Selon un deuxième mode de réalisation connu, la force
de précontrainte de chaque pilier peut ëtre obtenue au moyen
d'une tige traversant chaque pilier suivant son axe
longitudinal, les extrémités de la tige étant maintenues par
boulonnage à la coque. Mais dans ce cas, la pression
hydrostatique exerce, par l'intermédiaire de la coque, un effort ,
de traction sur chaque pilier qui entraine, lorsqu'il est trop
fort, une rupture de la céramique composant les cellules
piézoélectriques .
Enfin selon un troisiême mode de réalisation connu,
dont une description peut être trouvée dans le brevet US 4 420
826, l'empilement des cellules piézoélectriques peut ëtre
réalisé le long d'une tige de précontrainte qui n'est pas fixée
par ses extrémités à la coque. Le maintien de l'empllement est
assuré par deux ralls pour ne pas être soumis, comme dans le
mode de réalisation précédemment décrit, à un effort de traction
dirigé selon l'axe longitudinal du pilier. Cependant, là encore,
lorsdue l'immersion du transducteur est telle qu'un ou deux
WO 92/13338 ~ ~ ~ ~ av ~ ~ PGT/FR92/00025
.:
3
côtés des piliers ne sont plus en contact avec la coque, le
transducteur ne peut plus fonctionner correctement.
La demanderesse a également proposé dans le demande
de brevet français n° 88 14416 déposée le 4/11/88 deux autres
modes de réalisations d'un transducteur flextenseur dans
lesquels on ajoute aux piliers de céramique une contremasse, qui
peut être éventuellement assurée par un dispositif fluidique.
Ces dispositifs fonctionnent correctement mais ces organes
supplémentaires compliquent leur fabrication.
Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un
transducteur acoustique flextenseur pour immersion profonde,
comportant une coque creuse de section oblongue et un moteur
électroacoustique destiné à exciter cette coque selon le grand
axe de cette section, principalement caractérisé en ce qu'il
comprend en outre des moyens viscoélastiques permettant
d'absorber sans présenter de résistance mécanique appréciable
les efforts exercés par la coque sur le moteur sous l'effet des
déformations provenant de l'immersion, et présentant une raideur
importante aux fréquences de fonctionnement du moteur pour
2p communiquer à la coque les vibrations de ce moteur avec un bon
rendement.
D'autres particularités et avantages de l'invention
apparaïtront clairement dans la description suivante faite à
titre d'exemple non limitatif en regard des . figures annexées qui
représentent
- la figure 1, une vue en coupe d'un transducteur
selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2, un diagramme caractéristique du
matériau composant la pièce 104 de la figure 1 ;
- la figure 3, une vue en coupe d'un deuxième mode
de réallaation ; et
- la figure 4, des vues en coupe de profll et de
dessus d'un troiaiéme mode de réalisation.
On a représenté sur la figure 1 une vue en coupe
d'un transducteur flextenseur du type 4 selon le classement
WO 92/13338 pCT/FR92/00025
~~~ ~~.~~~:~ 4
établi par ROYSTER dans la revue JASA N° 38, 1965 p. 879 z
880.
Ce ~transducteur comprend une coque de section
elliptique 101 dans laquelle est inséré un moteur piézoé-
p lectrique 102 placé selon le grand axe de l'ellipse et qui
s'appuie par ses deux extrémités sur les faces intérieures de la
coque pour la faire vibrer, sous l'influence d'une tension
électrique, selon un axe OX parallèle à ce grand axe. Sous cette
influence toute la coque se met à vibrer et l'amplitude du
mouvement est maximum selon un axe OY parallèle au petit axe
de l'ellipse .
Lorsqu'un tel transàucteur doit fonctionner à unP
immersion profonde, par exemple supérieure à 100m, la coque se
déforme en s'aplatissant selon un axe OY, et donc en
s'élargissant selon l'axe OX puisque l'intérieur 103 ne
communique pas avec l'extérieur et ne contient donc que de l'air
à la pression athmosphérique. Cet élargissement tend à tirer sur
le moteur 102, formé d'un empilement de céramiques
piézoélectriques. Comme celles-ci ne supportent pas les efforts
Z~ de traction, elles risquent de se casser en dynamique.
Selon l'invention, on insére, sensiblement au milieu
du moteur 102, une pièce 104 formée d'un matériau viscoélastique
dont la raideur statique est faible et la raideur dynamique est
élevée. Dans l'exemple représenté, pour faciliter Ia réalisation
?5 mécanique, on a inséré en outre deux plaques d'acier
intermédiaires 105 et 106 entre cette pi'ece viscoélastique et
les céramiques composant le moteur, mais cette disposition n'est
pas essentielle. De méme sur le dessin les dimensions de la
piéce viscoélastique et des plaques métalliques sont
30 représentées sensiblement égales à celles des plaques de
céramique formant le moteur, mais le d3mensionnement exact sers
choisi en fonction des caractéristiques des matériaux utilisés .
Alnsl lorsque le transducteur est immergé, la coque
101 s'écrase et les deux parties droite et gauche du moteur
' .5 Situéeq do part et d'autre de la pléce 104 s'écartent en
WO 92/13338 PCTlFR92/00025
~~a ~~l~lJ
-..
exerçant une traction sur celle-ci. Comme la compliance (inverse
de la raideur) statique du matériau utilisé est forte, celui-ci
se déforme progressivement sous l'influence de la déformation de
la coque et il s'étire sans exercer de traction appréciable sur
les deux parties du moteur. Celles-ci ne sont donc pas soumises
à des efforts de traction susceptibles de les casser.
Par contre lorsque le moteur est soumis aux tensions
électriques alternatives destinées à générer la vibration
acoustique, comme la compliance du matériau viscoélastique
utilisé est très faible pour les fréquences utilisées, qui
correspondent sensiblement à la fréquence de résonance du
transducteur, ce matériau se comporte comme s'il était
parfaitement rigide. Le barreau formé par les deux parties du
moteur, les plaques d'acier et la pièce 104, vibre ainsi d'un
seul bloc en transmettant ses vibrations à la coque du
transducteur.
Le matériau utilisé présentant une différence de
compliance, ou de raideur, entre les basses fréquences qui
correspondent aux sollicitations statiques et les hautes
fréquences qui correspondent aux sollicitations dynamiques, on
peut résumer le comportement de la pièce formée avec ce
matériau en disant qu'elle se comporte comme un filtre mécanique
passe-haut.
Un transducteur est caractérisé par
K . raideur du moteur piézoélectrique
m
K : raideur de la coque
c
Q . facteur de qualité B (fréquence de résonance
30sur bande de fréquence).
Si Pl est la pression limite pour laquelle le moteur est
désolidarisé de la coque, KO la raideur statique du joint et K
sa raideur dynamique complexe (K = K'+jK") , on a
G"_ K"
35tB d - G.
WO 92/13338 , '~ ~ ~ ~ ~ j ~ 6 PCT/FR92/00025
..._
G étant le module de cisaillement complexe (G = G' ~ jG") .
Les contraintes sur le matériau du joint sont , pour
une pression hydrostatique à atteindre égale à nPl:
K,; K
____~ _____
(n-1) (~ + K~ )
1 K + K~~li2
K > Km et fr # - _--- fo
+ K~ J
où f0 est la fréquence de résonance avant la mise en place des
joints.
On obtient donc
gd > 3 QKm
Cette dernière condition permet d'obtenir un rendement
supérieur à 75°b.
Divers matériaux permettent de fabriquer un tel joint.
Une caractéristique typique permettant de sélectionner ces
matériaux est qu'ils ont une transition vitreuse à la
température ambiante dans la gamme de fréquences considérées .
A titre d'exemple, on peut utiliser comme matériau un
polyuréthanne, dont a représenté sur la figure 2 le module de
raideur G exprimé en N/m2 et le facteur dé perte tgd en
fonction de la fréquence en Hz.
On constate que la transition est obtenue pour une
fréquence sensiblement égale à 10 2Hz, c'est-à-dire pour des
sollicitations sur le matériau évoluant très lentement (période
100 secondes correspondant typiquement à l'écrasement
progressif de le coque du flextenseur lorsque celui-ci s'immerge
de plus en plus profondément) . La valeur G du module à
cette transition est alors sensiblement égale à 4.106 N/m2.
Dès que l'on atteint une fréquence de 1000 Hz,
largement inférieure aux fréquences utilisées dans le
flextenseur, le module atteint 1, 5. lOS N/m2 et tg g vaut
5.10 Z . La dynamique des raideurs est alors égale à 37, 5 pour
WO 92/13338 ~ ~ ~ ~ ~, ~~ ~ . PCT/FR92/00025
ce matériau, ce qui permet d'obtenir des résuitats tout à fait
satisfaisants .
Le matériau viscoélastique peut ëtre placé en bien
d'autres endroits et on a représenté sur le figure 3 un deuxième
mode de réalisation dans lequel un joint 304 est inséré entre la
coque 301 et le moteur 302.
Ce moteur 302 comprend un empilement de céramiques
sousmis à une précontrainte ~ l'aide d'une tige 311 qui traverse
l'empilement de part en part. Des écrous de serrage 312
viennent se visser aux extrémités de la tige pour comprimer les
céramiques par l'intermédiaire d'une pièce d'appui métallique '
313 et d'une rondelle isolante 314.
Le joint viscoélastique 304 est formé de deux plaques
insérées de part et d'autre entre la coque et la pièce 313. Dans
cette configuration ce joint fonctionne en flexion alors que
dans l'exemple de réalisation précédent il fonctionnait en
compression, mais le résultat est le même.
Selon le cas l'autre extrémité du transducteur
flextenseur de la figure 3 peut ëtre identique à l'extrémité
représentée sur cette figure, ou bien le moteur peut être
directement fixé sur la coque. La réalisation ne comportant
qu'un joint d'un seul côté est plus facile à fabriquer mais ce
joint est soumis à des déformations plus importantes, qui ne
sont pas toujours souhaitables.
2g Pour fixer les idées et bien montrer les ordres de
grandeur des moyens de réalisation de l'invention, on
considérera un transducteur flextenseur de classe 4 dont la
profondeur est égale à 10 cm de long et dont la fixation est
conforme à la figure 3 aux deux extrémités de ce moteur. La
coque comporte donc 4 joints plats de 10 cm de long (2 de
chaque côté) . Les caractéristiques typiques d'un , tel
transducteur sont par exemple
- pl = 30 bars - fr = 3 kHz -Km = 109 N/m
WO 92/13338 PCT/FR92/00025
2~~~fl~~
8
- Q = 4, 2 - Kc = 2.108 N/m
Avec n - 3 (donc P limite = 90 bars), on obtient
KO = 8, 3 .107 N/m
p
La raideur KO est égale à G0. é, où GO est le
module statique, égal avec le matériau décrit ci-dessus à
4.106 N/m2, S et e étant respectivement la surface, totale et
l'épaisseur des joints.
On obtient pour la surface d'un joint (S/4) une valeur
de 25 cm2 soit une hauteur (suivant OX) égale à 2,5 cm. Si
l'épaisseur de coque est par exemple de 15 mm, on fabriquera le
transducteur en épaississant cette coque au niveau du raccord
avec le moteur.
La raideur dynamique vaut alors
K = KO . GO= 3,1.109, de sorte que K = 3 Km.
La nouvelle fréquence de résonance obtenue est donc proche de
2, 5 kHz et on est donc bien dans le domaine utilisable vu plus
haut.
Pour la condition liée au rendement, c'est-à-dire
K/tgd >3 QKm~ on a K/tga = 6,2.1010 tandis que 3 QKm
est égal à 1, 26.1010. Le rendement est donc nettement
supérieur à 75°~.
L'invention s'étend également aux autres types de
flextenseurs, tels que ceux de classe 2 ou 5.
Dans ce cas, comme représenté sur la figure 4, le
flltre viscoélastique 404 a la forme d'un anneau placé entre le
moteur 402, lui-même en forme d'anneau, et la coque 401 qui se
présente soue la forme de deux coupoles assemblées par leurs
circonférences.
