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Procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques basse
fréquence dans un liquide en immersion illimitée.
La présente invention a pour objet des procédés pour émettre des
ondes acoustiques basse fréquence dans un liquide en immersion
illimitée, et des transducteurs qui permettent la mise en oeuvre de
tels procédés.
Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation
de transducteurs électro-acoustiques.
L'application principale de l'invention est la possibilité
d'émettre des ondes acoustiques à basses fréquences et à très grande
profondeur.
On connait en effet des transducteurs électro-acoustiques
immergeables, et en particulier piézo-électriques, qui comportent un
1 5 boitier cylindrique rigide, creux et ouvert à ses deux extrémités
axiales, et- à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement avec
celui-ci, deux moteurs électro-acoustiques identiques, placés de part
et d'autre d'une contre-masse centrale, et dont les extrémités
opposées sont entourées d'un pavillon. Lesdits moteurs électro-
2 0 acoustiques peuvent être réalisés par deux empilements de plaquettes
piézo-électriques alignés. Les faces externes des deux pavillons sont
situées dans le plan des extrémités axiales du boitier, de telle sorte
qu'elles sont en contact avec le liquide, dans lequel le boitier est
plongé, et le périmètre externe de ces pavillons vient au plus près du
2 5 bord des extrémités. axiales ouvertes dudit boitier.
Ainsi, ces faces externes émettent dans le liquide des ondes
acoustiques lorsque les moteurs électro-acoustiques sont excités
électroniquement , ces transducteurs sont utilisés notamment pour
émettre dans l'eau des ondes acoustiques basse-fréquence dans une
3 0 direction déterminée.
Cependant, un des problèmes posés par ce type de transducteur
est la propagation des ondes acoustiques émises par les faces arrière
des pavillons, à l'intérieur du boitier si celui-ci est également
plein de liquide et qui sont alors retransmises dans le milieu ambiant
3 5 malgré la rigidité dudit boïtier.
Diverses solutions ont été envisagées et proposées par des
fabricants et/ou utilisateurs, tel que par exemple l'utilisation de
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boîtiers étanches remplis de gaz, mais nécessitant que le boitier
résiste aux pressions d'immersion dans le liquide, ce qui alourdit
considérablement le poids du transducteur quand la profondeur
d'immersion est très importante.
Une autre solution est de placer à l'arrière des pavillons
entourant les extrémités des moteurs électro-acoustiques des masses ou
des amortisseurs statiques tel que de la mousse, qui absorbe alors le
rayonnement arrière et constitue avec lesdits pavillons, ce que l'on
appelle des "baffles". Cette solution est également limitëe dans ses
1 0 applications en immersion profonde, puisque lesdites masses ou
amortisseurs doivent pouvoir résister à la pression, à moins de
conjuguer cette solution avec la solution précédente, avec un boîtier
rigide, mais cela alourdit d'autant plus le système.
En fait, les deux solutions précédentes ne sont que des
extrapolations de solutions retenues pour l'émission des ondes dans
l'air.
Aussi, pour les profondeurs d'immersion assez importantes, deux
autres types de solutions ont été développés et ont mème fait l'objet
de divers brevets.
2 0 Une première catégorie de solutions consiste à utiliser la
possibilité de compenser la pression externe par une augmentation de
la pression interne de différentes façons, afin de ne pas faire
supporter à un boîtier étanche les efforts de résistance à la pression
externe . on note pour cela en particulier, la demande FR. 2.361.033
déposée par l'État Français le 03 Août 196 sur des transducteurs
piézo-électriques et antennes immergeables à grande profondeur, dans
laquelle lesdits moteurs sont disposés radialement contre la paroi
interne d'un anneau constituant alors avec lesdits moteurs un
transducteur, et plusieurs de ces transducteurs étant empilés
3 0 coaxialement, de façon à constituer une antenne, dont l'enveloppe
renferme un canal cylindrique contenant un piston et un matériau
solide élastomère, qui par l'existence d'un faible jeu entre les
parois de l'enveloppe, permet d'absorber les différentes déformations
de celles-ci.
3 5 - Une autre demande de brevet ~lo. FR. 2.634.292 de Monsieur
Gilles GROSSO et intitulé "procédé et dispositif pour maintenir le gaz
contenu dans une enceinte immergée en équilibre de pression avec
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l'extérieur" déposée le 15 Juillet 1988, consiste à associer à ladite
enceinte immergée tel que le boîtier d'un transducteur piézo-
électrique, plusieurs bouteilles contenant chacune une poche
déformable prégonflée, à des pressions différentes, et permettant
ainsi de compenser la pression hydrostatique à différentes profondeurs
d'immersion.
- On peut enfin noter la demande de brevet FR. 2.665.814 du 10
Août 1990 de la société THOMSON sur des "transducteurs électro-
acoustiques destinés à ëtre immergés", et comportant un système de
compensation automatique de la pression d'immersion grâce à des
chambres remplies de gaz et de volumes réduits, de manière à ne
compenser que les efforts axiaux s'exerçant sur le pilier central de
céramique de transducteur.
On pourrait citer d'autres demandes de brevets utilisant des
1 5: systèmes pneumatiques de compensation de la pression extérieure
d'immersion, mais comprenant toutes des moyens mécaniques et/ou
d'alimentation de gaz ou de stockage assez volumineux et/ou
compliqués.
La deuxième catégorie de solution permet de s'affranchir des
problèmes mécaniques et/ou pneumatiques ci-dessus, telle que décrite
dans la demande de brevet FR. 2.665.998 DU 05 Mai 1988 déposée par
l'Etat Français Délégué Général pour l'Armement . elle consiste à
utiliser un boitier rigide, mais non étanche, permettant de délimiter
une cavité remplie du liquide ambiant à l'arrière des pavillons, dans
laquelle on place des tubes élastiques fermés, étanches et remplis de
gaz, et tel que la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité
soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de
l'ensemble vibrant.
On reporte ainsi le problème de la résistance à la pression du
boîtier extérieur à la résistance desdits tubes élastiques, qui étant
de diamètres plus faible, permettent d'avoir un ensemble moins lourd.
Cependant, pour des grandes profondeurs, il est obligatoire
d'augmenter de toutes façons la résistance desdits tubes, ce qui
limite leur élasticité et ainsi ne permet pas d'obtenir des émetteurs
3 5 de très basses fréquences, et alourdit quand méme l'ensemble du
transducteur.
Le problème posé est en effet de pouvoir émettre des ondes
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acoustiques de basses fréquences dans un liquide, sans limitation de
profondeur et sans alourdir ou augmenter le volume et/ou la complexité
de réalisation des transducteurs.
Une solution au problème posé est un procédé pour émettre des
ondes acoustiques de basses fréquences dans un liquide, au moyen d'un
transducteur comportant deux moteurs électro-acoustiques alignés sur
un axe, placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale et
coaxialement à l'intérieur d'un boîtier cylindrique creux, recouvrant
l'ensemble desdits moteurs jusqu'aux pavillons d'extrémité de ceux-ci,
et rempli dudit liquide, dans lequel
- on réalise le boitier en matériau élastique et résistant à la
pression avec une ouverture périphérique circulaire au voisinage de
son plan médian;
- on détermine les dimensions de ladite ouverture et les
caractéristiques dudit. boitier;- de telle façon que par couplage de
l'élasticité de ce boîtier avec la masse de liquide située dans ladite
ouverture, la fréquence de Helmholtz de la cavité déterminée par le
boitier, soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations
axiales de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro
2 0 acoustiques, ladite contre-masse et lesdits pavillons.
De préférence, on associe à chacun des deux bords de ladite
ouverture une couronne de matériau résistant à la pression et faisant
partie alors intégralement dudit boitier dont elles sont solidaires.
Le résultat est de nouveaux transducteurs et procédés d'émission
2 5 d'ondes acoustiques basses fréquences, dans un liquide en grande
profondeur.
En effet, ces procédés et les transducteurs appliquant ledit
procédé répondent aux divers inconvénients cités précédemment, tout en
répondant au problème posé. Le principe retenu dans la présente
30 invention est le même que celui utilisé dans l'invention précédente
citée dans l'art antérieur ci-dessus, soit la demande de brevet FR.
2.665.998, et qui utilise la Fréquence de résonance d'Helmholtz de la
cavité située à l'intérieur du boitier, de telle Façon que celle-ci
soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de
3 5 l'ensemble vibrant.
Cependant, cette fréquence de résonance dans la demande de
brevet précédente, est obtenue par combinaison de l'ëlasticité de
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tubes situés dans ledit boîtier et de la masse d'eau située dans
l'ouverture pratiquée dans le cylindre rigide constituant ledit
boitier, alors que dans la présente invention, le cylindre n'est plus
rigide mais au contraire doit être élastique, permettant d'avoir ainsi
5 la même fonction et donc de supprimer la présence des tubes
nécessaires dans la demande de brevet ci-dessus ; la fonction de masse
ou d'inertie de la précédente demande de brevet est toujours obtenue,
mais augmentée dans la présente invention par la présence, d'une masse
d'eau plus importante dans l'embouchure de l'ouverture grâce à la
1 0 possibilité de rajouter des couronnes autour des ouvertures, ce qui
n'était pas possible précédemment à cause de la présence des tubes.
Ainsi on obtient globalement des effets similaires, même si les
performances sont moins bonnes, cela permet de répondre justement aux
besoins de profondeurs importantes et donc même illimitées de la
présente invention. Celle-ci est donc nouvelle et différente des
caractéristiques de toutes les demandes de brevets et d'équipements
existants.
Par exemple, la suppression des tubes décrits et revendiqués
dans la demande ci-dessus, permet d'éviter leur fabrication assez
2 0 complexe car leur section doit ëtre elliptique, ce qui en plus risque
de provoquer leurs ruptures par écrasement. Ainsi, en éliminant la
nécessité soit d'un boitier résistant, soit de tubes élastiques
résistants, on n'est effectivement plus limité en immersion puisque
l'ensemble du boitier et de tous les volumes sont pleins d'eau . on
2 5 peut immerger ainsi de tels transducteurs jusqu'à des profondeurs au
moins de 2 à 3000 mètres, alors que jusqu'à ce jour, on était limité à
des profondeurs de l'ordre de 500 mètres.
Dans la présente invention, c'est l'élasticité du boitier par
couplage avec la masse d'eau située dans l'ouverture pratiquée dans
30 ledit boitier qui par rupture d'impédance, arrête les ondes arrière
émises par les faces arrière des pavillons. De plus, on améliore d'une
part, cette élasticité et, d'autre part, l'importance de ladite masse
d'eau en rajoutant, de préférence, des plaques circulaires ou
couronnes à l'extrémité des bords de ladite ouverture . ainsi en
3 5 changeant les caractéristiques dudit boîtier par modification de son
élasticité et de ses dimensions et/ou de celles desdites couronnes, on
augmente la masse d'eau située dans l'ouverture et on change l'inertie
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de ce dit boitier, ce qui permet l'émission de fréquences encore plus
basses.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention,
mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en
démontrer la nouveauté et l'intérét.
La description et la figure ci-après représentent un exemple de
réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif
d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de
l'étendue de la présente invention.
La figure unique ci-jointe est une vue en coupe axiale d'un
transducteur suivant la présente invention.
Le transducteur tel que représenté en coupe sur cette figure
comporte, d'une manière connue, deux moteurs 1 électro-acoustiques,
alignés suivant un axe xx', placés de part et d'autre d'une contre-
1 5 masse centrale 2, et coaxialement à l'intérieur d'un boitier 5
cylindrique, recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'au pavillon
3 d'extrémité de ceux-ci, la cavité ~ ainsi délimitée par l'arrière
desdits pavillons et ledit boitier étant remplie dudit liquide 4.
Lesdits moteurs électro-acoustiques 1 peuvent être de type
2 0 piézo-électriques, mais également des cylindres magnétostrictifs
entourés d'une bobine d'excitation.
De tels transducteurs électro-acoustiques à double moteurs sont
dits également double Tonpilz.
Sur la figure jointe, lesdits moteurs électro-acoustiques et la
2 5 masse intermédiaire 2 sont représentés montés assemblés grâce à
différentes pièces de liaison 11, reliées elles-mêmes à différentes
pièces de fixation 12, reliant lesdits moteurs électro-acoustiques au
boitier 5 grâce à tout moyen de fixation et permettant une libérté de
déplacement des pavillons 3 d'extrémité par rapport à ce dit boitier,
3 0 mais déterminant une cavité interne '7 quasiment fermée entre les bords
respectifs 13 desdits pavillons et dudit boitier.
L'alimentation desdits moteurs électro-acoustiques 1 est fournie
par tout câble d'alimentation 10, Fixé sur lesdites pièces de liaison
11 par un connecteur électrique 14. La réalisation d'un tel
3 5 transducteur et l'ensemble des différentes pièces le constituant sont
du domaine connu et réalisables par tout homme du métier.
La caractéristique principale du procédé de la présente
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invention et du transducteur suivant celui-ci est que ledit boitier 5
est en matériau élastique résistant à la pression d'immersion; de
plus, il comporte une ouverture périphérique 6 circulaire au voisinage
de son plan médian et les dimensions de ladite ouverture 6 ainsi que
les caractéristiques du matériau constituant ledit boitier, en
particulier ses caractéristiques d'élasticité, et les dimensions de
celui-ci déterminant la masse inertielle de cet ensemble sont telles
que par couplage de l'élasticité du boitier 5 avec la masse du liquide
4 située dans ladite ouverture 6, la fréquence d'Helmholtz de la
cavité '7 déterminée par le boitier soit voisine de la fréquence
fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par
lesdits moteurs électro-acoustiques 1, ladite contre-masse 2 et
lesdits pavillons 3.
De préférence ladite fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 est
déterminée telle qu'elle soit inférieure à ladite fréquence
fondamentale.
De façon à pouvoir d'une part augmenter la masse d'eau située
dans l'ouverture 6 et d'autre part modifier l'inertie et l'élasticité
dudit cylindre, lesdits bords de ladite ouverture 6 sont associés
chacun à une couronne 8 de matériau résistant à la pression et qui
peut donc être du même matériau que celui dudit cylindre 5 auquel il
est solidaire et fait partie intégrante.
Lesdites couronnes 8 sont des plaques circulaires situées de
préférence à l'intérieur dudit boîtier 5, de façon à ne pas augmenter
son encombrement, mais elles pourraient être situées de part et
d'autre de ladite ouverture ou même uniquement à l'extérieur.
De préférence, de façon à obtenir un meilleur effet de
résonance, cette ouverture 6 est symétrique par rapport au plan médian
perpendiculaire à l'axe xx' du transducteur.
3 0 Le matériau utilisé pour la réalisation dudit boitier 5 et
desdites couronnes ou plaques circulaires 8 peut être du métal ou de
la fibre composite tel que de la fibre de carbone.
