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DESCRIPTION
La présente invention a pour objet un proçédé d'émission de
forte puissance d'ondes acoustiques et des pavillons de transducteurs
correspondant.
Le secteur technique de l'invention est celui de 1a réalisation
de transducteurs électroacoustiques.
L'application principale de l'invention est de pouvoir augmenter
la puissance d'émission d'un transducteur immergeable, composé au
moins d'un pavillon et d'un pilier moteur, et pouvant émettre des
ondes acoustiques dans un liquide.
On connait de tels transducteurs électro-acoustiques
1 5 immergeables, et en particulier piézo-électriques, comportant un
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 COIltre-masse centrale, et dont les extrémités
opposées sont entourées d'un pavillon : ces transducteurs sont dits de
type double "Tonpilz". Lesdits moteurs électroacoustiques peuvent
étre 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 boîtier est plongé, et le
périmètre externe de ces pavillons vient au plus près du bord des
extrémités axiales ouvertes dudit boftier.
Ainsi, ces faces externes émettent dans le liquide des ondes
acoustiques lorsque les moteurs électro-acoustiques sont excités
3 O électroniquement . ces transducteurs sont utilisés notamment pour
émettre dans l'eau des ondes acoustiques basses fréquences dans une
direction déterminée; pour une application de ce type de transducteur
mono ou double "Tonpilz" à des émissions de fortes puissances, on peut
citer la demande FR. 2.663.181 de Monsieur Gilles GROSSO publiée 1e 13
Décembre 1991, qui décrit des dispositifs complémentaires pour obtenir
une puissance accrue.
Pour éviter la propagation des ondes acoustiques émises par les
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faces arrières des pavillons, à l'intérieur du boîtier, surtout quand
celui-ci est justement plein de liquide, et qui sont alors
retransmises dans le milieu ambiant malgré la rigidité dudit boitier,
on place dans la cavité remplie du liquide ambiant à l'arrière des
pavillons de tels boîtiers non étanches, divers moyens tels que des
tubes élastiques fermés, étanches et remplis de gaz, et tels que la
fréquence de résonance d'Fielmholtz de la cavité soit voisine de la
fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble vibrant;
un tel dispositif est décrit dans la demande de brevet FR. 2.665.998
du 05 Mai 1988 déposée par l'Etat Français Délégué Général pour
l'Armement. On reporte ainsi le problème de la résistance à la
pression du boitier extérieur, à la résistance desdits tubes
élastiques, qui, étant de diamètres plus faibles, permettent d'avoir
un ensemble moins lourd : d'autres moyens peuvent être développés dans
1 5 le même objectif.
Ces dispositifs nécessitent de conserver une cavité, en arrière
des pavillons, de dimensions suffisantes; or quand on veut augmenter
la puissance d'un transducteur, on augmente, d'une part bien sûr, le
volume des moteurs électro-acoustiques, ce qui se traduit par un
allongement de ceux-ci et, d'autre part, la rigidité et le coefficient
de couplage électromécanique entre les moteurs et les pavillons
cependant, cela oblige alors à augmenter l'encombrement externe du
transducteur et son poids, sinon d'une part, on ne dispose pas de
place suffisante pour disposer des moyens adaptés dans la cavité
centrale tels que décrits ci-dessus, et d'autre part, on obtient une
conversion de puissance plus faible.
De plus, mène s'il n'y a pas d'inconvénient opérationnel à
augmenter le poids et l'encombrement, la bande passante du
transducteur est alors plus étroite et plus basse que pour un
transducteur standard et ne permet pas de satisfaire éventuellement
les besoins, en fonction de l'application recherchée.
Le problème posé est en effet de pouvoir, à partir d'un
transducteur comportant au moins un pilier moteur et au moins un
pavillon qui lui est solidaire, et ayant un encombrement donné,
augmenter sa puissance jusqu' à et de l' ordre d' au moins 50x, tout en
restant dans une plage de fréquences d'émission correspondant à celle
du transducteur standard de même encombrement.
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Une solution aû problème posé est un procédé d'émission de forte
puissance d'ondes acoustiques à partir d'un transducteur tel
qu'indiqué ci-dessus, comportant au moins un pilier moteur de forme
cylindrique, et au moins un pavillon ayant des dimensions et un volume
externe déterminés pour transmettre des ondes dans une plage de
fréquence et à une puissance donnée, et solidaire pour cela d'une
extrémité dudit pilier, et tel que
- on assure le couplage entre ledit pilier et ledit pavillon par
un noyau en matériau rigide, placé au centre du pavillon;
- on réalise la couronne externe du pavillon entourant ledit
noyau en matériau plus léger que celui-ci, et complétant ledit volume
déterminé;
- on augmente la puissance d'émission du transducteur pour la
même plage de fréquence donnée.
Dans un mode préférentiel de réalisation, afin d'obtenir une
meilleure efficacité et une augmentation de puissance supérieure, on
encastre ledit pilier dans ledit noyau et on conserve le méme
encombrement externe du transducteur, en augmentant la longueur dudit
pilier,
La présente invention vise aussi un pavillon de
transducteurs d'émission d'ondes acoustiques comportant au
moins un pilier moteur (1), de forme cylindrique, dont une
extrémité est solidaire dudit pavillon (3), caractérisé en
ce qu'il est composé d'un noyau (15) central, en matériau
rigide, assurant le couplage avec l'extrémité dudit pilier
(1), et d'une couronne externe (16) entourant ledit noyau
(15) et réalisée en matériau plus léger que celui-ci et en
ce qu'il possède des dimensions et un volume externe
déterminés permettant au transducteur de transmettre des
ondes dans une plage de fréquence et à une puissance
déterminées.
Dans un mode préférentiel de réalisation, l'extrémité dudit
pilier est encastrée dans ledit noyau, et de préférence, ladite
couronne est en matériau d'aluminium ou d'alliage de ce métal pour 65
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à 85/ du volume et ledit noyau est en acier ou en alliage de ce métal
occupant le reste du volume du pavillon.
Le résultat est un nouveau procédé d'émission de forte puissance
d'ondes acoustiques, et de nouveaux pavillons de transducteurs
d'émission de telles ondes acoustiques.
Ces procédés et ces pavillons répondent en effet aux divers
inconvénients cités précédemment dans les transducteurs actuels, quand
on veut augmenter leur puissance, et permettent donc de résoudre le
problème posé et d'atteindre les objectifs fixés.
En effet, on sait que la puissance émise par un transducteur est
liée d'une part, à la quantité de céramiques, et d'autre part, au
carré du coefficient de couplage électromécanique entre le pavillon et
le moteur électro-acoustique qui le met en vibration : ce coefficient
de couplage électromécanique dépend lui-même de la forme du pilier, de
celle du pavillon, de son élasticité, de la masse centrale et de leur
assemblage, sachant qu'un facteur primordial est l'élasticité du
pavillon.
En effet, si celui-ci est trop élastique, il y aura une perte
d'énergie importante par déformation, et s'il est trop rigide, il est
alors lourd, car les matériaux qui sont rigides sont également
pesants, ce gui réduit la bande passante des fréquences, et la décale
vers les fréquences plus basses, ce qui ne correspond pas forcément
aux objectifs recherchés.
De préférence, dans la présente invention, le choix de
réaliser un pavillon en bi-matériaux, de préférence
métallique, avec un noyau central rigide et une couronne
périphérique légère, permet à la fois d'avoir une rigidité
suffisante pour obtenir un meilleur rendement de couplage,
grâ~:e au noyau, et d'autre part, d'avoir un pavillon
globalement léger grâce à la couronne, permettant de
conserver la fréquence et la bande passante voulues.
Cet allégement de la couronne externe est d'autant plus
intéressant, que c'est à cet endroit là que le volume, et donc le
poids correspondant, sont maximum.
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4a
Par ailleurs, on sait que la fréquence parasite due à la
déformation et à l'élasticité du pavillon, est une fonction de ,òE/r,
où r est la masse volumique du matériau et E son module d'élasticité,
et de 1a forme dudit pavillon . pour minimiser la perte d'énergie due
à cette déformation, il faut que cette fréquence propre soit en dehors
de la plage de fréquence de travail du transducteur. Or le rapport E/r
étant constant pour tous les matériaux métalliques, le choix d'une
masse volumique faible ne change pas cette fréquence de résonance, et
cela d'autant plus que le noyau central est renforcé par une pièce
rigide, qui peut être adaptée à la forme voulue du pavillon et permet
d'améliorer la rigidité de l'ensemble . ainsi, à volume et
encombrement égaux d'un pavillon monomatériau lourd, on peut alléger
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2137i~5
5
celui-ci, garder la même fréquence de résonance, et donc les mêmes
fréquences de travail possibles, tout en allégeant l'ensemble et en
augmentant la puissance transmissible par ledit pavillon.
En restant dans le même encombrement qu'un transducteur
5 standard, on garde ainsi le volume interne de la cavité arrière pour y
mettre des équipements tels que des baffles ou autres tubes élastiques
fermés, nécessaires aux performances de l'ensemble, et tels
qu'indiqués précédemment.
Dans le mode préférentiel indiqué précédemment, où le pilier est
1 0 encastré dans ledit pavillon, cela est d'autant plus possible, du fait
de la présence de ce noyau central rigide et résistant, qui peut
permettre un encastrement plus profond que dans un matériau léger, qui
pourrait générer des modes de fréquences parasites et qui ne
résisterait pas aux efforts de compression du pilier.
1 5 Par ailleurs, la présence de ce matériau rigide central permet
de laisser celui-ci en contact directement avec le milieu, assurant un
pont thermique, pour évacuer les calories émises par les moteurs
électro-acoustiques, car tout matériau rigide est plus autoprotégé que
les matériaux légers qui sont plus sensibles à l'oxydation.
20 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'intérêt.
La description et les figures ci-après représentent un exemple
de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif
2 5 d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de
l'étendue de l'invention, en particulier en changeant la nature des
matériaux composant ledit pavillon, qui pourraient être choisis parmi
des matériaux composites et non pas seulement métalliques.
La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un transducteur de
3 0 type indiqué précédemment, et équipé de pavillons suivant l'invention.
La figure 2 représente les courbes de variations du coefficient
de couplage et de la fréquence de résonance d'un pavillon en fonction
du pourcentage d'acier dans le volume total du pavillon.
La figure 3 est une représentation de l'allure du produit de la
3 5 fréquence de résonance et du carré du coefficient de couplage de la
figure 2, en fonction du pourcentage d'acier dans le volume total du
pavillon.
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213'~18~
6
Nous notons tout d'abord que la présente invention peut
s'appliquer à tous types de transducteurs, méme si dans l'exemple cité
ci-dessous, il n'est décrit, pour des questions de simplification de
description et du fait qu'il s'agit d'une application principale de
l'invention, que des pavillons couplés à des ,moteurs électro-
acoustiques de transducteurs type double "Tonpilz" de forme
cylindrique de révolution.
Le transducteur tel que représenté en coupe sur cette figure 1
comporte donc d'une manière connue, deux moteurs 1 électro-acoustiques
alignés sur un axe xx', placés de part et d'autre d'une contre-masse
centrale 2 et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier 5 cylindrique,
que l'on peut appeler externe recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1
jusqu'aux pavillons 3 d'extrémité de ceux-ci, la cavité '7, ainsi
délimitée par lesdits pavillons et ledit boïtier étant rempli du
liquide 4 dans lequel l'ensemble du transducteur est immergé, tel que
l'eau de mer.
Lesdits moteurs électro-acoustiques 1 et la masse intermédiaire
2 sont d'une part, tenus ensemble par une tige de précontrainte 9,
immobilisant également les deux pavillons 3 sur les extrémités du
pilier ainsi constitués, et d'autre part, assemblés grâce à
différentes pièces de liaison 11, associées elles-mémes à différentes
pièces de fixation 12, reliant lesdits moteurs électro-acoustiques au
boitier externe 5. Les divers moyens de fixation sont tels qu'ils
permettent une liberté de déplacement, d'une part des extrémités des
moteurs électro-acoustiques du côté des pavillons, et d'autre part,
des pavillons 3 eux-mèmes, par rapport à ce dit boîtier 5, de façon à
assurer la pleine émission d'ondes acoustiques dans le milieu ambiant.
Un fourreaû intérieur 13 isole la tige de précontrainte desdits
moteurs 1, et une enveloppe d'étanchéité extérieure 8 assure
3 0 l'isolation de ces moteurs 1 par rapport au milieu ambiant 4.
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
transducteur et l'ensemble des différentes pièces de liaison le
3 5 constituant sont du domaine connu et réalisables par tout homme du
métier . tous les autres éléments permettant en particulier d'obtenir
la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité telle qu'indiquée
" z~3ms~
en introduction, ainsi que les différents éléments de liaison
permettant d'améliorer la réalisation mécanique de l'ensemble sont non
figurés ici, certains ont fait l'objet de divers autres demandes de
brevets comme celles en particulier citées en introduction.
Pour permettre le remplissage de la cavité '7 par ledit liquide
4, ledit boitier externe 5 comporte au moins une ouverture 6 de
communication avec l'extérieur, ladite ouverture pouvant être
constituée de trous répartis autour de la partie cylindrique du
boîtier ou même constituée d'une ouverture périphérique circulaire
complète; de plus, de par le fait que la cavité '7 n'est pas étanche et
communique avec l'extérieur, lesdits pavillons d'extrémité 3 ne sont
pas reliés à leur périphérie au boitier 5 et peuvent d'autant plus
avoir une liberté de déplacement.
Suivant l'invention, chacun desdits pavillons 3 est composé d'un
noyau 15 central en matériau rigide, assurant le couplage avec
l'extrémité dudit pilier 1 et une couronne externe 16 entourant ledit
noyau 15, est réalisée en matériau plus léger que celui-ci.
De plus, les deux extrémités dudit pilier 1 peuvent être
encastrées dans chacun desdits noyaux 15 des pavillons 3 . en effet,
le fait d'encastrer une partie des disques de céramiques dans les
pavillons, ne modifie pas beaucoup le coefficient de couplage, car
d'un côté, on augmente ainsi l'élasticité du moteur électro
acoustique, donc cela tend à augmenter ce coefficient, et d'un autre
côté, la forme particulière du pavillon obtenu, augmente quant à elle
2 5 l'élasticité parasite et vient réduire ce coefficient.
Cependant, cette possibilité d'encastrement permet d'augmenter
le volume de céramiques pour une longueur et un encombrement externe
du transducteur équivalent.
Or, la puissance fournie par un transducteur est proportionnelle
3 0 au produit : Vc (volume de céramiques) x Fr (fréquence de résonance) x
K2 (coefficient de couplage électromécanique) . avec un pilier
encastré, on aura donc une puissance supérieure pour un encombrement
constant.
Sur la figure 1, ledit noyau 15 est représenté de forme
35 cylindrique, de même axe que celui du pilier 1 , mais il pourrait lui
être donné d'autres formes telles que tronconiques.
Gràce à la présence dudit noyau rigide 15 en matériau rigide, de
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2~.~i~.~~
8
préférence de l'acier inoxydable, celui-ci peut ëtre mis en contact
direct avec le milieu ambiant pour permettre l'évacuation thermique
des calories des moteurs électro-acoustiques 1, tel que représenté sur
la partie gauche de la figure 1, où l'enveloppe externe l'7 protégeant
l'ensemble du pavillon est ouverte autour de l'axe xx' du transducteur
pour laisser une surface 18 du noyau 15 en contact avec l'extérieur.
Pour optimiser le pourcentage de matériau léger de la couronne
16 par rapport à l'ensemble du volume du pavillon 3 et celui du noyau
rigide 15 par rapport à ce même volume, la figure 2 représente des
1 0 exemples de courbes pour un transducteur de longueur standard, tel que
par exemple 5'70 mm de long, pour une réalisation classique
correspondant à une fréquence de résonance d'environ 1658 Hertz et à
un coefficient de couplage de 48.84y. On obtient, avec un pilier
encastré et des pourcentages d'acier, de type "25CD4", pour le noyau
1 5 15 en fonction du volume total du pavillon 3
- la courbe 20 de fréquence de résonance en fonction dudit
pourcentage,
- la courbe 19 de coefficient de couplage en fonction de ce même
pourcentage.
20 Ces courbes confirment ce qui est dit en introduction parmi les
inconvénients des systèmes existants, à savoir que la présence de
l'acier rigidifie la structure et permet ainsi d'augmenter le
coefficient de couplage électromécanique; mais si l'on considère alors
la fréquence de résonance, l'apport de masse du pavillon diminue alors
25 très sensiblement cette dernière, ce qui fait perdre de la puissance
totale, même si on augmente la longueur dudit transducteur, suivant la
formule indiquée précédemment de la puissance, en fonction du volume
de céramiques, de la fréquence et du coefficient de couplage.
Pour des pavillons avec un noyau d' acier de grand volume, soit
30 supérieur à ~0~6, nous observons une baisse du coefficient de couplage
car l'effet de masse de l'extrémité du pavillon entraîne un léger
papillonnage de celui-ci.
A partir de ces deux courbes, nous pouvons tracer l'allure de la
puissance qui est fonction alors, pour un volume de céramique donné,
35 du produit Fr x K2, tel que représenté par la courbe 21 de la figure
3. Dans cet exemple représenté, nous obtenons un maximum de puissance
pour un noyau central représentant 21y d'acier par rapport au volume
.; . y ,
213'~18~
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total du pavillon.
Sur cette courbe, on obtient ainsi plus de 25x d'augmentation de
la puissance acoustique, à partir d'une puissance elle-même augmentée
de l'ordre de 30x grâce par ailleurs à l'encastrement des moteurs 1
dans les pavillons 3, ce qui au total permet d'obtenir un gain de
puissance de plus de 50% par rapport à un transducteur de même
longueur et encombrement, avec des pavillons monomatériau et des
moteurs 1 non encastrés.
Dans d'autres modes de réalisation, en utilisant d'autres
1 0 matériaux métalliques ou composites, les pourcentages de volume du
noyau 15 et de la couronne 16 peuvent être différents, mais de
préférence, quand ladite couronne 16 est en matériau d'aluminium ou
d' alliage de ce métal , son volume est de 65 à 85;~ du volume total du
pavillon 3 et ledit noyau 15, qui est alors pris de préférence en
1 5 acier ou en alliage de ce métal, tel que référencé précédemment
"25CD4", occupe le reste du volume du pavillon 3 soit de 35 à 15x
respectivement.
L'aluminium ou plutbt l'alliage de ce métal est par exemple de
type "AU4G" et son pourcentage en volume constituant ladite couronne
20 16 est de préférence, de 75 à 80~ du volume total du pavillon 3..
