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Procédé d'émission d'ondes acoustiques très basses fréquences à forte
puissance, et transducteurs correspondants.
DESCRIPTION
La présente invention a pour objet un procédé d'émission d'ondes
acoustiques très basses fréquences à forte puissance, et transducteurs
correspondants.
Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation
de transducteurs électro-acoustiques pour l'émission d'ondes
acoustiques en immersion dans un liquide.
L'application principale de l'invention est la possibilité
d'émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences et à forte
puissance, quelle que soit la profondeur d'immersion.
On connaït en particulier, pour de telles émissions basses
1 5 fréquences et en immersion, des transducteurs électro-acoustiques
immergeables dits flextensionnels, qui comportent un ou plusieurs
moteurs électro-acoustiques, généralement des moteurs piézo
électriques, qui sont placés suivant un même plan à l'intérieur ou en
couronne périphérique d'une enveloppe ou coque flexible. C'est cette
2 0 coque placée au contact de l'eau, qui constitue alors la surface
d'émission des ondes acoustiques.
Ces transducteurs convertissent les oscillations de la coque
générées dans le plan où se situent les moteurs électro-acoustiques,
et dues aux effets de leur dilatation-compression, en oscillations
25 perpendiculaires à ce plan et donc de flexion de la coque, d'où leur
nom de transducteurs flextensionnels. Ils permettent d'amplifier ainsi
l'amplitude des oscillations des moteurs d'un facteur 3 et méme 4 et
d'obtenir ainsi de très basses fréquences.
On rappelle que les transducteurs flextensionnels connus peuvent
30 âtre regroupés en cinq classes selon leur forme générale de coque
- la classe I regroupe les transducteurs ayant une coque en
ellipsoïde de révolution autour d'un axe et un seul moteur électro-
acoustique, qui peut âtre piézoélectrique ou magnétostrictiF, qui est
coaxial avec l'axe de révolution de la coque, et qui est couplé
3 5 mécaniquement et acoustiquement par ses deux extrémités avec les deux
portions de surfaces de la coque situées sur l'axe de révolution.
- la classe II regroupe les transducteurs ayant une coque en
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forme de disque ou de tore de révolution autour de l'axe du disque ou
du tore. Ces transducteurs comportent plusieurs moteurs
piézoélectriques, disposés radialement autour de l'axe de révolution
de la coque et couplés mécaniquement et acoustiquement avec celle-ci,
soit par une de leurs extrémités dans le cas de forme en disque, et
l'autre extrémité s'appuyant sur un pilier central, soit par leurs
deux extrémités dans le cas de forme en tore;
- la classe III regroupe les transducteurs ayant une coque qui
comporte deux renflements à ses deux extrémités et qui a une forme
générale de type os ou diabolo;
- la classe IV regroupe les transducteurs dont la coque est un
cylindre allongé, dont la section en coupe droite a la forme d'une
ellipse ou d'une courbe fermée présentant un étranglement dans sa
partie centrale. Les transducteurs de~ cette classe comportent
plusieurs moteurs électro-acoustiques qui sont parallèles entre eux et
dont les axes sont placés dans des plans transversaux perpendiculaires
aux génératrices du cylindre et suivant la direction du plus grand axe
de la section . les deux extrémités de chaque moteur sont couplées
mécaniquement et acoustiquement avec la coque cylinc:rique;
- la classe V regroupe les transducteurs dont la coque est une
combinaison de la forme de ceux de la classe I avec ceux de la classe
IV, ou ceux de la classe II, et que l'on peut qualifier de forme en
"huitre" . il s'agit en fait d'une forme de type ellipsoïde,
éventuellement de révolution, mais aplatie et non allongée comme dans
2 5 la classe I, ou sphéroïde très aplatie, ou encore torique engendrée
par une circonférence comportant un côté rectiligne autour duquel elle
tourne et qui constitue son axe.
La présente invention concerne plus particulièrement, mais non
exclusivement, des transducteurs flextensionnels des classes IV et V
ci-dessus.
Tous les transducteurs flextensionnels présentent de nombreux
avantages, pour l'émission d'ondes basses et très basses fréquences.
mais ils présentent aussi certains inconvénients, dont celui de
nécessiter que les coques ou enveloppes sont soit fermées et étanches.
3 5 soit ouvertes et non étanches, mais alors avec des dispositifs
particuliers qui limitent à ce jour les effets de cette non
étanchéité.
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En effet, les ondes acoustiques que l'on veut émettre en basses
fréquences, ne doivent étre provoquées que par les vibrations de coque
externes, et aucune autre onde provoquée par les vibrations internes
de coque et des moteurs électro-acoustiques ne doit s'échapper de
l'intérieur de celle-ci pour ne pas perturber ladite émission basse
fréquence. Pour cela, une première solution est que cette coque peut
étre fermée et pleine de gaz . elle doit alors résister à la pression
d'immersion; ceci limite cependant l'usage de tels transducteurs à de
faibles profondeurs, car si on veut augmenter la résistance de la
coque pour résister à la pression des grandes profondeurs, on perd en
élasticité et donc en possibilité d'émission; pour ne pas avoir à
augmenter cette résistance et garder cette élasticité, des dispositifs
spécifiques ont été alors développés et certains ont méme fait l'objet
de divers brevets. .
Z 5 Tous ces dispositifs consistent en fait à utiliser la
possibilité de compenser la pression externe par une augmentation de
la pression interne, et cela de différentes façons suivant les
inventions, afin de ne pas faire supporter à un boitier étanche les
efforts de résistance à la pression externe. On peut citer par
2 0 exemple
- la demande de brevet No. FR. 2.634.292 de Monsieur Gilles
GROSSO et intitulée "procédé et dispositif pour maintenir le gaz
contenu dans une enceinte immergée en équilibre de pression avec
l'extérieur", publiée le 19 Janvier 1990, qui consiste à associer à
25 ladite enceinte immergée telle que le boitier d'un transducteur piézo-
électrique, plusieurs bouteilles contenant chacune une poche
déformable, prégonflées à des pressions différentes, et permettant
ainsi de compenser la pression hydrostatique à différentes profondeurs
d'immersion;
30 - la demande de brevet FR. 2.665.814 déposée le 10 Aoùt 1990 par
la société THOMSON sur des "transducteurs électro-acoustiques destinés
à étre 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
3 5 s'exerçant sur le pilier central de céramiques du transducteur.
On pourrait citer d'autres demandes de brevets utilisant des
systèmes pneumatiques de compensation de la pression extérieure
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d'immersion, mais comprenant toutes des moyens mécaniques et/ou
d'alimentation de gaz ou de stockage assez volumineux et/ou
compliqués.
Une autre solution connue est alors d'avoir une coque non
étanche, en la remplissant de liquide pour éviter les dispositifs de
compensation ci-dessus
- soit en utilisant un fluide différent du milieu ambiant et en
disposant une membrane de séparation faisant office également de
diaphragme flexible compensant les différences de volume interne dues
à la compressibilité du fluide intérieur, en général de l'huile, ceci
est utilisé dans la demande de brevet FR. 2.6'71.92'] publiée le 24
Juillet 1992 et déposée par l'Etat Français, sur des "transducteurs
électro-acoustiques directifs et procédés et dispositifs de
fabrication"; mais dans la présente application aux transducteurs
très basses fréquences de type flextensionnel, on ne~ peut pas
supprimer alors les ondes dues aux vibrations internes, ce qui est en
dehors du but recherché;
- soit en utilisant le liquide du milieu ambiant . la présente
invention se situe dans cette dernière catégorie, dans laquelle à ce
jour pour répondre à la fois au problème de tenue en immersion, et à
celui des ondes internes, on réalise dans la coque du transducteur des
ouvertures de communication, ayant des dimensions données pour que la
fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble soit voisine de la
fréquence de Helmholtz de la cavité et, de plus, on rajoute suivant le
cas, divers dispositifs dans ces dites ouvertures et/ou dans la cavité
formée par la coque pour ajuster les deux dites fréquences et obtenir
l'effet recherché.
Cependant, méme en ce cas, on perturbe l'émission, surtout dans
la gamme des très basses fréquences et de plus, contrairement aux
objectifs de la présente application, on baisse le niveau d'émission,
ce qui limite la possibilité d'émettre à forte puissance.
L'objectif de la présente invention est de pouvoir en effet
émettre des ondes acoustiques de très basses fréquences dans un
liquide, sans étre gèné par la profondeur, sans compliquer la
3 5 réalisation des transducteurs qui pour ces gammes de fréquence sont de
type flextensionnels et tout en permettant des émissions de fortes
puissances.
s
~13'~1~7
. ,,,,n.
On atteint cet objectif par un procédé pour émettre de telles
ondes acoustiques de très basses fréquences dans un liquide, au moyen
d'un transducteur de type connu comportant un ou plusieurs moteurs
électro-acoustiques placés suivant un méme plan à l'intérieur ou en
5 couronne périphérique d'une enveloppe flexible,, dont ils sont
solidaires au moins à une de leurs extrémités par tout dispositif
d'assemblage, à laquelle ils transmettent leurs vibrations pour que ce
soit celle-ci qui au contact dudit liquide constitue la surface
d'émission des ondes acoustiques dans celui-ci, et qui est d'une forme
telle que l'amplitude de ces vibrations soit amplifiée, et que celles
ci soient de basses fréquences; suivant le procédé de l'invention
- on laisse pénétrer ledit liquide dans toute la cavité
intérieure délimitée par cette enveloppe gràce à toute ouverture
communicante sur l'extérieur;
~ - on dispose dans la cavité un baffle en matériau alvéolaire
résistant à la pression d'immersion, qui occupe la majeure partie du
volume de la cavité et dont la surface extérieure est à une distance
constante de celle de l'enveloppe;
- on solidarise ledit baffle au dispositif ~'ascamülaaa rinc
moteurs acoustiques;
- on sollicite lesdits moteurs pour émettre lesdites ondes
acoustiques de très basses fréquences et à forte puissance.
L'objectif de la présente invention est également atteint avec
un transducteur de méme type connu que celui ci-dessus, et dans lequel
son enceinte constituée par partie de ladite enveloppe comporte au
moins toute ouverture laissant ledit liquide pénétrer dans..toute la
cavité intérieure délimitée par ladite enceinte et un baffle en
matériau alvéolaire résistant à la pression d'immersion occupant la
majeure partie du volume de la cavité, dont la surface externe est à
urie distance constante de celle de l'enveloppe vibrante, et qui est
solidaire du dispositif d'assemblage des moteurs électro-acoustiques.
Dara un mode préférentiel de réalisation, ledit matériau
alvéolaire est d'impédance acoustique inférieure à 0,'j fois celle de
l'eau, soit par exemple un matériau de type plastique cellulaire à
3 5 base de P.V.C. (Polychlorure de vinyle) et à porosités fermées.
Dans une application aux transducteurs de la classe V décrits
précédemment, dans lesquels l'enveloppe est de forme et de type
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ellipsoïde, celle-ci est composée de deux disques placés en regard
l'un de l'autre, convexes, et reliés à leur périphérie par au moins
une pièce en forme de tore, tel que ces deux disques sont juste
supportés et immobilisés à leur périphérie, chacun dans une rainure de
ladite pièce torique. ,
Le résultat est un nouveau procédé d'émission d'ondes
acoustiques très basses fréquences et à fortes puissances, ainsi que
de nouveaux transducteurs correspondants, permettant de telles
émissions.
En effet, ces procédés et transducteurs dont les
caractéristiques indiquées ci-dessus pallient aux divers inconvénients
cités précêdemment dans les transducteurs flextensionnels existant à
ce jour, répondent au problème et aux objectifs fixés; l'ouvérture de
l'enceinte permettant la communication de la cavité interne avec le
liquide externe, permet en effet d'avoir en permanence un système en
équipression, ne nécessitant pas de système de compensation . il est
important de noter que la profondeur maximum d'immersion des
transducteurs suivant l'invention est du reste uniquement limitée à la
résistance à la pression de ce matériau.
La présence de ce matériau alvéolaire occupant l'intérieur de
ladite cavité, absorbe l'effet d'une part, d'un rayonnement arrière de
la coque, et d'autre part, des vibrations des moteurs électro-
acoustiques eux-mémes qui pourraient rayonner à l'intérieur de la
cavité, comme cela est du reste utilisé dans d'autres types de
transducteurs; cependant, dans la présente invention, la présence
supplémentaire d'un film d'eau entre la masse du baffle et-la coque
vibrante, augmente l'inertie de celle-ci, ce qui permet de pouvoir
émettre des fréquences encore plus basses, de l'ordre d'au moins 30y
par rapport à un système rempli d'air.
3 0 De plus. la combinaison de différentes caractéristiques
indiquées ci-dessus, permet de maintenir un niveau de puissance
d'émission à peu près constant par rapport aux systèmes connus remplis
d'air, et dont les inconvénients sont cités précédemment, ce qui n'est
pas le cas des autres transducteurs en équipression connus.
3 5 Par ailleurs, l'immersion totale de l'ensemble des pièces du
transducteur et en particulier, de la cavité, permet un
refroidissement meilleur des moteurs électro-acoustiques par diffusion
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calorifique facilitée par la présence du fluide externe qui est l'eau,
alors que dans les systèmes remplis d'air, ce refroidissement est bien
sûr plus difficile.
Ces avantages se retrouvent bien sûr dans les systèmes immergés
tel qu'il en existe également par ailleurs, utilisant des dispositifs
permettant de jouer sur les fréquences propres, mais qui comme indiqué
ci-dessus, diminuent la puissance d'émission puisqu'on obtient alors
un élargissement de la bande passante, ce qui n'est pas l'objectif qui
est atteint dans la présente invention.
Pour les transducteurs flextensionnels de la classe V tels
qu'indiqués ci-dessus, et pour lesquels, dans un mode particulier de
réalisation, on immobilise les deux demi-coques dans un support
torique périphérique, dans lequel celles-ci ne sont ni soudées, ni
fixées d'une façon rigide, on obtient un effet de flexion plus grand
1 5 au niveau des appuis des bords périphériques, ce qui permet un plus
grand déplacement desdites coques pour le méme déplacement de
céramiques, permettant de pouvoir augmenter le niveau d'émission et
obtenir une fréquence encore plus basse.
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 une des figures 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 l'invention, en particulier, en changeant la
forme de base de la coque flexible et la disposition des.. moteurs
électro-acoustiques, comme dans les différentes classes indiquées
précédemment.
La figure 1 est une vue en perspective d'un transducteur
flextensionnel de classe IV tel qu'il peut exister à ce jour.
La figure 2 est une vue en coupe d'un transducteur
flextensionnel de classe V et réalisé suivant la présente invention.
Dans ces figures, les transducteurs représentés sont donc à
titre d'exemple pour la figure 1 un transducteur de type IV, et pour
3 5 la figure 2 un transducteur de type V . ils comportent, d'une manière
connue, un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques 1, placé suivant
un méme plan défini par les axes xx'/yy', à l'intérieur en ce qui
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concerne la figure 1 et en couronne périphérique en ce qui concerne la
figure 2 d'une enveloppe. flexible 5, dont ils sont solidaires, au
moins à une de leurs extrémités par tout dispositif d'assemblage .
soit sur la figure 1 pour les pièces ou masses de liaison 2, et sur la
figure 2 pour des pièces périphériques 10 de fixation et de liaison
avec les contre-masses 9 et les moteurs électro-acoustiques 1 reliés
entre eux par des vis d'assemblage 8; lesdits moteurs électro-
acoustiques 1 et leurs contre-masses 9 transmettent leurs vibrations à
ladite enveloppe flexible 5 qui est en contact avec ledit liquide
extérieur 4, constituant la surface d'émission des ondes acoustiques;
ladite forme en ellipsoïde aplatie de ladite surface permet
d'amplifier l'amplitude des vibrations et d'obtenir une gamme d'ondes
de très basses fréquences.
Sur la figure 1, le transducteur, de type IV représenté, a une
enveloppe flexible 5 de forme en cylindre allongé, dont la section en
coupe droite a la forme d'une ellipse, et les moteurs électro
acoustiques 1 figurés en nombre de trois dans cet exemple, sont
parallèles entre eux, suivant un axe yy' et leurs axes sont placés
dans des plans transversaux perpendiculaires aux génératrices du
cylindre suivant l'axe xx' de l'enveloppe 5.
Dans cette figure 1, les deux extrémités de chaque moteur sont
accouplées mécaniquement et acoustiquement par les pièces de liaison 2
avec la coque cylindrique 5, mais dans d'autres cas, en particulier
quand il s'agit de transducteurs de la classe II suivant la forme de
la coque de celui-ci, lesdits moteurs 1 peuvent être solidaires
uniquement à une de leurs extrémités, l'autre pouvant prendre appui
sur un pilier central faisant office de contre-masse.
Les extrémités de l'enveloppe cylindrique 5 sont fermées par des
flasques 3 qui ne participent donc pas directement à l'amplification
des vibrations de la coque 5 provoquées par celles des moteurs
électro-acoustiques 1 . pour permettre l'équipression et la
pénétration du liquide à l'intérieur de la cavité 7, un desdits
flasques d'extrémité 3 comporte au moins une ouverture 6, dont les
dimensions suivant les systèmes existants à ce jour, associées avec
3 5 les caractéristiques de l'enveloppe 5, sont déterminées de telle façon
que par couplage de l'élasticité de cette enveloppe avec la masse du
liquide 4 située dans ladite ouverture 6, la fréquence d'Helmholtz de
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la cavité 7 soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations
de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques 1 et
de tout élément associé à ceux-ci, tels que les pièces de liaison 2.
Compte tenu des inconvénients cités précédemment dans ce mode de
réalisation, un tel transducteur de type IV suivant la figure 1
pourrait âtre équipé suivant la présente invention d'1un baffle interne
15, tel que représenté dans l'exemple de la figure 2, et relié à la
partie centrale par exemple des moteurs électro-acoustiques 1,
puisqu'il ne faut pas qu'un tel baffle puisse âtre entrainé par
l'enveloppe extérieure 5 et puisse vibrer avec elle.
Dans la représentation en coupe de la figure 2 suivant le plan
xx'/zz' radiale au transducteur de type V retenu, celui-ci comporte un
anneau moteur 13 formé d'une couronne de plusieurs piliers de
céramiques ou moteurs électro-acoustiques 1 en nombre~par exemple de
1 5 huit, et associés à des contre-masses 9, reliées par diverses vis
d'assemblage 8 permettant, la continuité de la couronne périphérique
motrice 13. D'autre part des tiges 18 centrales assurent la
précontrainte des piliers de céramique 1.
La description de cet élément moteur en couronne n'est pas
précisée davantage dans le cadre de la présente description, puisqu'in
ne s'agit par de l'objet de l'invention, et il existe déjà à ce jour
différents systèmes de transducteurs utilisant une telle disposition.
Suivant cette figure 2, l'enveloppe 5 formant ladite coque
vibrante est composée de deux disques convexes reliés à leur
périphérie par au moins une pièce 10 en forme de tore, dE telle façon
que ces deux disques convexes 5 sont juste supportés et immobilisés à
leur périphérie chacun dans une rainure 1~ de la pièce 10. Les deux
disques convexes peuvent âtre tournés tous les deux vers l'extérieur,
mais également et éventuellement tous les deux vers l'intérieur ou
l'un vers l'extérieur et l'autre vers l'intérieur, mais de préférence,
on choisira l'orientation de la convexité des deux disques vers
l'extérieur comme représenté sur la figure.
Chacune des rainures l'7 est en fait portée par des éléments
disposés en couronne, et constituant les pièces 10, indépendants les
3 5 uns des autres pour chacun des deux disques opposés et convexes, et
reliés deux par deux, de part et d'autre du plan dans lequel se
situent les moteurs acoustiques 1, par tout moyen 11 de réglage en
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distance relative; lesquelles couronnes de pièces 10 comportent
chacune une surface 12 conique, coopérant avec une surface de méme
Forme, portée par une autre couronne 13 extérieure continue
périphérique, de telle façon que l'action de rapprochement d'éléments
5 de la pièce 10 par les moyens 11, diminue la longueur de la
circonférence des rainures 17 par effet de pincement et assure une
précontrainte des disques 5.
Ce choix technique de solution de mise en précontrainte de
chaque partie de coque, permet de supprimer les points de fixation qui
10 serait complexes et couteux, ainsi que tout appareillage qui
apporterait des difficultés de Fabrication. De plus, cela permet un
démontage facile des coques bombées et une maintenance nettement
améliorée du transducteur.
L'enceinte comportant l'enveloppe 5, ainsi constituée comporte
toute ouverture, non représentée sur cette coupe de figure, mais
pouvant laisser ledit liquide 4 pénétrer dans toute la cavité 7
intérieure délimitée par l'enveloppe, telle que par exemple une
ouverture entre deux moteurs 1 dans la couronne extérieure 13.
Un baffle 15 en matériau alvéolaire résistant à la pression
d' i~omersion, occupe la majeure partie du volume de la cavité 7, dont
la surface externe est à une distance constante 14 de celle de
l'enveloppe 5, et qui est solidaire dû dispositif d'assemblage 8 des
moteurs électro-acoustiques 1 en couronne 13. Cet assemblage peut étre
réalisé par des plots élastiques 16 espacés sur la structure arrière
2 5 des transducteurs 1, telle que celle constituée par les supports et
les contre-masses 9 sur toute la périphérie de cette couronne 13
extérieure.
De préférence, le matéria,~ élastique constituant lesdits plots
16 est de caractéristiques élastiques telles que sa vitesse radiale de
déplacement en compression est inférieure à dix fois celle des moteurs
électro-acoustiques.
Pour obtenir un effet d'inertie supplémentaire, tout en
permettant l'absorption des émissions d'ondes arrière, ladite distance
14 séparant les surfaces du baffle 15 de l'enveloppe 5 et remplie de
3 5 liquide 4 est comprise entre 3 à 6 mm.
Pour que ledit baffle permette d'obtenir l'effet maximum
recherché, il faut que l'impédance acoustique et spécifique, encore
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appelée impédance caractéristique du matériau qui le constitue, et
définie par le produit de sa masse volumique rm et de la vitesse Cm de
propagation des ondes dans le matériau, soit telle que : (rm x Cm) du
matériau < 0,'7 de (ro x Co) de l'eau.
Ceci est obtenu par exemple et de préférence. avec un plastique
cellulaire à base de P.V.C (polychlorure de vinylé) et à porosité
fermées, qui permet de plus, pour certaines qualités de ces mousses,
de résister à des profondeurs allant jusqu'à 1.000 mètres.
