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La présente invention se rapporte aux émetteurs acoustiques
sous-marins utilisés sous des immersions importantes, pouvant atteindre par
exemple 1000 m. Ces émetteurs acoustiques peuvent être utilisés pour
s effectuer des repérages sous-marins selon la technique des sonars.
II est connu de réaliser des émetteurs acoustiques sous-marins
permettant d'obtenir un diagramme d'émission omnidirectionnel dans un
plan, généralement en gisement. On utilise pour cela un empilement de
céramiques piézo-électriques annulaires qui vibrent radialement. Pour
io obtenir un bon rendement acoustique on fixe ta fréquence d'émission
sensiblement à la fréquence de résonance des anneaux. Des valeurs
opérationnelles courantes sbnt un diamètre de 20 cm environ pour une
fréquence d'émission de l'ordre de 5 KHz.
Pour des immersions relativement faibles, correspondant par
Is exemple à celles d'un sonar de coque, la pression hydrostatique de l'eau
influence de manière négligeable le fonctionnement d'un tel émetteur.
Ainsi on connaït du brevet US 3, 444, X08 un récepteur
acoustique sous-marin suspendu par un câble à une bouée. Ce dispositif ne
permet pas d'atteindre de grandes immersions, en raison de la longueur
zo limitée du câble. II comporte un tube support terminé par deux tapes dont
la
structure n'apparait pas particulièrement adaptée pour étre résistante aux
effets d'une immersion à grande profondeur. En outre, étant récepteur, ce
dispositif n'a pas à supporter de grands efforts mécaniques provenant des
ondes acoustiques, comme c'est le cas dans un émetteur.
2s On connait aussi du brevet US 5, 099, 460 l'usage de joints pour
protéger des anneaux de céramique acoustique contre les chocs.
Lorsqu'on veut procéder à des explorations à de plus grandes
profondeurs, en plaçant par exemple l'émetteur dans un poisson remorqué
sous une immersion importante, l'influence de la pression hydrostatique sur
3o cet émetteur devient de plus en plus importante et finit par perturber son
fonctionnement d'une manière excessive. On peut mémo dans certains cas
assister à un endommagement, voire à une destruction, de l'émetteur en
raison de la superposition des contraintes hydrostatiques et des contraintes
dynamiques provenant de (a vibration nécessaire à l'émission de l'onde
35 acoustique. Pour obtenir en efFet une puissance d'émission acoustique
FEUILLE MODIFIES
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suffisante, on est amené à solliciter la céramique pié-zo-électriques par un
champ électrique important qui entrains des contraintes internes qui peuvent
étre très fortes, au point de provoquer des fractures d2 la céramique, ce qui
nécessite alors de limiter la puissance rayonnée.
A grande profondeur, les anneaux de céramique d~ diamètre R et
d'épaisseur e sont soumis à une pression hydrostatique dont la composante
radiale génére dans la céramique un? contrainte elle-méme amplifiée d'un
facteur R . A titre d'exemple ce facteur d'amplification est de l'ordre de 10
pour une profondeur d2 1000 m et on obtient donc une contrainte d'origine
radiale de l'ordre de 106 hectopascals ( 1000 bars ) .
En outre, la force axiale due à la pression hydrostatique sur les
extrémités de l'émetteur atteint pour une profondeur de 1000 m et un
émetteur de 20 cm de diam~tre une val=ur da 300 000 Newtons (30 tonnes).
Cette fore appliqué= sur la trancha des anneaux de céramique engendre
une autre contrainte suppl~m~ntair~ de l'ordre d~ ô00 000 hectopascals
(ô00 bars). Outre les risques d= fracture la résultante de ces deux
contraintes supplémentaires entrains des conséquences graves en
modifiant les coe~~ici~nts piézo-électriques des céramiques, d'où une dérive
des performances sur le niveau sonore et sur les imp=lances de l'antenne.
Ces dérives présentent au moins parti?Ilement un caractère irréversible qui
peut s'aggraver au fur et à m=surs des immersions successives. La
compensation de tous ces effets est sinon impossible tout au moins di~~ïcile
et coûteuse à mettre en oeuvre.
En outre, pour des raisons proprement acoustiques bien connues,
il est utile de d~coupl=r mécaniquement les uns des autres les anneaux de
céramique empilés les uns sur les autres pour former l'antenne de manière à
pouvoir obt?nir les performances souhaitées sur le diagramme d'émission de
l'émetteur acoustique. Des forces aussi importantes que C2II25 cltees plus
haut dues à des immersions profondes rendent impossible, par des moyens
utilisés habituell=ment, un tel découplage mécanique entre las anneaux de
céramique.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un émetteur
acoustique sous-marin pour grande immersion, du type comprenant un
ensemble d'anneaux piézo-électriques empilés pour former un cylindre
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émetteur, qui est enfilé sur un tube supportant à ses deux extrémités des
tapes,
caractérisé en ce que ledit tube est apte à résister à la composante axiale de
la
pression hydrostatique appliquée sur les tapes pour protéger l'empilage des
anneaux de l'action de cette composante axiale, et en ce qu'il comprend en
outre un ensemble d'anneaux de découplage insérés respectivement entre les
anneaux piézo-électriques et dont l'efficacité provient de la réduction des
contraintes axiales due au tube résistant.
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D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront
clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif
en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1, une vue de dessus et de cbté en coupe de deux
s anneaux piézo~lectriques séparés par un anneau de découplage ;
- (a figure 2, une vue en coupe de l'anneau de découplage de la
figure 1 ;
- la figure 3, une vue en coupe verticale d'un émetteur selon
l'invention ; et
lo - la figure 4, une vue en coupe d'une partie du tube interne de
l'émetteur de la figure 3.
Les deux anneaux de céramique piézo-électrique 101 et 102
représentés sur la figure 1 sont formés dans cet exemple de réalisation par
des segments 103 polarisés alternativement dans un sens et dans l'autre
ls selon la circonférence des anneaux. Ces Polârisatioris sont représentées
par
les flèches 104. Ces segments comportent entre eux des électrodes radiales
qui sont alimentées par des connexions 105 de manière à les faire se
contracter et se dilater en fonction des signaux appliqués par ces
connexions. Dans ces conditions, l'anneau s'élargit et se rétrécit de manière
Zo radiale au rythme de ces signaux. Ce mouvement radial est représenté par
les flèches 106.
Pour découpler l'anneau 101 par rapport à l'anneau 102,
l'invention propose de séparer ces deux anneaux par un anneau
intermédiaire 107, qui présente plutôt dans le cas de la figure la forme d'une
Zs rondelle car son épaisseur dans cet exemple de réalisation est nettement
plus faible que sa largeur.
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Un tel anneau de découplage doit présenter des câractéristiques
mécaniques relativement contradictoires. En effet, il doit résister à la
pression axiale résiduelle pour ne pas s'écraser d'une manière excessive, ce
qui correspond normalement à une dureté relativement importante (le
s caractère résiduel de cette pression axiale sera explicité plus loin dans le
texte). D'autre part, il doit présenter une impédance en cisaillement faible
vis-à-vis de l'impédance de cisaillement des anneaux de céramique, de
manière à obtenir un découplage efficace, ce qui correspond normalement à
une élasticité relativement grande, donc à une dureté plutôt faible.
o Pour obtenir simultanément ces deux résultats, l'invention
propose de réaliser les anneaux intermédiaires de découplage selon une
structure tricouche représentée sur la figure 2.
Cette structure tricouche est formée d'une couche interne 201
dure et rigide entourée de deux couches externes 202 et 203 souples et
15 élastiques. De cette manière, la couche interne s'oppose à l'écrasement
alors que les couches externes permettent un jeu relativement libre des
anneaux de céramiques les uns par rapport aux autres.
On obtient cette caractéristique, qui correspond à une impédance
en cisaillement faible, en jouant sur les caractéristiques (module de
2o cisaillement, coefficient de Poisson, pertes) des matériaux qui constituent
cet anneau et sur les dimensions (épaisseur, hauteur, diamètre) des trois
couches. Compte tenu de la bande de fréquence dans laquelle doit
fonctionner l'émetteur, on peut optimiser dynamiquement les caractéristiques
de cet anneau intermédiaire en le modélisant, de manière connue dans l'art,
2s sur un principe masse-ressort dans lequel les deux couches externes 202 et
203 jouent le rôle de ressorts apportant la compliance nécessaire et la
couche interne joue le rôle de la masse apportant l'inertie souhaitée.
Dans la pratique, et pour les dimensions et fréquences pré-citées,
en utilisant une couche centrale en polyéthylène d'une épaisseur de l'ordre
3o du millimètre entourée par deux couches externes en né0prène ayant
sensiblement la même épaisseur, on obtient déjà un résultat très proche du
résultat souhaité et l'on Peut affiner ce résultat en modifiant
expérimentalement les épaisseurs. L'optimisation est obtenue très
rapidement après quelques essais.
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On assemble alors les anneaux de céramique avec les autres
éléments formant la structure de l'émetteur pour obtenir un émetteur complet
tel que représenté sur la figure 3.
Cet émetteur est donc constitué d'un empilement d'anneaux en
s céramique piézo-électriques 101 séparés par des anneaux de découplage
301. Sur la figure, ces anneaux ont été représentés monoblocs pour des
besoins de simplification, alors que leur structure est bien entendu celle de
la figure 2.
Le diamètre interne de ces anneaux de découplage est ici plus
lo petit que le diamètre interne des anneaux de céramique, ce qui permet de
venir les encastrer dans une rainure circulaire externe ménagée dans des
anneaux de caoutchouc de centrage 302. Le diamètre externe de ces
anneaux de centrage est égal au diamètre interne des anneaux de
céramique.
is On enfile alors cet ensemble sur un tube interne 303 dont le
diamètre externe est égal au diamètre interne des anneaux de centrage 302.
Outre cette fonction de centrage, ces anneaux 302 permettent également de
découpler la vibration des anneaux de céramique par rapport au tube 303.
Ce tube se termine à sa base par un épaulement extérieur 304 sur lequel
zo repose le dernier anneau de découplage et le dernier anneau de centrage.
Le tube se termine également en haut par un épaulement intérieur 305.
On vient alors faire reposer l'épaulement externe 304 sur une
tape inférieure 306 qui constitue la base de l'émetteur.
On ferme ensuite cet ensemble par une tape supérieure 307 qui
25 constitue le sommet de l'émetteur et qui vient reposer sur l'épaulement
interne 305 et sur le premier anneau de découplage supérieur et le premier
anneau de centrage supérieur.
Au fur et à mesure de l'assemblage des différents anneaux sur le
tube interne 303, on a fait passer les connexions 308 des anneaux de
3o céramiques par des trous ménagés dans les anneaux de centrage.
L'ensemble de ces connexions repasse à l'intérieur du tube interne par un
trou ménagé d2nS Celui-Ci. II ressort ensuite de l'émetteur par un passage
étanche non représenté 2t ménagé par exemple dans la tape supérieure
307.
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On termine l'assemblage en recouvrant la face extérieure des
anneaux de céramiques et des anneaux de découplage par une chemise
309 en matériau acoustiquement transparent, du polyuréthanne par
exemple.
Selon l'invention, le tube interne 303 supporte l'essentiel des
efforts dus à la pression qui s'exerce sur les tapes inférieure 306 et
supérieure 307. L'effort appliqué par ces tapes sur les anneaux de
découplage d'extrémité inférieur et supérieur et par conséquent sur
l'ensemble des anneaux de céramique et des autres anneaux de
1o découplage est alors considérablement réduit et se limite essentiellement à
la valeur de précontrainte obtenue à l'assemblage en utilisant le tube 303
comme tige de précontrainte pour précontraindre à une valeur faible et
maîtrisée l'empilage de céramiques, de façon à obtenir des caractéristiques
acoustiques reproductibles dans l'air et dans l'eau.
~s Pour cela il est nécessaire d'utiliser un tube interne 303 dont le
coefficient élastique soit le plus faible possible et qui ne présente pas de
forme trop massive pour éviter d'alourdir à l'excès l'émetteur. Geci permet en
outre d'utiliser un tube creux dont le volume intérieur peut âtre utilisé pour
loger au moins une partie de l'électronique de traitement des signaux
2o appliqués aux céramiques.
Pour obtenir ces résultats, l'invention propose de réaliser ce tube
interne 303 dans un matériau composite formé de fibres bobinées avec un
angle d'inclinaison très faible par rapport à l'axe vertical de ce tube, comme
représenté de manière schématique sur la figure 4. Ces fibres seront
2s immobilisées à l'intérieur d'une matrice de maintien. A titre d'exemple on
utilisera un matériau de type carbone/résine, dont on sait que les
performances sont à l'heure actuelle parmi les meilleures disponibles_
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, les
anneaux de céramiques et les anneaux de découplage sont identiques. A
3o titre de variante, l'invention propose d'utiliser des anneaux de découplage
dont la hauteur et éventuellement la constitution sont variables de l'un à
l'autre afin de modifier le découplage entre les anneaux de céramique selon
leur position dans l'émetteur. Cette modification de découplage petm2t d2
modifier 12s vitesses radiales de déplacement des céramiques. c'est à dire
35 les amplitudes relatives d'émission des ondes acoustiques des anneaux les
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uns par rapport aux autres. On obtient ainsi un profil de vitesse radiale sur
toute la hauteur qu'on peut faire varier dans de grandes limites. Comme on
le sait la forme du diagramme de rayonnement de l'émetteur dépend
beaucoup de ce profil de vitesse, en particulier en ce qui concerne
s l'atténuation des lobes secondaires. Le profil ainsi obtenu peut donc être
adapté aux conditions opérationnelles dans lesquelles on souhaite utiliser
l'émetteur. On pourrait aussi faire varier la hauteur des anneaux de
céramique piézo-électriques, ce qui donnerait un degré de liberté
supplémentaire pour configurer l'émetteur.
