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HYDROPHONE POUR LA RÉCEPTION DES ONDES
ACOUSTIQUES OU SISMIQUES
La présente invention concerne un hydrophone pour la réception des ondes
acoustiques ou sismiques.
L'état de la technique dans le domaine des hydrophones piézo-électriques, est
illustré par exemple par les brevets FR 1.556.971, 2.122.675 2.733.831 ou
2.748.183 ou les
brevets US 3.970.878, 4.336.639 ou 4 926 397, 5 541 894 ou 5 815 466.
Il est connu de constituer un hydrophone par assemblage d'éléments sensibles à
des
variations de pression, constitué chacun d'un disque réalisé en une céramique
piézo-
électrique associé à une paire d'électrodes disposées de part et d'autre.
Chaque disque est
collé sur un support flexible tel qu'un diaphragme, dont l'une des faces est
exposée aux
variations de pression à mesurer.
Le support flexible est par exemple un diaphragme supporté par un boîtier
rigide ou
bien encore ou bien la partie centrale d'une coupelle dont la partie
périphérique est
renforcée et rigide, en appui sur une coupelle identique, elle-même porteuse
d'un ou
plusieurs éléments sensibles, les deux coupelles délimitant un boîtier. Les
électrodes des
deux éléments sensibles sont interconnectées électriquement de façon à assurer
une
2 0 compensation des effets parasites dus aux accélérations.
Lorsque la pression statique extérieure augmente, les deux plaques fléchissent
jusqu'à venir en appui l'une contre l'autre. Leur écartement est choisi de
façon que leur
déformation maximale lorsqu'elles sont plaquées l'une contre l'autre, reste
dans les limites
de déformation élastique. De cette façon, le capteur est protégé contre les
surpressions
accidentelles. Le boitier ainsi constitué peut être revêtu d'une couche d'un
matériau
transparent aux ondes acoustiques.
Les éléments sensibles peuvent être fixés extérieurement au boîtier et
recouverts
d'un revêtement protecteur (tel qu'une couche d'araldite enduite d'un vernis)
de façon à
maintenir une isolation électrique suffisante entre les électrodes. La
sensibilité de ce type
d'hydrophone est bonne et varie peu (moins de 10% pour une pression statique
de 10 MPa
par exemple) avec la pression hydrostatique.
Suivant un autre agencement connu, les éléments sensibles sont fixés sur les
faces
intérieures des coupelles et donc à l'intérieur du boîtier, ce qui leur assure
une bonne
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protection contre le milieu extérieur. Cependant, avec cette disposition, les
éléments
sensibles piézo-électriques qui sont des disques de céramique frittés et donc
relativement
fragiles risquent d'être endommagés par écrasement quand l'augmentation de la
pression
hydrostatique, en incurvant les plaques, vient les plaquer l'un contre
l'autre. La sensibilité
des hydrophones avec des éléments sensibles à l'intérieur du boîtier est plus
faible et elle
diminue fortement avec l'augmentation de la pression hydrostatique, phénomène
que l'on
attribue à leur mode de fixation sur une face devenant convexe.
Il est également connu de combiner les deux types précédents dans un
hydrophone à
deux diaphragmes délimitant un boîtier clos, chacun d'eux portant une paire
d'éléments
lo sensibles, l'un à l'extérieur du boîtier, l'autre à l'intérieur, les deux
paires étant
électriquement interconnectées en parallèle de façon à compenser certains des
inconvénients inhérents aux deux modes, mais cette solution est relativement
coûteuse.
Un inconvénient commun des hydrophones à montage symétriques, avec une paire
unique d'éléments sensibles tous les deux soit à l'intérieur du boîtier, soit
à l'extérieur,
reste, comme le montre la Fig.9, la variation relativement importante de leur
capacité
électrique avec la pression hydrostatique. Elle augmente avec la pression
quand les
éléments sensibles sont à l'intérieur (courbe Cint.) alors qu'elle diminue
quand ils sont à
l'extérieur (courbe Cext).
L'hydrophone selon l'invention permet avec une seule paire d'éléments
sensibles,
2o d'éviter les inconvénients des hydrophones antérieurs à montage symétrique.
Il comporte un boîtier clos délimité par deux coupelles (réalisées par exemple
par
un procédé de formage, notamment par emboutissage) ces deux coupelles étant en
appui
l'une contre l'autre, chacune d'elles étant pourvue d'un diaphragme flexible
et au moins
deux éléments sensibles piézoélectriques associés chacun à des électrodes et
interconnectés
électriquement, ces deux éléments sensibles étant fixés respectivement aux
diaphragmes,
l'un à l'extérieur du boîtier, l'autre à l'intérieur du boîtier.
Suivant un mode préféré de réalisation, l'hydrophone comporte au moins deux
éléments sensibles de tailles différentes et par exemple de diamètres
différents.
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On interconnecte électriquement entre elles par exemple les électrodes des
éléments
sensibles non en contact avec les coupelles et les électrodes en contact avec
les coupelles.
L'hydrophone selon l'invention avec une seule paire d'éléments sensibles,
combine
les avantages des hydrophones antérieurs. Sa capacité inter-électrodes est
sensiblement
constante dans une gamme de pression étendue et, si les éléments sensibles
sont de taille
différente, on obtient une sensibilité qui est du même ordre de grandeur que
celle obtenue
avec un montage symétrique extérieur au boîtier.
Suivant un mode de réalisation, l'hydrophone comporte un tube rigide pour
contenir
au moins une unité de détection, un élément de centrage plat évidé adapté à
recevoir et
maintenir au moins un boîtier, cet élément de centrage étant destiné à être
emboîté dans le
tube rigide, et un revêtement étanche de protection pour chaque boîtier et une
partie de la
face intérieure du tube rigide.
Suivant un mode de réalisation, les coupelles de chaque boîtier sont en appui
l'une
contre l'autre par un bord périphérique et l'élément de centrage (réalisé d'un
seul tenant ou
en deux parties et amovible une fois que l'on a réalisé un revêtement étanche)
est pourvu
d'une rainure intérieure pour l'encastrement du bord périphérique des deux
coupelles du
boîtier.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention,
apparaîtront à
la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de
réalisation, en se référant
aux dessins annexés où
- la Fig.l montre schématiquement l'unité de détection de l'hydrophone, vue en
coupe,
avec un montage dissymétrique d'éléments sensibles ;
- la Fig.2 montre l'élément de centrage dans lequel s'enclipse le boîtier de
l'unité de
réception ;
- la Fig.3 montre une variante en deux parties de l'élément de centrage ;
- la Fig.4 montre une variante du mode de réalisation de la Fig.2 avec une
extrémité
ouverte ;
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- la Fig.S montre schématiquement le dispositif avec son tube contenant
l'unité de
réception ;
- la Fig.6 illustre le procédé de fabrication avec introduction de la pièce de
moulage dans
le tube, pour confiner un espace d'injection autour du boîtier enclipsé ;
- la Fig.7 montre un mode de réalisation où l'élément de centrage est retiré
après injection
et solidification de la substance formant la gaine ;
- la Fig.8 montre une variante du mode de réalisation précédent où l'on
occulte une partie
de l'espace libéré par le retrait de l'élément de centrage par des pièces de
moulage 15 ;
- la Fig.9 montre schématiquement l'allure des courbes de variation de la
capacité inter-
1o électrodes C des éléments sensibles en fonction de la pression dans le cas
d'un montage
symétrique extérieur (courbe Cext.), d'un montage symétrique intérieur (Cint.)
et dans
le cas d'un montage dissymétrique (Cint./ext.) retenu pour l'hydrophone selon
l'invention ; et
- la Fig.lO montre à titre de comparaison l'allure de la courbe de variation
de la sensibilité
(Sdissym.) en fonction de la pression, de l'hydrophone selon l'invention, et
la sensibilité
(Ssym.) que l'on peut obtenir avec un montage symétrique classique.
L'hydrophone comporte un boîtier 1 (Fig.l) constitué de deux coupelles
identiques
2, 3 disposées symétriquement, en appui l'une contre l'autre à leur
périphérie, pourvues
chacune par exemple d'un bord ou un rebord d'appui 4 et d' une partie centrale
flexible 5.
Les deux coupelles peuvent être usinées ou bien réalisées par emboutissage.
Contre la face externe de la partie centrale flexible de la coupelle 2 par
exemple, est
collé un élément sensible 6 tel qu'un disque en céramique piézo-électrique par
exemple
associé à deux électrodes 7a, 7b. Un élément sensible analogue 8 associé
pareillement à des
électrodes 9a, 9b, est fixé à la face interne de la partie flexible 4 de la
coupelle 3. Par une
traversée étanche telle qu'une perle de verre, Un conducteur électrique 10 est
associé à
l'électrode 9a de l'élément sensible intérieur 8. Il est connecté
électriquement avec un
conducteur 11 associé à l'électrode 7a de l'élément sensible 6. Les électrodes
opposées 7b,
9b de ces mêmes éléments sensibles sont en contact électrique avec les
coupelles 2, 3 et
avec un autre conducteur 12 soudé au boîtier 1. Dans le cas où le boîtier est
réalisé en un
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matériau isolant, l'interconnexion électrique des électrodes 7b et 9b est bien
sûr assurée
directement par des fils électriques distincts.
Avec ce montage dissymétrique, on vérifie que la capacité globale de
l'hydrophone
est sensiblement indépendante de la pression statique exercée par le milieu où
il est plongé
(courbe Cint./ext. sur la Fig.9), mais que sa sensibilité est relativement
faible (courbe
Sdissym. sur la Fig.lO) si les éléments sensibles 6, 8 sont identiques.
On a vérifié aussi que, l'on obtenait une sensibilité élevée (courbe S'dissym.
sur la
Fig.lO), en choisissant des éléments sensibles de dimensions différentes,
comme le
montrent les résultats expérimentaux suivants. Ils ont été obtenus avec des
disques
piézoélectriques respectivement de l2mm et 11 mm.
pression~rsultatseSensibilit Sensibilit en Capacit en
n bars en dB V/bar nF
0 -192,4 23,9 17,3
1 -192,1 24,8 17,4
2 -192,5 23,7 17,5
3 -192,7 23,2 17,5
4 -192,8 23 17,5
5 -192,8 22,9 17,4
6 -192,3 22,4 17,3
L'unité de réception 1 ainsi constitué peut être simplement enrobée dans un
revêtement transparent aux ondes acoustiques.
De préférence, on l'intègre dans un ensemble de protection comprenant (Fig.2,
3)
un élément de centrage plat et mince 13 en un matériau plastique avec un
évidement central
14 de dimensions adaptées à celle du boîtier 1. Deux bords opposés de cet
évidement
central 14 sont pourvus de rainures 15 d'écartement d entre lesquelles peuvent
venir
s'enclipser les rebords 4 des coupelles 2, 3. L'élément de centrage peut être
réalisé d'un seul
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tenant (Fig.2), ôu en deux parties 13a, 13b pourvues de rainures
complémentaires 15 dans
lesquelles le rebord 4 est engagé (Fig.3).
Deux bords opposés de l'élément de centrage 13 sont arrondis. Leur écartement
D
est adapté au diamètre intérieur d'un tube rigide 16 (Fig.S) dans lequel
l'élément de
centrage 13 après encastrement du boîtier 1 doit être placé. Les deux autres
bords de
l'élément de centrage 13 sont traversés par des ouvertures 17.
Suivant le mode de réalisation de la Fig.4, l'un des deux bords est supprimé,
l'élément de centrage 13 étant ouvert de ce côté.
L' élément de centrage 13 avec son unité de réception encastrée 1, après sa
mise en
place dans le tube 16, est noyé (Fig.S) dans une gaine d'étanchéité 18
d'épaisseur contrôlée.
A cet effet, on associe à l'ensemble (1, 13) dans son tube rigide 16, une
pièce de moulage
formant un U (Fig.6). Les deux branches 19a, 19b de ce U sont adaptées à venir
s'emboîter
à l'intérieur du tube 16 de part et d'autre de l'ensemble 1, 13, en laissant
autour de lui un
espace d'épaisseur bien déterminée. Dans cet espace laissé libre autour de
l'ensemble l, 13,
on injecte une matériau plastique acoustiquement transparent par les
ouvertures 17
ménagées dans les extrémités de la pièce de centrage. Après durcissement par
polymérisation par exemple, et retrait du U de moulage 19a, 19b, le revêtement
gaine
l'unité de réception 1 dans son élément de centrage 13 en épousant bien la
paroi intérieure
du tube rigide 16 (Fig.S).
2o Suivant le mode de réalisation de la Fig.7, on retire les deux parties 13a,
13b de
l'élément de centrage (cf. mode de réalisation de la Fig.3), après
solidification de la gaine
de protection. Tout contact direct entre le boîtier 1 et le tube extérieur
rigide 16, source
possible de transmission directe de vibrations, est alors supprimé Cet espace
libéré 20 peut
rester vide de matière mais il peut être aussi rempli en totalité par
injection d'un matériau
d'étanchéité de préférence amortisseur de vibrations, soit en totalité soit
seulement en partie
(Fig.B) par interposition avant injection de pièces de moulage 21, pour
améliorer
l'amortissement des vibrations parasites appliquées aux coupelles 2, 3
susceptibles de
parasiter les signaux.
On a décrit un mode de réalisation où le tube rigide utilisé 9 est un cylindre
de
3o révolution. Un tel tube convient particulièrement dans les applications où
les unités de
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réception doivent être disposées à intervalles réguliers dans une flûte
sismique remorquable
par un navire pour des applications en écoute sous-marine ou en prospection
sismique. On
ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en utilisant tout autre
contenant dont la
forme serait la plus appropriée pour l'utilisation envisagée.
On a décrit aussi un mode de réalisation où les coupelles 2, 3 de chaque
boîtier 1
sont pourvues de rebords 4 et l'élément de centrage 13 est pourvu de rainures
15 pour le
maintien de ces rebords. On ne sortirait pas du cadre de l'invention cependant
en utilisant
des coupelles sans rebord en appui l'une contre à leur périphérie, et un
élément de centrage
13 adapté à maintenir suffisamment un ou plusieurs boîtiers durant les
opérations
1o ultérieures de mise en place dans le tube 16.
