FR2593660A1

FR2593660A1 - Systeme de convertisseur acoustique.

Info

Publication number: FR2593660A1
Application number: FR8700787A
Authority: FR
Inventors: Edwin Steinebrunner; Wolfram Berger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1987-07-31
Also published as: NL193046B; CA1278369C; SE465748B; JPS62230200A; ZA87461B; NL193046C; IT8719168A0; SE8700306L; US4768615A; GB2186465A; DE3602351C1; IT1202427B; NL8700177A; FR2593660B1; GB2186465B; SE8700306D0; AU577721B2; GB8701465D0; AU6783787A

Abstract

Une plaque oscillatrice flexible 30 couplée avec le convertisseur électroacoustique 21 à 27 est excitée à osciller en flexion à une fréquence d'ordre relativement élevé, oscillations déterminant des lignes circulaires concentriques de nîoeuds sur la plaque oscillatrice flexible, entre lesquelles s'étendent alternativement des zones annulaires de ventre d'oscillation oscillant en opposition de phase. Un dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique 40 comporte d'une part des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 devant chacune des zones de ventre d'oscillation d'un premier ensemble qui oscillent en phase les unes avec les autres, et d'autre part des ouvertures 43 laissant passer les ondes acoustiques, qui se trouvent devant les autres zones de ventre d'oscillation qui oscillent en opposition de phase avec les zones de ventre d'oscillation du premier ensemble. Utilisation pour produire de manière très simple une émission fortement directionnelle. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

L'invention concerne un système de conver-

tisseur acoustique comportant un convertisseur élec-

troacoustique, une plaque oscillatrice flexible qui est couplée avec le convertisseur électroacoustique et qui est constituée de façon àa à la fréquence de fonction- nement du système, être excitée à osciller en flexion

à une fréquence d'ordre relativement élevé, oscilla-

tions au cours desquelles des lignes de noeuds se for-

ment sur la plaque oscillatrice flexible, entre les-

quelles s'étendent alternativement des zones de ventre d'oscillations oscillant en opposition de phase, le système comportant en outre des dispositions destinées à

influer sur le rayonnement acoustique émis par la pla-

que oscillatrice flexible.

Des systèmes de convertisseurs électroacous-

tiques de ce type sont utilisés en particulier comme

émetteurs acoustiques et/ou comme récepteurs acousti-

ques pour mesurer les distances d'après le principe de l'écho-sonde. Selon cette technique, on mesure la durée de parcours d'une onde acoustique émise par un émetteur acoustique pour atteindre un objet réfléchissant et la durée du retour à un récepteur acoustique de l'onde acoustique écho réfléchie sur l'objet. Connaissant la vitesse du son, la durée de parcours est une mesure de la distance à mesurer. La fréquence de l'onde acoustique peut se trouver dans le domaine audible ou dans le domaine des ultratons. Dans la plupart des cas, on

mesure la distance suivant le procédé du temps de par-

cours d'une impulsion, dans lequel on émet une courte impulsion acoustique et on reçoit l'impulsion écho réfléchie sur l'objet. Dans ce cas le même système de

convertisseur acoustique peut être utilisé alternative-

ment comme émetteur acoustique et comme récepteur acoustique.

La mesure de distance au moyen d'ondes acous-

tiques est largement employée pour mesurer les niveaux de remplissage. Pour cela le système de convertisseur acoustique est installé au-dessus du matériau dont on veut mesurer le niveau, au-delà du plus haut niveau qui puisse se présenter, de façon qu'il émiette vers le bas une onde acoustique, sur le matériau dont on veut mesurer le niveau, et qu'il reçoive l'onde acoustique écho réfléchie vers le haut sur la surface du matériau dont on veut mesurer le niveau. La mesure de la durée de parcours de l'onde acoustique permet alors de déd uire la distance entre la surface du matériau dont on veut

mesurer le niveau et le système de convertisseur acous-

tique, et, connaissant la hauteur à laquelle est monté

le système de convertisseur acoustique, on peut calcu-

ler à partir de là le niveau à mesurer.

Pour obtenir de grandes portées dans la mesure de distance par ondes acoustiques, il faut des

systèmes de convertisseurs acoustiques à forte puis-

sance et bon rendement, afin que le signal reçu en écho

ait encore une intensité suffisante pour être exploité.

Le rendement dépend principalement de deux facteurs:

1. de l'adaptation du système de convertis-

seur acoustique à l'impédance du milieu de transmission;

2. de la directivité du système de convertis-

seur acoustique à l'émission et à la réception des ondes acoustiques.

Les plaques oscillatrices flexibles utili-

sées dans les sytèmes de convertisseurs acoustiques connus servent à adapter l'impédance. Pour la mesure

de niveau le milieu de transmission des ondes acous-

tiques est gazeux, par exemple c'est de l'air, et il

en va de même dans beaucoup d'autres domaines d'appli-

cation. Les convertisseursélectroacoustiques usuels,

comme les convertisseurs piézoélectriques, les convertis-

seurs magnétostrictifs, etc., ont en général une impé-

dance acoustique très différente de l'impédance de l'air ou d'autres milieux de transmission gazeux. C'est pourquoi dans les systèmes de convertisseurs acoustiques

connus ils ne servent qu'à exciter les plaques oscilla-

trices flexibles de grande surface, qui forment le radiateur ou récepteur acoustique proprement dit, et qui assurent une bonne adaptation d'impédance à l'air

ou à d'autres milieux de transmission gazeux.

En ce qui concerne la directivité recherchée, les plaques oscillatrices flexibles de grande surface

apparaissent de même être avantageuses, car, comme on-

le sait, un lobe de rayonnement est d'autant plus serré que la dimension de la surface rayonnante est grande par rapport à la longueur d'onde. Par contre, les systèmes de convertisseurs acoustiques comportant une plaque oscillatrice flexible mise en oscillations de flexion d'ordre relativement élevé, posent le problème que les

zones de ventre d'oscillation, qui oscillent alternati-

vement en opposition de phase, rayonnent aussi des ondes acoustiques en opposition de phase, qui interfèrent les unes avec les autres. Le diagramme de rayonnement qui en résulte n'a, dans l'axe perpendiculaire à. la plaque oscillatrice flexible, qu'une intensité de rayonnement

relativement faible; il a toutefois des lobes de rayon-

nement concentriques à l'axe et d'autres pointes secon-

daires gênantes.

Pour éviter ce diagramme de rayonnement défa-

vorable, on sait d'après la revue "The Journal of the Acoustical Society of America", Vol. 51, n 3 (2e partie), p. 953 à 959, constituer avec des épaisseurs différant de façon alternative les régions de la plaque oscilla- trice flexible correspondant aux zones de ventre

d'oscillation. La différence d'épaisseur est dimension-

née de façon que les ondes acoustiques émises par les régions les plus épaisses soient décalées en phase de 180 . Les ondes acoustiques émises par toutes les zones de ventre d'oscillation ont alors la même phase, de

sorte que le diagramme de rayonnement présente un maxi-

mum de rayonnement marqué dans la direction de lraxe, sous la forme d'un lobe étroitement directif. La fabrication d'une telle plaque oscillatrice flexible est toutefois compliquée et coûteuse. De plus, le système de convertisseur acoustique équipé d'une telle plaque oscillatrice flexible a une bande très étroite, car la rotation de phase de 180 n'est réalisée que pour une fréquence tout à fait précise, fixée par la structure de la plaque oscillatrice flexible. Ceci n'est donc pas approprié à un fonctionnement en impulsion. Enfin, il

est également impossible d'adapter la plaque oscilla-

trice flexible à une autre fréquence de fonctionnement.

Dans un système de convertisseur acoustique connu à partir du brevet européen 0 039 986, les régions de la plaque oscillatrice flexible correspondant aux

zones de ventre d'oscillation alternatives sont égale-

ment constituées de façon à donner une rotation de phase de 1800 aux ondes acoustiques engendrées par une zone sur deux des zones de ventre d'oscillation, de sorte que les ondes acoustiques émises par toutes les zones de ventre d'oscillation sont sensiblement en

phase. A cette fin, on applique sur les régions concer-

nées de la surface émettrice de la plaque oscillatrice flexible un matériau assurant la propagation acoustique avec de faibles pertes, d'une épaisseur telle que l'on obtienne la rotation de phase désirée. Comme matériau assurant la propagation acoustique avec de faibles pertes destiné à cette fin, on propose des matières plastiques mousse à alvéoles ferméesou des élastomères non transformés en mousse. Ce matériau doit être découpé suivant la forme des zones de ventre d'oscillation et être collé sur la plaque oscillatrice flexible. Il en

résulte des problèmes, lorsque le système de convertis-

seur acoustique est soumis en fonctionnement à des sollicitations mécaniques ou à des actions chimiques, comme cela est en particulier le cas dans la mesure de niveau. Les parties en matière plastique collée sont

très vulnérables et ne présentent qu'une faible résis-

tance à l'encontre de nombreux milieux chimiquement

agressifs. En outre, ils augmentent le danger de forma-

tion de dépôts de matériaux de remplissage poussiéreux ou pulvérulents ou collants, qui affectent l'aptitude

au fonctionnement.

D'autre part, on connait d'après le JP-A 58-124 398, un système de convertisseur acoustique, dans lequel une mince plaque comportant des ouvertures est installée devant une plaque vibrante reliée à un convertisseur piézoélectrique. De plus, on prévoit un radiateur en cornet. De nombreux exemples sont donnés

en ce qui concerne l'aménagement, le nombre, la gran-

deur et la forme des ouvertures pratiquées dans la pla-

que mince. Mais dans ce système de convertisseur acous-

tique, la plaque vibrante n'est pas une plaque oscilla-

trice flexible. Au contraire, la forme conique de la plaque vibrante fait qu'elle oscille comme un tout rigide à la manière d'un piston. Il n'y a donc pas de

lignes de noeuds sur la plaque vibrante, entre les-

quelles se trouveraient des zones de ventre d'oscillation oscillant alternativement en opposition de phase, et il n'est donc pas possible d'affecter les ouvertures pratiquées dans la plaque mince à de telles zones de

ventre d'oscillation.

Le but de l'invention est de réaliser un système de convertisseur acoustique du type indiqué

au début, ayant un bon rendement et une bonne caracté-

ristique d'émission, qui soit facile à fabriquer, fiable,à très large bande et facilement adaptable à

d'autres fréquences de fonctionnement.

Suivant l'invention, le système de convertis-

seur est caractérisé par un dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique comportant d'une part des barrières d'arrêt des ondes acoustiques, qui sont imperméables aux ondes acoustiques, sont situées à distance de la plaque oscillatrice flexible, et qui,

acoustiquement découplées de cette dernière, se trou-

vent devant chacune des zones d'un premier ensemble de zo-

nes de ventre d'oscillation oscillant en phase les unes avec les autres, et d'autre part des régions laissant passer les ondes acoustiques, qui se trouvent entre les barrières d'arrêt des ondes acoustiques, devant les autres zones de ventre d'oscillation, qui oscillent

en opposition de phase avec les zones de ventre d'oscil-

lation du premier ensemble.

Lorsqu'on utilise le système de convertisseur acoustique conforme à l'invention en tant qu'émetteur, on ne transmet que des ondes acoustiques de même phase, tandis que les ondes acoustiques en opposition de phase

sont supprimées par les barrières à ondes acoustiques.

Lors de l'utilisation en récepteur acoustique, l'onde acoustique incidente ne peut agir que sur des zones de ventre d'oscillation de la plaque oscillatrice flexible qui oscillent en phase. Ainsi, dans les deux cas, on retrouve la même bonne adaptation d'impédance et la

même bonne directivité que dans les sytèmes connus.

Ceci est toutefois atteint au moyen d'un dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique, qui est totalement séparé de la plaque oscillatrice flexible, alors qu'aucune modification n'affecte la plaque oscil- latrice flexible elle-même. La suppression des ondes acoustiques non désirées a lieu par réflexion sur les barrières d'arrêt des ondes acoustiques et/ou par

absorption par ces dernières. Ce résultat est large-

ment indépendant du matériau dont sont constituées les barrières d'arrêt des ondes acoustiques. Le matériau

du dispositif de mise en forme du rayonnement acousti-

que peut par conséquent être choisi, d'une part en tenant compte des conditions d'emploi du système de convertisseur acoustique, et d'autre part en vue d'une fabrication simple et rationnelle. En particulier, le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique peut être constitué de façon à être mécaniquement robuste et résistant à la corrosion. Par un choix

approprié du matériau, on peut aussi diminuer le ris-

que de formation d'un dépôt. Si néanmoins un dépôt se formait, le système peut être facilement nettoyé, et

de plus il se présente aussi un effet d'auto-

nettoyage par suite des amplitudes relativement gran-

des des oscillations de la plaque oscillatrice flexible.

Le système de convertisseur acoustique conforme à l'invention est à très large bande, car la suppression des ondes acoustiques non désirées repose sur un effet de barrage, qui est le même pour toutes les fréquences, et qui est indépendant du respect de

déphasages précis. Il opère comme un filtre acousti-

que, car en liaison avec le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique, il laisse passer de préférence,à la réceptionnles fréquences acoustiques qui excitent la plaque oscillatrice flexible à sa fréquence de fonctionnement désirée. En outre, par simple remplacement du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique, on peut facilement adapter le

système à des fréquences de fonctionnement différentes.

Selon un mode de réalisation, les barrières d'arrêt des ondes acoustiques sont constituées par un matériau acoustiquement réfléchissant, par exemple en

métal, et peuvent être recouvertes d'un matériau absor-

bant les ondes acoustiques au moins du côté tourné vers

la plaque oscillatrice flexible.

Selon un autre mode de réalisation, les bar-

rières d'arrêt des ondes acoustiques sont en matériau

acoustiquement absorbant.

La largeur des barrières des ondes acousti-

ques peut être sensiblement égale, ou inférieure, ou

supérieure à la largeur des zones de ventre d'oscilla-

tion qui leur sont affectées.

Dans les deux derniers cas, les différences entre les largeurs des barrières d'arrêt des ondes

acoustiques et celles des zones de ventre d'oscilla-

tions qui leur sont affectées peuvent être variables

le long du diamètre de la plaque oscillatrice flexible.

Les barrières d'arrêt des ondes acoustiques peuvent être planes, et constituées par des parties monobloc d'une plaque qui présente des découpures constituant

les régions perméables aux ondes acoustiques.

- Le profil des barrières d'arrêt des ondes

acoustiques peut ainsi ne pas être plan.

Il peut encore être prévu que le long des bords des barrières d'arrêt des ondes acoustiques, sont rapportées deslèvres d'étanchéité en matériau élastique souple, qui touchent la plaque oscillatrice flexible de façon à isoler de l'extérieur l'interstice qui se trouve entre la plaque oscillatrice flexible et

chacune des barrières d'arrêt des ondes acoustiques.

D'autres particularités et avantages de

l'invention résulteront encore de la description ci-

après.

Aux dessins annexés, donnés à titre d'exem-

ples non limitatifs: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un système de convertisseur acoustique selon l'invention; la figure 2 est une vue frontale du système de convertisseur acoustique comportant le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique, vu du bas de la figure 1;

la figure 3 est une représentation schéma-

tique destinée à illustrer le fonctionnement de la plaque oscillatrice flexible du système de convertisseur acoustique de la figure 1;

20. la figure 4 est une représentation schémati-

que destinée à illustrer le fonctionnement du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique du système de convertisseur acoustique de la figure 1;

la figure 5 montre une variante de réalisa-

tion de la barrière d'arrêt des ondes acoustiques du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique; la figure 6 montre une autre variante de la barrière d'arrêt des ondes acoustiques du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique;

30. les figures 7 à 12 montrent diverses for-

mes de la section transversale des barrières d'arrêt des ondes acoustiques du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique; et

la figure 13 est-une représentation par-

tielle d'un dispositif de mise en forme du rayonnement

acoustique comportant des lèvres d'étanchéité rappor-

tées sur les barrières d'arrêt des ondes acoustiques

et destinées à empêcher la formation de dépôts.

Le système de convertisseur acoustique 10 représenté à la figure 1 comporte un bottier 11 ayant un tronçon tubulaire 12. Le tronçon 12 est fermé à une

extrémité par un fond 13, et se transforme à son extré-

mité opposée ouverte, en un tronçon élargi 14, qui a la forme d'une cuvette plate comportant un bord 15. Dans une ouverture du fond 13 est installée une traversée de

câble 16. La totalité du boîtier 11 présente une symé-

trie de révolution autour de son axe A-A, de sorte que le bord 15 du tronçon élargi 14 est circulaire, comme

le montre la figure 2.

Dans le tronçon tubulaire 12 est aménagé un convertisseur électroacoustique 20, qui, dans l'exemple

de réalisation représenté, est un convertisseur piézo-

électrique. Il est constitué de deux disques piézoélec-

triques 21 et 22, qui sont disposés en sandwich avec interposition d'une électrode intermédiaire 23 entre deux électrodes extérieures 24, 25. Le bloc sandwich constitué des disques piézoélectriques 21, 22 et des électrodes 23, 24, 25, est serré entre une masse

d'appui 26 et une masse de couplage 27. Les deux élec-

trodes extérieures 24 et 25 sont reliées électrique-

ment à un conducteur de raccordement commun 28.

L'électrode intermédiaire 23 est reliée à un deuxième

conducteur de raccordement 29. Ainsi, les deux dis-

ques piézoélectriques 21, 22 sont électriquement bran-

chés en parallèle, tandis qu'ils se trouvent mécanique-

ment en série.

Dans le tronçon plat élargi 14 est disposée une mince plaque ronde 30, capable d'osciller en flexion

et reliée mécaniquement au convertisseur électroacousti-

que 20 par l'intermédiaire d'une tige 31. La plaque oscillatrice flexible 30 est serrée en son milieu entre la tige 31 et une douille 32 montée de l'autre côté par une vis 33 qui traverse la plaque 30 par une ouverture centrale, et qui est vissée dans un alésage fileté axial pratiqué dans la tige 31. La plaque 30 se trouve à distance du fond du tronçon élargi 14 du bottier, et son diamètre est quelque peu inférieur au diamètre intérieur du bord 15. Le bord de la plaque 30 est enrobé dans un joint d'étanchéité souple 34, qui s'étend tout autour du côté intérieur du bord 15. Le

joint d'étanchéité 34, qui, à titre d'exemple, est cons-

titué de caoutchouc mousse néoprène, empêche les corps

étrangers indésirés, de pénétrer à l'intérieur du bot-

tier 11 tout autour du bord de la plaque 30, et sert essentiellement au découplage des bruits de structure

entre la plaque oscillatrice 30 et le bottier 11.

L'intérieur du tronçon de bottier tubulaire 12 peut être rempli d'une masse de remplissage, qui

toutefois laisse libre un passage pour la tige 31.

Sur le côté frontal du bord 15, à distance de la plaque oscillatrice flexible 30, est fixé par trois vis 41 (figure 2), un dispositif de mise en forme

du rayonnement acoustique 40. La forme et le fonction-

nement du dispositif de mise en forme du rayonnement

acoustique 40 vont être expliqués plus tard en détail.

Le système de convertisseur acoustique 10

représenté à la. figure 1 sert à transformer des oscil-

lations électriques en ondes acoustiques, qui sont émises dans la direction de l'axe A-A, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la plaque oscillatrice

flexible 30, ou bien à transformer des ondes acousti-

ques qui viennent de cette direction, en oscillations électriques. A la figure 1, la direction de l'émission et de la réception est verticale audessous du système de convertisseur acoustique, ce qui correspond au montage usuel lorsque le système de convertisseur acoustique est utilisé à la manière d'une écho-sonde pour mesurer un niveau. Dans cette application, le

système de convertisseur acoustique est monté au-

dessus du plus haut niveau susceptible de se présenter, et les ondes acoustiques se déplacent à travers l'air vers le bas jusqu'à ce qu'elles rencontrent la surface du matériau dont on veut mesurer le niveau, et s'y

réfléchissent. Le temps de parcours des ondes acousti-

ques permet de déduire la distance qui sépare la sur-

face du matériau dont on veut mesurer le niveau, du système de convertisseur acoustique, et à partir de

cette distance on peut calculer le niveau. Pour mesu-

rer le temps de parcours, les ondes acoustiques sont généralement émises sous la forme de courtes impulsions, et on mesure l'intervalle de temps jusqu'à l'arrivée de

l'impulsion-écho. Dans ce cas le système de convertis-

seur acoustique représenté peut être utilisé alterna-

tivement comme émetteur acoustique et comme récepteur

acoustique.

Pour d'autres applications, par exemple pour la mesure des distances, le système de convertisseur acoustique peut naturellement fonctionner dans n'importe

quelle autre direction.

Dans tous les cas, pour obtenir de grandes portées avec un rendement aussi bon que possible,

c'est-à-dire pour recevoir des signaux échos suffisam-

ment forts avec une puissance d'émission la plus fai-

ble possible, deux exigences doivent être satisfaites: 1. Une bonne adaptation du système de convertisseur acoustique à l'impédance acoustique du

milieu de transmission, par exemple l'air.

2. Une bonne directivité, c'est-à-dire un pouvoir directif aussi étroit que possible du faisceau d'ondes acoustiques (du rayonnement acoustique) dans la direction de transmission désirée, donc dans la

direction de l'axe A-A.

Pour satisfaire-à la première exigence, on

utilise la plaque oscillatrice flexible 30 comme radia-

teur acoustique. On va expliquer son fonctionnement en

référence à la figure 3.

Lorsqu'on applique une tension électrique

alternative aux électrodes 22, 23, 24, par l'intermé-

diaire des conducteurs de raccordement 28, 29, les dis-

ques piézo-électriques 21, 22 sont le siège d'oscilla-

tions d'épaisseur, qui sont transmises par la tige 31, de sorte que cette dernière est mise en oscillations

longitudinales dans le sens de l'axe A-A. Ces oscilla-

tions longitudinales sont indiquées dans la figure 3 par la double flèche F. La fréquence de fonctionnement du système, c'est-à-dire la fréquence de l'oscillation électrique, et ainsi la fréquence de l'oscillation

mécanique engendrée par le convertisseur piézo-

électrique, est nettement supérieure à la fréquence propre de résonance de l'oscillation en flexion de la plaque oscillatrice flexible 30, de sorte que la plaque oscillatrice flexible 30 est excitée par la tige 31 en oscillations de flexion d'ordre relativement élevé. Le bord de la plaque oscillatrice flexible 30 est,par suite de la souplesse du matériau du joint d'étanchéité 34,

amortie acoustiquement en ce qui concerne sa structure.

Sur la plaque oscillatrice flexible 30, se constitue par

conséquent le système d'ondes stationnaires repré -

senté en coupe sur la figure 3, comportant plusieurs lignes de noeuds K1, K2...,K7 qui se trouvent au repos, entre lesquels se trouvent des ventres de vibration

B1, B2..., B6. La région centrale de la plaque oscilla-

trice flexible 30, qui se trouve à l'intérieur de la ligne de noeuds K1 et qui est reliée à la tige 31 est également une zone de ventre d'oscillation BO dont l'oscillation est forcée par la tige 31. Comme la plaque oscillatrice flexible 30 est circulaire, les lignes de noeuds K1, K2..., K7 sont des cercles concentriques centrés sur le point milieu de la plaque oscillatrice flexible 30. La figure 3 représente l'état oscillatoire

de la plaque oscillatrice flexible 30, pour l'excur-

sion maximale de la région centrale BO, par une ligne pleine dans une direction, et par des pointillés pour l'excursion maximale dans l'autre direction. Dans un but de clarté, les amplitudes des oscillations sont fortement exagérées sur le dessin. On peut voir sur la représentation que dans chaque paire de zones de ventre d'oscillation séparées l'une del'autre par une ligne de noeuds, ces deux zones oscillent en opposition de phase l'une par rapport à l'autre. Ainsi les zones de ventre d'oscillation impaires B1, B3, B5 oscillent en phase les unes par rapport aux autres, mais en

opposition de phase avec les zones de ventre d'oscilla-

tionpaires B2, B4, B6.

La plaque oscillatrice flexible 30 de grande surface mise en oscillations de flexion d'ordre élevé fournit une bonne adaptation d'impédance au milieu de

transmission qu est l'air ou autre milieu de transmis-

sion gazeux. Chaque zone de ventre d'oscillation engen-

dre une onde acoustique, qui se propage dans le milieu

de transmission contigu. En ce qui concerne la direc-

tivité à laquelle on aspire, il subsiste toutefois le problème résultant de ce que des ondes acoustiques

engendrées par des zones de ventre d'oscillation voisi-

nes sont à chaque fois en opposition de phase l'une par rapport à l'autre. A la figure 3, ces ondes acoustiques sont indiquées par des flèches, et les phases des ondes acoustiques sont représentées par les sinusoides qui s'étendent le long des flèches. On voit ainsi que les ondes acoustiques en provenance des zones de ventre d'oscillation B1, B3, B5, sont en opposition de phase avec les ondes acoustiques en provenance des zones de ventre d'oscillation BO, B2, B4, B6. On sait qu'une telle répartition des ondes acoustiques ne fournit aucune directivité marquée dans la direction de l'axe perpendiculaire à la plaque oscillatrice flexible 30; au contraire, le diagramme de directivité a de forts lobes de rayonnement latéraux concentriques à cette

direction d'axe, ainsi que d'autres pointes secondai-

res plus faibles. Par suite de cette mauvaise directi-

vité, en particulier pour les mesures à grande distance, la majeure partie de l'énergie acoustique émise est

perdue, sans revenir au système de convertisseur acous-

tique.

Le même système de convertisseur acoustique peut aussi être utilisé comme récepteur acoustique;

dans ce cas une onde acoustique incidente met la pla-

que oscillatrice flexible 30 en oscillations de flexion, lesquelles, par l'intermédiaire de la tige 31, sont transmises au convertisseur piézoélectrique 20, et

sont transformées par ce dernier en un signal électri-

* que dont la fréquence est celle de l'onde acoustique incidente. Le système de convertisseur acoustique a, à la réception, le même diagramme de directivité

qu'à l'émission.

Le dispositif de mise en forme du rayonne-

ment acoustique 40,installé sur le côté frontal du système de convertisseur acoustique, a pour but

d'améliorer la directivité du système de convertis-

seur acoustique. Le principe du fonctionnement du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique est représenté à la figure 4. La figure 4 montre de la même manière que la figure 3, la plaque oscillatrice flexible 30 mise en oscillations d' ordre élevé, avec les lignes de noeuds Kl,K2..., K7 et les zones de ventre d'oscillation BO, B1..., B6. Le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique comporte

des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42, c'est-

à-dire des parties essentiellement imperméables aux ondes acoustiques, qui sont aménagées à distance les

unes des autres devant une zone de ventre d'oscilla-

tion sur deux, et comporte des régions 43 qui laissent passer les ondes acoustiques et qui se trouvent devant les zones de ventre d'oscillation se trouvant entre les précédentes.Dans l'exemple représenté à la figure 4,

les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 se trou-

vent devant les zones de ventre d'oscillation impaires B1, B3, B5, et elles empêchent les ondes acoustiques en provenance de ces zones de ventre d'oscillation de traverser. Par contre, devant les zones de ventre d'oscillation paires BO, B2, B4, B6, se trouvent des régions 43 qui laissent passer les ondes acoustiques, et qui, dans le cas le plus simple, peuvent, comme celà est représenté à la figure 4, être formées par des ouvertures libres (intervalles, ajours). Les ondes

acoustiques engendrées par les zones de ventre d'oscil-

lation BO, B2, B4, B6 peuvent passer sans entrave à

travers les régions 43. Ainsi, seules des ondes acous-

tiques en phase se propagent en aval du dispositif de

mise en forme des ondes acoustiques. Ces ondes acous-

tiques en phase fournissent, comme on le sait, un diagramme de rayonnement comportant un lobe marqué

dans la direction de l'axe du rayonnement, perpendicu-

laire au plan de la plaque oscillatrice flexible,

tandis que les pointes secondaires gênantes sont large-

ment atténuées. L'angle d'ouverture du lobe est d'au-

tant plus petit, que le diamètre de la plaque oscilla-

trice flexible est grand par rapport à la longueur d'onde de l'onde acoustique dans le milieu de transmissions Pour empêcher les ondes acoustiques de passer, les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42

du dispositif de mise en forme du rayonnement acousti-

que 40 peuvent agir soit par réflexion, soit par absorp-

tion, soit enfin par les deux effets à la fois. Dans le cas de la réflexion, les ondes acoustiques arrêtées peuvent aller et venir plusieurs fois entre la plaque oscillatrice flexible 30 et les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42, jusqu'à ce que finalement elles s'annulent peu à peu. Il importe que les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 soient bien découplées acoustiquement de la plaque oscillatrice flexible 30, afin qu'elles-mêmes n'entrent pas en oscillation, et n'émettent pas d'ondes acoustiques. On peut atteindre ce découplage acoustique en aménageant les barrières d'arrêt des ondes acoustiques à une distance suffisante

de la plaque oscillatrice flexible 30.

Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 2, le dispositif de mise en forme des ondes acoustiques 40 est fabriqué à partir d'une plaque métallique circulaire et mince, qui présente des découpures 44 en forme d'arcs de cercle, lesquelles, ensemble avec un trou circulaire 45 pratiqué au milieu,

forment les régions 43 perméables aux ondes acoustiques.

Les tronçons en forme d'anneaux circulaires 46 de la

plaque métallique demeurés en place entre les découpu-

res forment les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42. Elles sont tenues ensemble par des entretoises radiales 47, qui sont demeurées en place entre les découpures 44 le long de deux diamètres qui se trouvent à angle droit l'un par rapport à l'autre. En trois emplacements du pourtour du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique 40, sont formées des pattes attenantes 48, qui servent à le fixer au moyen de vis

41 à la face frontale du bord 15 du boîtier 11.

Le matériau constituant le dispositif de mise en forme des ondes acoustiques 40, peut être choisi suivant les conditions d'environnement dans lesquelles travaille le système de convertisseur acoustique. En particulier dans le domaine de la mesure de niveau, le dispositif de mise en forme des

ondes acoustiques peut être soumis à de fortes sollici-

tations mécaniques ou à des milieux chimiquement agres-

sifs. En cas de fortes sollicitations mécaniques, le dispositif de mise en forme des ondes acoustiques peut être en acier, tandis que dans le cas de l'action de

milieux chimiquement agressifs, on utilise de préfé-

rence des matériaux résistant à la corrosion, comme

des métaux revêtus ou des aciers spéciaux. Naturelle-

ment le dispositif de mise en forme du rayonnement

acoustique peut aussi être fabriqué en matière plasti-

que. Dans l'exemple de réalisation représenté, la largeur des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42, et par suite aussi la largeur des régions 43 perméables aux ondes acoustiques, et qui se trouvent entre ces barrières, est égale à la largeur des zones de ventre d'oscillation correspondantes situées entre deux lignes de noeuds de la plaque oscillatrice flexible 30. Ceci n'est nullement obligatoire. Les barrières d'arrêt des ondes acoustiques peuvent aussi être plus larges ou plus étroites que les zones de ventre d'oscillation, et les régions de recouvrement le long du diamètre de la plaque oscillatrice flexible peuvent alors être variables. Le rayonnement acoustique émis n'en sera pas fondamentalement affecté, car les régions de la

plaque oscillatrice flexible qui se trouvent à proxi-

mité des lignes de noeuds, par suite de leur faible amplitude de mouvement,ne contribuent que faiblement à l'intensité acoustique. Pour la même raison, le

système de convertisseur acoustique équipé du disposi-

tif de mise en forme du rayonnement acoustique présente

une bonne aptitude à avoir une large bande. Si la fré-

quence de fonctionnement varie, les lignes de noeuds se décalent sur la plaque oscillatrice flexible, de sorte que les zones de ventre d'oscillation se décalent par rapport aux barrières d'arrêt des ondes acoustiques du

dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique.

Jusqu'à une certaine ampleur de ce décalage, le rayon-

nement acoustique émis n'est pas fondamentalement affecté. D'autre part, on peut adapter facilement et rapidement le système de convertisseur acoustique à une autre fréquence de fonctionnement en remplaçant la douille 32. Il suffit ensuite de remplacer le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique par un autre dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique, dans lequel la forme et la position des barrières d'arrêt des ondes acoustiques sont adaptées au tracé des lignes de noeuds qui se mettent en place à l'autre

fréquence de fonctionnement.

Le système de convertisseur acoustique a l'avantage supplémentaire d'être très peu sensible à

la formation de dépôts lorsqu'il est utilisé pour mesu-

rer un niveau de remplissage. En particulier, la mesure

du niveau de matériaux de remplissage poussiéreux, pul-

vérulents ou collants, pose le problème de la formation de dépôts sur le radiateur acoustique, dépôts qui peuvent entraîner un amortissement et/ou un décalage

de fréquence susceptibles de perturber le fonctionne-

ment du système. Dans le système de convertisseur acoustique décrit, on peut diminuer la tendance à la formation de dépôts par un choix approprié du matériau

constituant le dispositif de mise en forme du rayonne-

ment acoustique. De plus, la relativement grande

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amplitude d'oscillation de la plaque oscillatrice flexible procure un effet d'auto-nettoyage. Néanmoins, s'il se forme un dépôt de matériau, on peut facilement enlever le dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique pour le nettoyer. Finalement on peut aussi

recouvrir avec un matériau perméable aux ondes acous-

tiques, la totalité du dispositif de mise en forme des

ondes acoustiques ou du moins les intervalles se trou-

vant entre les barrières d'arrêt des ondes acoustiques.

Le résultat obtenu par le dispositif de mise

en forme des ondes acoustiques est complètement indé-

pendant de la constitution des autres parties du sys-

tème de convertisseur acoustique qui ne sont repré-

sentées qu'à titre d'exemple. Ainsi à la place du

convertisseur piézo-électrique, tout autre convertis-

seur électroacoustique au choix peut aussi être relié à la plaque oscillatrice flexible 30, par exemple un

convertisseur à magnétostriction, un convertisseur élec-

tromagnétique ou un convertisseur électrodynamique.

Le choix est également ouvert en ce qui concerne la forme de la plaque oscillatrice flexible; elle peut par exemple avoir des dimensions longitudinale et

transversale différentes, afin d'obtenir divers dia-

grammes de directivité dans diverses directions de l'espace. Il suffit seulement dans chaque cas de

déterminer le tracé des lignes de noeuds pour la fré-

quence de fonctionnement, et de former les barrières d'arrêt du dispositif de mise en forme du rayonnement

acoustique suivant le tracé de ces lignes de noeuds.

Le dispositif de mise en forme du rayonne-

ment acoustique peut aussi être modifié à de nombreux égards. Au lieu de le fabriquer d'une pièce, comme dans l'exemple de réalisation de la figure 2, les barrières d'arrêt des ondes acoustiques peuvent aussi être des pièces séparées, maintenues dans le bon

emplacement par des supports appropriés. Les posi-

tions des barrières d'arrêt acoustiques et celles des régions perméables aux ondes acoustiques peuvent être interverties,de sorte qu'une barrière d'arrêt des ondes acoustiques occupe le milieu à la place de l'ouverture centrale 45. Toutefois, de façon générale, il est avantageux de prévoir au milieu une ouverture centrale, car c'est là que la course est la plus

grande, de sorte que cette région contribue tout par-

ticulièrement à l'intensité acoustique émise. De plus, l'ouverture centrale laisse libre la vis 33 et la

douille 32.

La figure 5 montre de façon schématique une variante du mode de réalisation des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 de l'exemple de réalisation de la figure 2. Selon cette variante, sur les surfaces des anneaux métalliques 46 tournées vers la plaque oscillatrice flexible 30, on a appliqué un matériau acoustiquement absorbant 51. Selon une autre variante représentée à la figure 6, la totalité du dispositif de mise en forme du rayonnement acoustique est à des fins de protection contre la corrosion, revêtue d'un

matériau résistant à la corrosion 52, comme le poly-

tétrafluoréthylène, qui, de plus, peut encore avoir

la propriété d'absorber les ondes acoustiques.

En outre, il n'est pas nécessaire que les

barrières d'arrêt des ondes acoustiques soient planes.

Les figures 7 à 12 représentent diverses formes possi-

bles pour la section transversale des barrières d'arrêt

des ondes acoustiques 42 en rapport avec leur position-

nement vis-à-vis d'un tronçon de la plaque oscillatrice flexible 30. La forme de la section est concave à la figure 7, et convexe à la figure 8. Aux figures 9 et , les barrières d'arrêt des ondes acoustiques ont un profil en U rectangulaire, qui est ouvert vers la plaque oscillatrice flexible 30 à la figure 9, et dans la direction de l'émission à la figure 10. Aux figures 11 et 12, le profil des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 est en forme de toit, ouvert-vers la plaque oscillatrice flexible 30 à la figure 11, et

dans la direction de l'émission à la figure 12.

La figure 13 montre une disposition supplé-

mentaire destinée à empêcher la formation de dépôts entre les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42 et la plaque oscillatrices flexible 30. Dans ce but, on a installé le long des bords de chaque barrière

d'arrêt des ondes acoustiques 42, des lèvres d'étan-

chéité 53 qui touchent la plaque oscillatrice flexible , et isolent ainsi de l'extérieur la totalité de l'interstice qui se trouve entre la plaque oscillatrice flexible 30 et chacune des barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42. Les lèvres d'étanchéité sont constituées d'un matériau élastique très souple, qui évite tout

couplage mécanique entre la plaque oscillatrice flexi-

ble 30 et les barrières d'arrêt des ondes acoustiques 42. Comme les lèvres d'étanchéité souples 53 touchent la plaque oscillatrice flexible 30 le long des lignes

de noeuds, elles n'affectent nullement les oscilla-

tions de cette dernière.

vI. 2593660

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de convertisseur acoustique comportant un convertisseur électroacoustique (21 à 27), une plaque oscillatrice flexible (30), qui est couplée avec le convertisseur électroacoustique et qui est constituée de façon à, à la fréquence de fonctionnement du

système, être excitée à osciller en flexion à une fré-

quence d'ordre relativement élevé, oscillations au cours desquelles des lignes de noeuds (K1... K7) se

forment sur la plaque oscillatrice flexible, entre les-

quelles s'étendent alternativement des zones de ventre d'oscillation (BO.. ., B6) oscillant en opposition de phase, le système comportant en outre des dispositions destinéesà influer sur le rayonnement acoustique émis par la plaque oscillatrice flexible, caractérisé par

un dispositif de mise en forme du rayonnement acousti-

que (40) comportant d'une part des barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42), qui sont imperméables aux ondes acoustiques, sont situées à distance de la plaque oscillatrice flexible (30), et qui, acoustiquement,

découplées de cette dernière, se trouvent devant cha-

cune des zones d'un premier ensemble de Zones de ventre d'oscillation (par exemple B1, B3, B5) oscillant en phase les unes avec les autres, et d'autre part des régions (43) laissant passer les ondes acoustiques, qui se trouvent entre les barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) devant les autres zones de ventre

d'oscillation (par exemple BO, B2, B4, B6) qui oscil-

lent en opposition de phase avec les zones de ventre

d'oscillation du premier ensemble.

2. Système de convertisseur acoustique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) sont

constituées par un matériau acoustiquement réfléchis-

sant.

3. Système de convertisseur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les barrières

d'arrêt des ondes acoustiques (42) sont en métal.

4. Système de convertisseur acoustique conforme à la revendication 2 ou à la revendication 3, caractérisé en ce que les barrières d'arrêt des ondes

acoustiques (42) sont recouvertes d'un matériau absor-

bant les ondes acoustiques au moins du côté tourné

vers la plaque oscillatrice flexible.

5. Système de convertisseur acoustique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) sont

en matériau acoustiquement absorbant.

6. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé

en ce que la largeur des barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) est sensiblement égale à la largeur des zones de ventre d'oscillation (par exemple B1, B3,

BS) qui leur sont affectées.

7. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé

en ce que la largeur des barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) est inférieure à la largeur des zones de ventre d'oscillation (par exemple B1, B3, B5) qui

leur sont affectées.

8. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé

en ce que la largeur des barrières d'arrêt des ondes acoustiques(42) est supérieure à la largeur des zones de ventre d'oscillation (par exemple B1, B3, B5) qui

leur sont affectées.

9. Système de convertisseur acoustique conforme à la revendication 7 ou la revendication 8,

caractérisé en ce que les différences entre les lar-

geurs des barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) et celles des zones de ventre d'oscillations qui leur sont affectées (par exemple BI, B3, B5) sont variables

le long du diamètre de la plaque oscillatrice flexible.

10. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé

en ce que les barrières d'arrêt des ondes acoustiques

(42) sont planes.

11. Système de convertisseur acoustique conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que les barrières d'arrêt des ondes acoustiques (42) sont des parties monobloc d'une plaque qui présente des découpures (44) constituant les régions perméables

aux ondes acoustiques (43).

12. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé

en ce que le profil des barrières d'arrêt des ondes

acoustiques (42) n'est pas plan.

13. Système de convertisseur acoustique

conforme à l'une des revendications précédentes, carac-

térisé en ce que le long des bords des barrières d'ar-

rêt des ondes acoustique (42) sont rapportées des lèvres d'étanchéité (53) en matériau élastique souple, qui touchent la plaque oscillatrice flexible (30) de façon à isoler de l'extérieur l'interstice qui se trouve entre la plaque oscillatrice flexible (30) et chacune

des barrières d'arrêt des ondes acoustiques.