FR2688972A1 - Transducteurs electro-acoustiques comportant une coque emettrice flexible et etanche. - Google Patents
Transducteurs electro-acoustiques comportant une coque emettrice flexible et etanche. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention a pour objet des transducteurs électroacoustiques comportant une coque émettrice flexible et étanche, dits transducteurs flextensionnels. Un transducteur selon l'invention comporte un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques (1), par exemple un empilement de plaquettes piézo-électriques 1a, 1b....1n, placés à l'intérieur d'une coque (2) flexible et étanche. Chaque moteur piézo-électrique comporte à ses deux extrémités, une masselotte (4) qui est couplée mécaniquement et acoustiquement avec l'empilement (1) et avec les extrémités (2a) de la coque (2) au moyen d'une tige filetée axiale(6) et de deux écrous (8) vissés sur les extrémités de celle-ci. La masse des deux masselottes et les dimensions de l'empilement (1) sont déterminés pour que la fréquence fondamentale des oscillations axiales de cet ensemble mécanique soit voisine de la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque (2). Une application est la construction d'émetteurs de sonar.
Description
DESCRIPTION
Transducteurs électro-acoustiques comportant une coque
émettrice flexible et étanche.
La présente invention a pour objet de nouveaux transducteurs électroacoustiques comportant une coque émettrice
flexible et étanche.
Le secteur technique de l'invention est celui de l'acoustique sousmarine. On connaît des transducteurs électro-acoustiques, qui sont utilisés pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques en basse fréquence, de l'ordre de 1 K Hz, et qui comportent un moteur,
constitué généralement d'un empilement de céramiques piézo-
électriques, qui est placé à l'intérieur d'une enveloppe ou coque
étanche, qui constitue la surface émettrice en contact avec l'eau.
Ces transducteurs sont connus sous le nom de transducteurs flextensionnels On peut les classer dans quatre classes selon la forme
générale de la coque.
La classe I correspond à des coques de révolution autour d'un axe ayant une forme ellipsoidale et comportant un seul moteur constitué par un empilement disposé suivant le grand axe de l'ellipsoïde et couplé mécaniquement et acoustiquement avec les extrémités du grand axe de la coque Les déformations en tension et compression suivant le grand axe entraînent des déformations en flexion de la coque dont l'amplitude est maxima dans le plan médian
perpendiculaire au grand axe.
La classe II correspond à des transducteurs dont la coque a une forme de disque ou de tore de révolution autour d'un axe perpendiculaire au plan du disque ou du tore Ces transducteurs comportent des moteurs piézoélectriques disposés radialement autour de l'axe et couplés à leursextrémitésavec la coque qui présente
alors des déformations en flexion maxima dans la direction de l'axe.
La classe III correspond à des transducteurs dont la coque présente deux renflements à ses deux extrémités et a une forme
générale d'os ou de diabolo.
La classe IV correspond à des transducteurs dont la coque a une forme de cheminée cylindrique délimitée par des génératrices rectilignes s'appuyant sur une section droite elliptique ou en forme rt *'a 2688972 de courbe fermée pouvant présenter un étranglement dans la partie centrale Dans ce cas, le transducteur comporte généralement plusieurs moteurs parallèles entre eux, qui sont disposés dans des plans perpendiculaires aux génératrices de la coque et qui sont couplés avec la coque à leurs deux extrémités. La présente invention concerne plus particulièrement, mais
non exclusivement des transducteurs flextensionnels de la classe IV.
Les transducteurs flextensionnels présentent des avantages
bien connus.
Ils permettent d'émettre des ondes acoustiques en basse fréquence car leur fréquence d'émission est la fréquence de résonance des déformations en flexion de la coque et les fréquences de flexion sont des fréquences basses, de l'ordre ou inférieures
à 1 K Hz.
Ce sont des transducteurs compacts de forte puissance Ils amplifient fortement l'amplitude des oscillations de l'empilement piézo-électrique, du fait que les mouvements de dilatation compression suivant l'axe de l'empilement sont transformés en oscillations de flexion de la coque dont la flèche maxima est nettement supérieure aux déplacements des extrémités de la coque qui sont couplas mécaniquement avec les extrémités du ou des moteurs piézo-électriques. Toutefois les transducteurs flextensionnels connus à ce jour ont un coefficient de couplage entre la coque et le moteur piézo-électrique qui est relativement faible, de l'ordre de 25 % au maximum et ils ont une bande passante relativement faible, avec une fréquence médiane qui est la fréquence propre des déformations
en flexion de la coque excitée par les moteurs.
L'objectif de la présente invention est de procurer de nouveaux transducteurs flextensionnels qui présentent un coefficient de couplage entre la coque et les moteurs piézo-électriques
nettement amélioré et une bande passante élargie.
Les transducteurs électro-acoustiques selon l'invention sont des transducteurs flextensionnels, c'est-à-dire des transducteurs qui comportent un ou plusieurs moteurs électro-acoustiques,généralement des empilements de céramiques piézo-électriques, qui sont placés à l'intérieur d'une coque étanche et flexible et qui sont couplés acoustiquemel t par leurs deux extrémités avec ladite coque, laquelle est en contact avec un liquide et fait fonction de
surface émissive.
L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un transducteur dans lequel chacun des moteurs électro-acoustiques comporte, à ses deux extrémités, une masselotte qui est couplée mécaniquement avec ladite coque et avec ledit moteur et qui est déterminée, de telle sorte que la fréquence foncamentale des oscillations axiales de l'ensemble constitué par ledit moteur et les deux masselottes est voisine de la fréquence propre des
oscillations en flexion de la coque.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les deux masselottes sont déterminées pour que la fréquence fondamentale des oscillations axiales de l'ensemble constitué par le moteur et les deux masselottes soit très légèrement supérieure à la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque, ce qui a pour conséquence d'élargir par effet de couplage des deux modes la bande passante du transducteur aussi bien vers les basses -Léquences que vers les
hautes fréquences.
L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs électro-
acoustiques de type flextensionnel destinés à émettre dans l'eau dans
les basses fréquences, de l'ordre de 1 K Hz ou inférieures.
Les transducteurs selon l'invention présentent les avantages des transducteurs flextensionnels connus De plus, ils permettent
d'obtenir une bande passante élargie, notamment vers les basses fré-
quences et ils peuvent donc émettre avec un bon rendement en balayant toute une plage de basses fréquences pouvant aller par exemple de 0,5 K Hz à 1 K Hz La largeur de la bande passante d'un transducteur selon l'invention équipé de masselottes est environ une fois et demi plus
large que celle du même transducteur sans masselotte.
De plus, le coefficient de couplage électro-acosutique d'un transducteur selon l'invention est de l'ordre de 40 % alors qu'il est de l'ordre de 25 % pour les transducteurs flextensionnels sans masselottes. Etant donné que la puissance acoustique émise par un transducteur est proportionnelle au carré du coefficient de couplage acoustique, on obtient donc une augmentation importante de la puissance acoustique qui est multipliée par trois ou quatre pour un même encombrement et pour un même champ électrique d'excitation
des céramiques.
La description suivante se réfère à la figure unique qui
représente un exemple de réalisation d'un transducteur selon l'invention.
La figure unique représente une demi-coupe d'un transducteur flextensionnel Cette demi-coupe représente par exemple une demi-coupe axiale d'un transducteur flextensionnel de la classe I, qui est de révolution autour d'un axe x x' et symétrique par
rapport à un plan médian PP' perpendiculaire à l'axe.
Cette demi-coupe peut également être une coupe transversale d'un transducteur flextensionnel de la classe IV, qui comporte une coque en forme de cheminée cylindrique, dont les génératrices sont perpendiculaires au plan de la figure et qui est symétrique par rapport à deux plans perpendiculaires, le plan médian PP' et un plan longitudinal x x' tous deux parallèles aux génératrices de la coque et qui comporte plusieurs moteurs piézo-électriques parallèles entre eux dont les axes sont situés
dans le plan de symétrie x x'.
Les transducteurs selon l'invention sont des transducteurs dits flextensionnels qui comportent un ou plusieurs moteurs électroacoustiques 1, qui sont généralement des empilements de céramiques piézo-électriques la, lb ln, mais qui peuvent être
remplacés par des moteurs magnétostrictifs.
Le ou les moteurs sont enfermés dans une coque étanche et flexible 2 qui est en contact avec l'eau de mer et qui délimite une cavité 3 remplie de gaz, dans laquelle se trouvent les moteurs piézo-électriques. La coque 2 a une forme ovoïde si elle est de révolution ou une section droite ovale si elle est en forme de cheminée cylindrique, de sorte qu'elle comporte deux bouts ou deux extrémités 2 a ayant une courbure très prononcée, c'est-à-dire un rayon de courbure très faible et elle comporte, dans sa partie médiane, c'est-à-dire
dans le plan médian PP', des plages ayant une courbure peu prononcée.
Les deux extrémités 2 a sont couplées mécaniquement avec
les extrémités du ou des moteurs électro-acoustiques.
Lorsqu'elles sont excitées électriquement, les céramiques la, lb ln se déforment à la fois axialement, c'est-à-dire suivant des oscillations de dilation-compression parallèles à l'axe x x' et également radialement Les mouvements axiaux sont très
largement prépondérants.
Les déformations axiales des moteurs électro-acoustiques sont transmises mécaniquement aux extrémités 2 a de la coque et ces mouvements entraînent des déformations en flexion de la coque et notamment des déformations parallèles au plan médian PP'. L'amplitude de ces déformations est maxima dans le plan PP' et nettement supérieure à l'amplitude des oscillations axiales des
moteurs électro-acoustiques.
Les transducteurs flextensionnels sont connus et il est inutile de les décrire plus en détail On retiendra suelement qu'ils convertissent les mouvements de dilatation-compression (mouvement extensionnel) d'un moteur électro-acoustique en un mouvement de
flexion d'une coque d'o leur nom de flextensionnel.
Les transducteurs flextensionnels permettent d'émettre dans l'eau des ondes acoustiques en basse fréquence, de l'ordre de 1 K Hz, sans avoir à utiliser des émetteurs ayant des dimensions et
un poids élevé, ce qui est un gros avantage.
La fréquence d'émission des transducteurs flextensionnels est la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque qui fait fonction de surface émettrice, ce qui permet d'émettre à basse fréquence car les fréquences propres de flexion d'une coque placée dans l'eau sont de l'ordre de 0,5 à 2 K Hz et donc nettement inférieures à la fréquence fondamentale des oscillations axiales d'un empilement
de céramiques piézo-électriques qui est de l'ordre de 8 K Hz.
Toutefois les transducteurs flextensionnels connus à ce jour ont une bande passante relativement étroite, qui est centrée sur la
fréquence propre des oscillations en flexion de la coque.
Les moteurs piézo-électriques équipant ces transducteurs doivent être excités à une fréquence qui est inférieure de plusieurs octaves à leur fréquence fondamentale, c'est-à-dire la fréquence
propre de leurs oscillations axiales.
La conversion d'énergie électrique en énergie acoustique réalisée par les moteurs électro-acoustiques, n'est donc pas optima De plus, le couplage électromécanique et donc électro-acoustique entre les extrémités d'un empilement de céramiques et les extrémités de la coque est difficile à réaliser et l'expérience montre que le coefficient de couplage électro-acoustique des transducteurs flextensionnels connus à ce jour, est généralement de l'ordre de 25 %, ce qui réduit
considérablement la puissance acoustique utile de ces transducteurs.
L'objectif de l'invention est de construire des transducteurs flextensionnels ayant une bande passante élargie, notamment vers les basses fréquence et ayant un meilleur coefficient de couplage électroacoustique que les transducteurs de ce type
connus à ce jour.
Cet objectif a pu être atteint au moyen de transducteurs qui comportent deux masselottes ou contre-masses 4 qui sont placés aux deux extrémités du moteur et qui sont couplées mécaniquement et acoustiquement avec celui-ci et avec les
extrémités 2 a de la coque 2.
L'ensemble constitué par le moteur électro-acoustique et par les deux contre-masses forme un ensemble mécanique, ressort et masses,
à constantes localisées et l'on peut calculer la valeur de ces constan-
tes pour que cet ensemble ait une fréquence fondamentale déterminée, voisine de la fréquence propre des oscillations de flexion de la coque, ce qui permet d'obtenir une bande passante élargie, comportant deux
sommets voisins.
Technologiquement, il est plus aisé de choisir les dimensions du moteur et des deux contre-masses pour que la fréquence fondamentale
des oscillations axiales de cet ensemble mécanique soit légèrement supé-
rieure à la fréquence propre des oscillations en flexion de la coque Ce-
ci a pour conséquence, par effet de couplage des deux modes, d'élargir la bande passante aussi bien vers les basses fréquences que vers les
hautes fréquences Par exemple, on réalise un transducteur dont la co-
que a une fréquence en flexion de 0,8 K Hz et dont l'ensemble formé par le moteur et par les deux masselottes a une fréquence fondamentale de
1 K Hz On obtient ainsi un transducteur ayant deux fréquences de réso-
nance voisines et une bande passante élargie comprise entre 0,6 K Hz
et 1,2 K Hz.
Pour que l'ensemble constitué par l'empilement de céramiques piézoélectriques 1 et par les deux contre-masses 4 soit assimilable à un ensemble mécanique ressort-masse à constantes localisées,il faut que la masse de l'empilement soit petite devant celle des contre-masses et que l'élasticité de l'empilement selon X X' soit grande devant celle
des contre-masses.
Si l'on diminue le diamètre des céramiques, on accentue le risque de flambage de l'empilement qui est indésirable parce qu'il consomme inutilement de l'énergie et qu'il entraîne une fatigue
mécanique des céramiques On résout le problème en augmentant le dia-
mètre intérieur et le diamètre extérieur des plaquettes de céramique la, lb ln, ce qui a pour effet de les rendre moins sujettes à la flexion tout en réduisant la masse des céramiques Par exemple, l'em-
pilement 1 a une hauteur de 20 cm et il comporte 20 plaquettes de céra-
miques la, lb ln, en forme de rondelles ayant un diamètre extérieur
de 50 mm et les contre-masses sont en acier et ont une masse de 3 Kg.
La coque 2 est en alliage d'aluminium par exemple en AU 4 G.
La figure unique représente un mode de réalisation du coupla-
ge mécanique entre l'empilement 1, les contre-masses et la coque.
Chaque contre-masse 4 a une section trapézoïdale dont la grande base est placée du côté de l'empilement 1 et comporte un logement en creux 5, dans lequel pénètre une extrémité de
l'empilement de céramiques.
Les deux contre-masses comportent un alésage axial dans lequel passe une tige d'acier 6 qui les relie en passant dans l'espace 7 situé au centre des céramiques La tige 6 se prolonge au delà des deux contre-masses à travers deux alésages percés axialement à travers les extrémités 2 a de la coque 2 La coque 2 peut être formée de deux demi-coques symétriques par rapport au
plan de symétrie x x'.
Les deux extrémités de la tige 6 sont filetées et deux écrous 8 sont vissés sur ces extrémités filetées et prennent appui sur le fond d'un logement 9 en creux dans les extrémités 2 a
de la coque.
Le vissage des écrous met la tige 6 en tension et applique fortement les extrémités de la coque contre les contre-masses et celles-ci contre les extrémités de l'empilement d'o un bon couplage
mécanique et acoustique entre ces éléments.
Selon une variante représentée en pointillés, la face externe de chaque masselotte peut comporter un logement en creux dans lequel est logé un deuxième écrou 11, qui est vissé sur
la tige filetée 6.
Dans ce cas, on assemble d'abord l'empilement de céramiques et les deux masselottes au moyen de deux écrous 11 fixés sur la tige 6, ce qui permet de réaliser un couplage mécanique des masselottes et de l'empilement de céramiques puis on place cet ensemble préfabriqué dans la coque 2 et on visse les deux écrous 8 pour obtenir le couplage mécanique entre la coque et l'ensemble préfabriqué Le coefficient de couplage obtenu est de l'ordre
de 40 à 45 %.
On connaît les transducteurs électro-acoustiques de type tonpilz, qui comportent un empilement de céramiques placé entre un
pavillon et une contre-masse qui fait fonction de point fixe.
Dans la présente application, les masselottes 4, intercalées entre les deux extrémités de l'empilement et les deux extrémités de la coque remplissent une fonction totalement différente qui est celle d'abaisser la fréquence fondamentale du moteur pour l'amener au voisinage de la fréqeunce propre des oscillations en flexion de la coque afin d'élargir la bande passante d'un transducteur flextensionnel. La figure unique représente un transducteur qui comporte, en outre, de façon connue,une peau d'étanchéité 12 qui enveloppe entièrement le transducteur et qui est uomposée d'un film élastomère. Les masselottes 4 sont en un métal ayant un coefficient d'élasticité E élevé tel que l'acier, le laiton, le tungstène afin de ne pas introduire des déformations élastiques parasites des
masselottes et d'avoir un bon couplage mécanique.
Claims (1)
1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de céramiques piézo-électriques (la, lb ln) ayant la forme de rondelles qui entourent un espace central vide ( 7), une tige métallique axiale ( 6) qui relie entre elles les deux masselottes en passant dans ledit espace central ( 7) et qui traverse les deux masselottes et les deux extrémités ( 2 a) de la coque ( 2) et deux écrous (-8) qui sont fissés sur les extrémités filetées de ladite tige axiale et qui prennent appui sur les extrémités de la coque en mettant ladite tige en tension, de sorte que cette tension comprime à la fois l'empilement de céramiques, les deux masselottes et les deux extrémités de la coque et assure un
bon couplage mécanique et acoustique de ceux-ci.
Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face externe de chacune des masselottes comporte un o t-" 2688972 logement en creux ( 10) dans lequel est logé un deuxième écrou ( 11) qui est vissé sur ladite tige axiale ( 6) et qui prend appui sur ladite masselotte, de sorte qu'il permet de mettre ladite tige en tension et de coupler mécaniquement et acoustiquement les deux masselottes et ledit empilement de céramiques piézo-électriques.
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