EP0072289A2

EP0072289A2 - Electro-acoustic transducer with intrinsically polarized dielectric capacitor

Info

Publication number: EP0072289A2
Application number: EP82401394A
Authority: EP
Inventors: Pierre Ravinet; François Micheron
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1981-08-11
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-02-16
Also published as: EP0072289A3; KR840001425A; GB2111799A; JPS5841000A; FR2511571A1; FR2511571B1

Abstract

A polarized solid dielectric capacitor transducer comprises an edge held vibratile structure in the form of a flat plate carrying at least two electrodes, then plate being sufficiently thick for its centre plane to undergo no significant deformation during bending of the plate. The plate, or part of it, may be formed from vinylidene polyfluoride or from one of its copolymers and the transducer may be a microphone or hydrophone. <IMAGE>

Description

L'invention se rapporte aux microphones et hydrophones dans lesquels la pression acoustique agit directement sur une structure vibrante du type condensateur à diélectrique solide polarisé électriquement. Les microphones à condensateur utilisant un diélectrique solide polarisé électriquement sont généralement constitués par un ou plusieurs films diélectriques revêtus d'électrodes. En fonction des tensions mécaniques de traction ou de compression résultant de la déformation élastique induite par la pression acoustique incidente, des charges électriques sont créées par effet piézoélectrique ou par excès de charge électrique. Pour obtenir un effet transducteur linéaire, il faut que la charge électrique induite varie exactement comme la pression acoustique incidente. L'utilisation d'une membrane plane résistant à la déformation du seul fait des tensions d'extension produites par l'accroissement de sa surface à l'intérieur d'un contour rigide de montage ne permet pas d'obtenir une réponse linéaire en amplitude, sauf lorsque la membrane est une structure bimorphe. En effet, la déformée d'un film homogène en dehors du plan crée des tensions d'extension quel que soit le côté du film sur lequel s'exerce la poussée. Pour pallier cet inconvénient, on peut donner à un film homogène une forme enveloppante qui en se dilatant et en se contractant sous l'effet de la pression acoustique produira des tensions alternées. Cependant, la mise en forme d'un film présente aussi des inconvénients, notamment en ce qui concerne la stabilité dans le temps de la forme ce qui a des repercussions sur les caractéristiques électroacoustiques.The invention relates to microphones and hydrophones in which the acoustic pressure acts directly on a vibrating structure of the electrically polarized solid dielectric capacitor type. Condenser microphones using an electrically polarized solid dielectric generally consist of one or more dielectric films coated with electrodes. Depending on the mechanical tension or compression tension resulting from the elastic deformation induced by the incident acoustic pressure, electric charges are created by piezoelectric effect or by excess electric charge. To obtain a linear transducer effect, the induced electric charge must vary exactly like the incident sound pressure. The use of a flat membrane resistant to deformation solely because of the extension tensions produced by the increase in its surface inside a rigid mounting contour does not make it possible to obtain a linear amplitude response , except when the membrane is a bimorph structure. Indeed, the deformation of a homogeneous film outside the plane creates extension tensions whatever the side of the film on which the thrust is exerted. To overcome this drawback, a homogeneous film can be given an enveloping shape which, by expanding and contracting under the effect of acoustic pressure, will produce alternating voltages. However, the shaping of a film also has drawbacks, in particular with regard to the stability over time of the shape, which has repercussions on the electroacoustic characteristics.

La compliance mécanique d'une structure vibrante de microphone intervient dans le fonctionnement, car elle fixe la fréquence de résonance et de ce fait la limite supérieure de la bande de fréquence reproduite à niveau constant. Dans le cas d'un microphone omnidirectionnel, on doit faire en sorte que la face arrière de la membrane ne soit pas soumise à la pression acoustique et à cet effet, on monte la membrane dans un boîtier rigide de façon à lui faire comprimer un certain volume d'air. La rigidité de la structure vibrante est donc renforcée par la présence du volume d'air, mais comme le travail de déformation est en partie emmagasiné dans un milieu dépourvu de propriétés transductrices, la sensibilité du microphone est moindre que si sa membrane était le seul organe résistant à la pression acoustique. L'influence d'un coussin d'air chargeant une membrane est prépondérente lorsque celle-ci est très souple, lorsque sa surface est importante et lorsque le volume d'air comprimé est réduit.The mechanical compliance of a vibrating microphone structure intervenes in the operation, because it fixes the resonance frequency and therefore the upper limit of the frequency band reproduced at constant level. In the case of an omnidirectional microphone, care must be taken to ensure that the rear face of the diaphragm is not subjected to sound pressure and for this purpose, the diaphragm is mounted in a rigid case so as to make it compress a certain amount. air volume. The rigidity of the vibrating structure is therefore reinforced by the presence of the volume of air, but as the deformation work is partly stored in an environment devoid of transducing properties, the sensitivity of the microphone is less than if its membrane was the only organ resistant to acoustic pressure. The influence of an air cushion loading a membrane is predominant when it is very flexible, when its surface is large and when the volume of compressed air is reduced.

A celà il faut ajouter qu'une membrane souple de grande surface est généralement mince, si bien que le condensateur formé par cette membrane équipée d'électrodes présente une capacité électrique élevée. Selon les lois de l'électrostatique, la différence de potentiel d'un condensateur chargé est proportionnelle aux charges portées par les plateaux et inversement proportionnelle à la capacité. La tension à vide délivrée par un microphone à membrane mince est donc relativement faible, d'où la nécessité de prévoir une amplification de tension et un blindage efficace contre les champs électriques perturbateurs.To this must be added that a flexible membrane with a large surface area is generally thin, so that the capacitor formed by this membrane equipped with electrodes has a high electrical capacity. According to the laws of electrostatics, the potential difference of a charged capacitor is proportional to the charges carried by the plates and inversely proportional to the capacity. The open circuit voltage delivered by a thin diaphragm microphone is therefore relatively low, hence the need to provide voltage amplification and effective shielding against disturbing electric fields.

Les phénomènes de piézoélectricité ont fait l'objet d'études nombreuses montrant que parallèlement à la piézoélectricité intrinsèque définie comme on le sait par un tenseur de rang trois et impliquant que le matériau considéré rirait pas la structure centrosymétrique, il existe une piézoélectricité de flexion. La polarisation électrique induite par la piézoélectricité de flexion est déterminée par les coefficients piézoélectriques d'un tenseur de rang quatre et se manifeste lorsqu'il existe un gradient de contrainte au sein du matériau soumis à déformation. A l'inverse de la piézoélectricité intrinsèque, la piézoélectricité de flexion n'implique pas d'anisotropie structurelle ou électrique préalable du matériau sollicité mécaniquement car c'est la sollicitation inhomogène qui crée le défaut de structure donnant naissance macroscopiquement à la polarisation électrique induite. Néanmoins l'expérience montre que les manifestations de la piézoélectricité de flexion sont sensiblement accrues lorsque le matériau considéré a reçu une anisotropie électrique de type polaire ou par excès de charge.The piezoelectricity phenomena have been the subject of numerous studies showing that parallel to the intrinsic piezoelectricity defined as is known by a tensor of rank three and implying that the material considered would not laugh at the centrosymmetric structure, there exists a bending piezoelectricity. The electric polarization induced by the bending piezoelectricity is determined by the piezoelectric coefficients of a tensor of rank four and manifests itself when there is a stress gradient within the material subjected to deformation. Unlike intrinsic piezoelectricity, bending piezoelectricity does not imply a prior structural or electrical anisotropy of the mechanically stressed material because it is the inhomogeneous stress which creates the structural defect giving rise macroscopically to the induced electric polarization. Nevertheless, experience shows that the manifestations of bending piezoelectricity are appreciably increased when the material considered has received an electrical anisotropy of the polar type or by excess charge.

La simple reconnaissance de la piézoélectricité de flexion et sa mesure font partie intégrante de l'état de la technique tel qu'illustré par l'article de BREGER et al ayant pour titre "BENDING PIEZOELECTRICITY IN POLYVINYLIDENE FLUORIDE" et paru aux pages 2239 et 2240 de la revue : "Japan J. APPL. PHYS. Vol. 15 (1976), N° 11."The simple recognition of bending piezoelectricity and its measurement are an integral part of the state of the art as illustrated by the article by BREGER et al having for title "BENDING PIEZOELECTRICITY IN POLYVINYLIDENE FLUORIDE "and published on pages 2239 and 2240 of the review:" Japan J. APPL. PHYS. Flight. 15 (1976), No. 11. "

En vue de pallier aux inconvénients énumérés ci-dessus, la présente invention vise à appliquer la piézoélectricité de flexion à une structure de microphone à condensateur à diélectrique solide polarisé.In order to overcome the drawbacks listed above, the present invention aims to apply flexural piezoelectricity to a polarized solid dielectric condenser microphone structure.

Plus précisément, l'invention a pour objet un transducteur électroacoustique à condensateur à diélectrique solide polarisé comprenant au moins deux électrodes collectrices, une structure vibrante faite dudit diélectrique et soumise à la pression acoustique incidente et un support auquel ladite structure vibrante est attachée par ses bords ; lesdites électrodes collectrices étant portées par ladite structure vibrante et reliées respectivement à deux bornes de sortie, caractérisé en ce que ladite structure vibrante est une structure plane en forme de plaque suffisamment épaisse pour que le feuillet moyen ne subisse aucune déformation significative pendant la flexion de ladite plaque.More specifically, the subject of the invention is an electroacoustic transducer with a polarized solid dielectric capacitor comprising at least two collecting electrodes, a vibrating structure made of said dielectric and subjected to the incident acoustic pressure and a support to which said vibrating structure is attached by its edges. ; said collector electrodes being carried by said vibrating structure and connected respectively to two output terminals, characterized in that said vibrating structure is a flat structure in the form of a plate sufficiently thick so that the mean sheet does not undergo any significant deformation during the bending of said plate.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles :

Les figures 1 à 6 sont des figures explicatives.
La figure 7 est une coupe méridienne d'une première variante de réalisation d'un microphone selon l'invention.
La figure 8 est une vue isométrique partielle d'une seconde variante de réalisation d'un microphone selon l'invention.
La figure 9 est un schéma électrique de circuit amplificateur.
La figure 10 est une coupe méridienne d'une troisième variante de réalisation d'un microphone selon l'invention.
La figure 11 représente un détail de réalisation de microphone à plaque vibrante selon l'invention.
La figure 12 représente un détail de réalisation de microphone à plaque vibrante selon une autre variante de l'invention.
La figure 13 représente un détail de réalisation de microphone à plaque vibrante selon encore une autre variante de l'invention.
La figure 14 est une vue en coupe d'un microphone à circuit adapteur d'impédance intégré.

The invention will be better understood by means of the description below and the appended figures among which:

Figures 1 to 6 are explanatory figures.
Figure 7 is a meridian section of a first alternative embodiment of a microphone according to the invention.
Figure 8 is a partial isometric view of a second alternative embodiment of a microphone according to the invention.
Figure 9 is an electrical circuit diagram of the amplifier circuit.
Figure 10 is a meridian section of a third alternative embodiment of a microphone according to the invention.
FIG. 11 shows a detail of embodiment of a vibrating plate microphone according to the invention.
FIG. 12 shows an embodiment detail of a vibrating plate microphone according to another variant of the invention.
Figure 13 shows a detail of vibrating plate microphone according to yet another variant of the invention.
Figure 14 is a sectional view of a microphone with an integrated impedance adapter circuit.

Sur la figure 1, on peut voir deux coupes méridiennes (a) et (b) correspondant respectivement à des structures élastiques encastrées sur leur pourtour 2. La structure représentée en (a) est une plaque 1 plane d'épaisseur e₁ tandis que la structure représentée en (b) est une membrane plane 3 d'épaisseur e₂ sensiblement inférieure à e_l.In Figure 1, we can see two meridian sections (a) and (b) corresponding respectively to elastic structures embedded on their periphery 2. The structure shown in (a) is a flat plate 1 of thickness e ₁ while the structure shown in (b) is a flat membrane 3 of thickness e ₂ substantially less to e _l .

En supposant ces structures de même rayon R soumises à la même pression acoustique p, on voit que la flèche Δ Z₁ prise par la déformée 4 de la plaque 1 est inférieure à l'épaisseur e₁ alors que la flèche Δ Z₂ prise par la déformée 5 de la membrane 3 est nettement supérieure à e2.Assuming these structures of the same radius R subjected to the same acoustic pressure p, we see that the arrow Δ Z ₁ taken by the deformation 4 of the plate 1 is less than the thickness e ₁ while the arrow Δ Z ₂ taken by the deformation 5 of the membrane 3 is clearly greater than e2.

Une remarque immédiate s'impose en ce qui concerne la résistance mécanique à la pression. En effet, si la pression p augmente la plaque pourra se comporter comme une membrane et si la pression p diminue c'est la membrane qui pourra avoir le comportement d'une plaque.An immediate remark is imperative with regard to mechanical resistance to pressure. Indeed, if the pressure p increases the plate can behave like a membrane and if the pressure p decreases it is the membrane which can have the behavior of a plate.

Dans le cadre de la présente invention, cette indétermination est levée, car on va faire appel à une plaque déformable soumise directement à la pression acoustique. Or, la valeur la plus forte de la pression acoustique qu'a à subir l'élément récepteur d'un microphone correspond à un niveau d'intensité sonore de 125 dB au-dessus du seuil d'audibilité fixé à 2.10^-5 Pascal, soit une pression maximale de l'ordre de 35 Pascal. La flèche w_o au centre d'une plaque circulaire encastrée de hauteur h et de rayon R soumise à une pression p est donnée par la théorie approchée des plaques à flexion faible par la formule :

avec comme condition de validité :

In the context of the present invention, this indeterminacy is lifted, because we will use a deformable plate subjected directly to the acoustic pressure. However, the highest value of the acoustic pressure to be experienced by the receiving element of a microphone corresponds to a sound intensity level of 125 dB above the audibility threshold fixed at 2.10 ^-5 Pascal, or a maximum pressure of the order of 35 Pascal. The arrow w _o in the center of an embedded circular plate of height h and radius R subjected to a pressure p is given by the approximate theory of the plates with weak bending by the formula:

with the condition of validity:

On peut donc évaluer le rapport h à ne pas dépasser pour un matériau élastique déterminé.We can therefore assess the ratio h not to be exceeded for a given elastic material.

En prenant par exemple un matériau relativement peu rigide comme le polyfluorure de vinylidène (PVF₂) qui présente un module d'élasticité E = 3,5 10⁹ N.m^-2 et un coefficient de Poisson v = 0,3, on trouve que la pression p = 35 Pa fixe un rapport

By taking for example a relatively non-rigid material such as polyvinylidene fluoride (PVF ₂ ) which has a modulus of elasticity E = 3.5 10 ⁹ Nm ^-2 and a Poisson's ratio v = 0.3, we find that the pressure p = 35 Pa sets a ratio

Ainsi, une structure encastrée circulaire de rayon R = 10 mm satisfait au critère de flexion faible si son épaisseur h est au moins égale à 100 _/um. Un matériau céramique piézoélectrique du type PZT vingt fois plus rigide que le PVF₂ conduit à une épaisseur minimale moitié moindre selon le même critère. Cependant, il faut signaler que la permittivité de la céramique PZI, est cent fois plus élevée que celle du PVF₂ ce qui signifie que la tension à vide d'une capsule microphonique en céramique est, toutes choses égales par ailleurs, cent fois plus faible.Thus, a circular embedded structure with radius R = 10 mm satisfies the criterion of low bending if its thickness h is at least equal to 100 _/ um. A piezoelectric ceramic material of the PZT type twenty times more rigid than the PVF ₂ leads to a minimum thickness that is half as small according to the same criterion. However, it should be noted that the permittivity of the PZI ceramic is a hundred times higher than that of PVF ₂ , which means that the open circuit voltage of a ceramic microphone capsule is, all other things being equal, a hundred times lower .

Les céramiques piézoélectriques et les cristaux intrinsèquement piézoélectriques sont plutôt réservés à la détection microphonique de pressions acoustiques très élevées ou à fréquence ultrasonique.Piezoelectric ceramics and intrinsically piezoelectric crystals are rather reserved for microphonic detection of very high acoustic pressures or at ultrasonic frequency.

L'analyse de l'effet piézoélectrique qui va suivre revient à considérer le travail de déformation élastique au sein d'un matériau polarisé, à déduire des contraintes engendrées par la pression acoustique les densités de charge électriques induites en surface et à voir comment ces densités de charge sont collectées par des électrodes.The analysis of the piezoelectric effect which will follow amounts to considering the work of elastic deformation within a polarized material, to deduce from the stresses generated by the acoustic pressure the electric charge densities induced at the surface and to see how these densities of charge are collected by electrodes.

En ce qui concerne le travail de déformation élastique, les notions de plaque et de membrane sont nettement distinctes, même s'il faut faire appel à un critère de classement basé sur la flexion faible. En effet, le travail de déformation d'une structure élastique se décompose en plusieurs termes qui font intervenir les tensions de dilatation, de flexion et de cisaillement. Si W est le travail de déformation total et si W_T représente la fraction de ce travail correspondant aux seules tensions de dilatation, on peut caractériser la structure représentée en (a) sur la figure 1 par un rapport -

très supérieur à l'unité, car les tensions de dilatation jouent peu de rôle dans la résistance de la plaque à la pression acoustique. Au contraire, la structure représentée en (b) sur la figure 1 présente un rapport

voisin de l'unité si la flèche Δ Z2est proche de l'épaisseur e₂et qui tend vers zéro lorsque la membrane 5 devient infiniment mince, car alors elle est dépourvue de rigidité à la flexion.With regard to the work of elastic deformation, the concepts of plate and membrane are clearly distinct, even if it is necessary to call upon a classification criterion based on weak bending. Indeed, the work of deformation of an elastic structure breaks down into several terms which involve the tensions of expansion, bending and shearing. If W is the work of total deformation and if W _T represents the fraction of this work corresponding only to the stresses of dilation, one can characterize the structure represented in (a) on figure 1 by a report -

much higher than unity, because the expansion voltages play little role in the resistance of the plate to acoustic pressure. On the contrary, the structure shown in (b) in Figure 1 has a relationship

neighbor of the unit if the arrow Δ Z2 is close to the thickness e ₂ and which tends towards zero when the membrane 5 becomes infinitely thin, because then it is devoid of bending stiffness.

Un autre moyen d'établir une distinction entre plaque plane et membrane plane consiste à remarquer que les tensions de dilatation ne changent pas de signe lorsque la poussée sur une membrane s'inverse en présence d'une pression acoustique alternative. Par contre, les autres tensions qui correspondent au travail W - W_T changent de signe en accord avec la sollicitation alternée. Il en résulte une plus ou moins grande non linéarité de l'effet transducteur électroacoustique qui fixe la part prise par les diverses tensions mécaniques dans la résistance élastique à la pression acoustique incidente.Another way of distinguishing between a flat plate and a flat membrane is to note that the expansion tensions do not do not change sign when the thrust on a membrane reverses in the presence of an alternative acoustic pressure. On the other hand, the other voltages which correspond to the work W - W _T change sign in agreement with the alternating stress. This results in a greater or lesser non-linearity of the electroacoustic transducer effect which fixes the part taken by the various mechanical tensions in the elastic resistance to the incident acoustic pressure.

La piézoélectricité peut se manifester sous deux formes distinctes qui sont la piézoélectricité intrinsèque et la piézoélectricité de flexion. La piézoélectricité intrinsèque implique que le matériau soumis à déformation ait des propriétés assimilables à celle d'un corps cristallin d'une classe non centrosymétrique. C'est le cas des matériaux polymères polaires tels que le polyfluorure de vinylidène polarisé. Par contre, la piézoélectricité de flexion peut exister dans tout corps diélectrique, car elle est imputable à la formation de moments dipolaires en présence de gradient de tension mécanique. L'intensité avec laquelle la piézoélectricité de flexion peut se manifester est notablement accrue lorsque la matériau est électriquement polarisé par excès de charge (électret) ou par création d'une phase polaire à l'échelle macroscopique.Piezoelectricity can manifest itself in two distinct forms which are intrinsic piezoelectricity and bending piezoelectricity. Intrinsic piezoelectricity implies that the material subjected to deformation has properties comparable to that of a crystalline body of a non-centrosymmetric class. This is the case of polar polymeric materials such as polarized polyvinylidene fluoride. On the other hand, bending piezoelectricity can exist in any dielectric body, because it is attributable to the formation of dipole moments in the presence of a gradient of mechanical tension. The intensity with which bending piezoelectricity can manifest is notably increased when the material is electrically polarized by excess charge (electret) or by creation of a polar phase on the macroscopic scale.

Sur la figure 2, on peut voir un dispositif expérimental permettant de défalquer l'une de l'autre les deux formes de piézoélectricité. Ce dispositif comporte une poutre 6 à section prismatique par exemple en polyfluorure de vinylidène polarisé parallèlement à l'axe Z. Cette poutre est portée à une extrémité par un encastrement 2 et on peut la faire fléchir en lui appliquant à l'autre extrémité une force F de direction parallèle à l'axe Z. L'axe longitudinal de la poutre OX forme avec un axe OY et l'axe OZ un trièdre trirectangle ; les chiffres entre parenthèses désignent ces axes selon l'usage en cristallographie. Les faces de la poutre 6 normales à l'axe Z portent deux électrodes 7 et 8 formant condensateur. Ces électrodes sont reliées à des bornes 9 et 10 entre lesquelles apparaît une tension électrique V. L'état de tension dans la section droite 13 de la poutre est représenté par une distribution triangulaire à centre nul 12 qui représente les tensions de flexion. La longueur de la poutre encastrée 6 est L et le système d'électrodes 7 et 8 se situe à l'abscisse variable x = - I. Les faces de la poutre 6 portant les électrodes 7 et 8 ont pour équations : Z = h et Z = - h et leur largeur est égale à b.In FIG. 2, we can see an experimental device allowing the two forms of piezoelectricity to be deducted from each other. This device comprises a beam 6 with a prismatic section, for example made of polyvinylidene fluoride polarized parallel to the axis Z. This beam is carried at one end by an embedding 2 and can be made to flex by applying a force to it at the other end. F of direction parallel to the axis Z. The longitudinal axis of the beam OX forms with an axis OY and the axis OZ a triangular trihedron; the figures in parentheses designate these axes according to usage in crystallography. The faces of the beam 6 normal to the Z axis carry two electrodes 7 and 8 forming a capacitor. These electrodes are connected to terminals 9 and 10 between which an electric voltage V appears. The voltage state in the straight section 13 of the beam is represented by a triangular distribution with zero center 12 which represents the bending voltages. The length of the embedded beam 6 is L and the system of electrodes 7 and 8 is located at the variable abscissa x = - I. The faces of the beam 6 carrying the electrodes 7 and 8 have the equations: Z = h and Z = - h and their width is equal to b.

En un point courant C de coordonnées X, Y, Z de la poutre 6, les composantes non nulles du tenseur de contrainte sont :

At a current point C with coordinates X, Y, Z of the beam 6, the non-zero components of the stress tensor are:

X₁ décrit la distribution 12 à moyenne nulle sur la hauteur 2h de la poutre et X₅ décrit la distribution 11 dont la moyenne X ₅ sur la hauteur 2h de la poutre est nécessairement égale à -

Aucune tension de dilatation selon OX n'existe puisque la force F est perpendiculaire à l'axe de la poutre. La charge électrique Q induite sur les électrodes 7 et 8 de surface S, à l'abscisse x = -e correspond à la densité de charge :

X ₁ describes the distribution 12 at zero average over the 2h height of the beam and X ₅ describes the distribution 11 whose average X ₅ on the height 2h of the beam is necessarily equal to -

No tension of expansion according to OX exists since the force F is perpendicular to the axis of the beam. The electric charge Q induced on the surface electrodes 7 and 8 S, at the abscissa x = -e corresponds to the charge density:

Le terme d₃₅.X ₅représente la densité de charge relative à la piézoélectricité intrinsèque dont on sait que la polarisation induite P_iest donnée par l'expression tensorielle :

où d_iik sont les modules piézoélectriques appartenant à un tenseur de rang trois.The term d ₃₅ . X ₅ represents the charge density relative to the intrinsic piezoelectricity of which it is known that the induced polarization P _i is given by the tensorial expression:

where d _iik are the piezoelectric modules belonging to a tensor of rank three.

Le terme

varie en fonction de l'abscisse des électrodes et représente la densité de charge relative à la piézoélectricité de flexion dont on sait que la polarisation induite P_i' est donnée par l'expression tensorielle :

où f_ijke sont les modules piézoélectriques appartenant à un tenseur de rang ₄ et xl la l coordonnée. Sachant que les coordonnées sont au nombre de trois, le tenseur exprimant la piézoélectricité de flexion renferme 81 modules piézoélectriques non tous nuls quel que soit le matériau diélectrique considéré. Le dispositif de mesure de la figure 1 permet aisément de défalquer l'une de l'autre les deux formes de piézoélectricité.The term

varies as a function of the abscissa of the electrodes and represents the charge density relative to the bending piezoelectricity of which it is known that the induced polarization P _i 'is given by the tensorial expression:

where f _ijke are the piezoelectric modules belonging to a tensor of rank ₄ and xl la l coordinate. Knowing that the coordinates are three in number, the tensor expressing the bending piezoelectricity contains 81 piezoelectric modules not all zero whatever the dielectric material considered. The measuring device of FIG. 1 allows the two forms of piezoelectricity to be deducted from each other.

A titre d'exemple, voici quelques valeurs mesurées des modules piézoélectriques de flexion.

As an example, here are some measured values of the piezoelectric flexural modules.

Il apparaît donc que toute structure constituée d'un matériau isolant et en état de contraintes inhomogènes est apte à délivrer un signal électrique entre des électrodes qui soit une mesure de sollicitation subie par cette structure.It therefore appears that any structure made of an insulating material and in a state of inhomogeneous stresses is capable of delivering an electrical signal between electrodes which is a measurement of stress experienced by this structure.

On peut regarder la poutre fléchie de la figure 2 comme illustration des phénomènes qui existent de façon prépondérante dans la plaque 1 de la figure 1.We can look at the bent beam in Figure 2 as an illustration of the phenomena that predominantly exist in plate 1 in Figure 1.

La figure 3 représente un volume élémentaire dx, dy, dz de plaque au repos (forme cubique) et sous contraintes de flexion pure. Le volume 15 d'épaisseur e comporte à mi-hauteur un feuillet neutre 16 dont la surface ne varie pas entre l'état de repos et l'état déformé. Moyennant cette hypothèse, on peut calculer pour un feuillet 14 de hauteur dZ à la distance Z du feuillet neutre quelles sont les tensions élastiques induites par les courbures ^p _x et ρ Y prises par la plaque fléchie. En exprimant l'équilibre du volume de la figure 3, on peut, suivant un raisonnement mathématique connu, aboutir à l'équation différentielle régissant la flexion faible des plaques chargées transversalement.FIG. 3 represents an elementary volume dx, dy, dz of plate at rest (cubic form) and under pure bending stresses. The volume 15 of thickness e comprises at mid-height a neutral sheet 16 whose surface does not vary between the rest state and the deformed state. Using this hypothesis, we can calculate for a sheet 14 of height dZ at the distance Z from the neutral sheet what are the elastic tensions induced by the curvatures ^p _x and ρ Y taken by the bent plate. By expressing the volume equilibrium of FIG. 3, it is possible, according to known mathematical reasoning, to arrive at the differential equation governing the weak bending of the plates loaded transversely.

L'hypothèse de flexion faible peut mieux se comprendre au moyen de la figure 4 qui représente la déformation en calotte sphérique de rayon p d'une plaque circulaire plane subissant à sa périphérie un couple de flexion uniforme M. L'arc Ab a pour longueur le diamètre 2a de la plaque et son point le plus haut correspond à la flèche 6 . Ceci est vrai si l'on suppose que le feuillet moyen ne subit aucune déformation méridienne. On peut donc calculer le rayon a₁de la flèche circulaire subissant le plus fort raccourcissement circonférentiel. Ce rayon vaut :

la dilatation circonférentielle est donc égale à :

soit approximativement

The weak bending hypothesis can be better understood by means of FIG. 4 which represents the deformation in a spherical cap of radius p of a flat circular plate undergoing at its periphery a uniform bending torque M. The arc Ab has the length the diameter 2a of the plate and its highest point corresponds to arrow 6. This is true if we assume that the middle sheet does not undergo any meridian deformation. We can therefore calculate the radius a ₁ of the circular arrow undergoing the greatest circumferential shortening. This radius is worth:

the circumferential expansion is therefore equal to:

either approximately

En introduisant la valeur de δ qui est approximativement

on trouve :

By entering the value of δ which is approximately

we find :

Ceci représente une limite supérieure pour la dilatation du feuillet moyen 16 de la figure 3 qu'il faut comparer aux dilatations au niveau des faces égales à

This represents an upper limit for the expansion of the mean sheet 16 of FIG. 3 which must be compared with the expansions at the level of the faces equal to

Le notion de flexion faible revient alors à supposer négligeable la dilatation du feuillet moyen à mi-hauteur de la plaque par rapport aux dilatations de flexion des faces, ce qui revient à écrire que δ < < e.The concept of weak bending then amounts to assuming negligible the expansion of the average sheet at half-height of the plate compared to the bending expansions of the faces, which amounts to writing that δ <<e.

En pratique, on se limite à δ < 0,1 e, comme déjà indiqué précédemment.In practice, we limit ourselves to δ <0.1 e, as already indicated above.

L'exposé théorique du calcul de la sensibilité d'un microphone à condensateur à diélectrique solide polarisé est beaucoup trop complexe pour figurer in extenso dans cette description, mais on peut en rappeler les grandes lignes pour le cas d'espèce représenté sur la figure 5. Il s'agit d'une plaque circulaire plane 1 à encastrement périphérique 2 également plan. Des électrodes 7 et 8 recouvrent complètement les faces libres de rayon R de la plaque 1. Sur la coupe méridienne de la figure 5 où l'axe Z est un axe de révolution, le feuillet moyen de la plaque est représenté par un trait interrompu rectiligne à l'état non déformé. Lorsque la pression acoustique exerce une poussée transversale uniformément répartie, la plaque se déforme selon une courbe à point d'inflexion représentée en pointillé sur la figure 5. Le point courant P₀ du feuillet moyen se déplace en P₁ et le centre de la plaque présente une flèche w_o donnée par la formule :

The theoretical account of the calculation of the sensitivity of a condenser microphone with polarized solid dielectric is much too complex to appear in full in this description, but one can recall the main lines for the case shown in Figure 5 It is a flat circular plate 1 with peripheral embedding 2 also planar.

Electrodes

7 and 8 completely cover the free faces of radius R of the plate 1. In the meridian section of FIG. 5 where the axis Z is an axis of revolution, the mean sheet of the plate is represented by a straight dashed line in the non-deformed state. When the acoustic pressure exerts a uniformly distributed transverse thrust, the plate deforms according to a curve with point of inflection represented in dotted line in figure 5. The current point P ₀ of the average sheet moves in P ₁ and the center of the plate has an arrow w _o given by the formula:

Le déplacement w à la distance r du centre est donné par l'expression :

The displacement w at the distance r from the center is given by the expression:

Sur le diagramme normalisé de la figure 6,on a porté en abscisse le paramètre

et en ordonnée une échelle normalisée. La courbe 17 représente en fonction de o la loi des déplacements w/w_o définis par les formules qui précèdent.On the normalized diagram of FIG. 6, the parameter has been plotted on the abscissa

and on the ordinate a standardized scale. The curve 17 represents as a function of o the law of displacements w / w _o defined by the above formulas.

Pour calculer la contribution en charges électriques induites, il est nécessaire de connaître les contraintes mécaniques X et X θ présentes dans la plaque déformée. La courbe 18 du diagramme de la figure 6 donne les valeurs de l'expression

où k est donné par l'expression

X_θ est la contrainte circonférentielle dans un système de cordonnées cylindriques ( θ , r, z).To calculate the contribution in induced electrical charges, it is necessary to know the mechanical stresses X and X θ present in the deformed plate. Curve 18 of the diagram in FIG. 6 gives the values of the expression

where k is given by the expression

X _θ is the circumferential stress in a system of cylindrical coordinates (θ, r, z).

La courbe 19 du diagramme de la figure 6 donne les valeurs de l'expression

X est la contrainte méridienne.Curve 19 of the diagram in FIG. 6 gives the values of the expression

X is the meridian constraint.

Il est intéressant de constater qu'en raison de l'hypothèse de flexion faible, les contraintes augmentent linérairement avec z de part et d'autre du feuillet moyen.It is interesting to note that due to the weak bending hypothesis, the stresses increase linearly with z on either side of the mean sheet.

En outre, on peut noter que

est nul à l'abscisse R, que la contrainte X s'annule à l'abscisse

et que la contrainte ^X θ s'annule à l'abscisse

In addition, it can be noted that

is zero at the abscissa R, that the constraint X vanishes at the abscissa

and that the constraint ^X θ vanishes on the abscissa

A partir de la connaissance des contraintes X et Xθ, qui sont fonction des coordonnées cylindriques ( 0 , r, z), il faut calculer feuillet par feuillet la polarisation induite par piézoélectricité intrinsèque et piézoélectricité de flexion. Après intégration suivant z, on dispose sur les faces de la plaque d'une densité surfacique de charges qu'il faut encore intégrer dans toute l'étendue des électrodes 7 et 8 pour obtenir la charge totale induite par la pression acoustique.From the knowledge of the constraints X and Xθ, which are a function of the cylindrical coordinates (0, r, z), it is necessary to calculate sheet by sheet the polarization induced by intrinsic piezoelectricity and bending piezoelectricity. After integration according to z, we have on the faces of the plate with a surface density of charges which must still be integrated throughout the extent of the electrodes 7 and 8 in order to obtain the total charge induced by the acoustic pressure.

Après des calculs relativement fastidieux qu'il serait inutile de reproduire ici, on peut montrer que les contributions à la charge induite par la piézoélectricité intrinsèque et par la piézoélectricité de flexion sont globalement nulles.After relatively tedious calculations which it would be useless to reproduce here, it can be shown that the contributions to the load induced by the intrinsic piezoelectricity and by the bending piezoelectricity are globally zero.

L'expérience confirme ce résultat surprenant qu'une plaque plane circulaire à encastrement plan en matériau homogène polarisé transversalement et complètement recouverte sur ses deux faces d'électrodes a une sensibilité quasi nulle comme transducteur piézoélectrique soumis à la pression acoustique.The experiment confirms this surprising result that a circular flat plate with planar embedding in homogeneous material polarized transversely and completely covered on its two faces of electrodes has an almost null sensitivity like piezoelectric transducer subjected to the acoustic pressure.

Le déroulement des calculs montre cependant que les charges électriques induites sur les faces de la plaque changent de signe avec la position radiale et que l'annulation globale est le résultat d'une compensation exacte liée à la localisation précise des charges + et - dans l'étendue des faces.The progress of the calculations shows however that the electric charges induced on the faces of the plate change sign with the radial position and that the global cancellation is the result of an exact compensation linked to the precise localization of the charges + and - in l extent of the faces.

Les considérations qui précèdent se traduisent en pratique par l'existence d'une sensibilité exploitable lorsqu'on adopte la configuration en plaque faiblement fléchie. En effet, il existe concrètement des anomalies structurelles qui empêchent que les charges collectées par les électrodes s'annulent exactement. Un léger gondolement d'une plaque, un encastrement imparfait ou une inhomogénéité de structure sont autant de facteurs qui contribuent à l'obtention d'une sensibilité effective.The above considerations translate into practice by the existence of a usable sensitivity when adopting the weakly bent plate configuration. In fact, there are concrete structural anomalies which prevent the charges collected by the electrodes from canceling out exactly. A slight buckling of a plate, an imperfect embedding or an inhomogeneity of structure are all factors which contribute to obtaining an effective sensitivity.

Cette sensibilité naturelle peut se comparer à celle des systèmes microphoniques à membrane mais la supériorité de la plaque se situe dans la possibilité d'être associée à un boîtier de fermeture de volume réduit et dans une meilleure linéarité de fonctionnement. Un gain substantiel de sensibilité a pu être observé dans le cadre des plaques transductrices encastrées à électrodes recouvrant complètement les faces. Ce gain est obtenu en créant une incurvation systématique de la plaque grâce à un encastrement non plan. La forme bombée ou ondulée conférée à la plaque par l'encastrement modifie l'état de contrainte en donnant aux deux formes de piézoélectricité l'occasion de se manifester de façon précise.This natural sensitivity can be compared to that of membrane microphonic systems but the superiority of the plate lies in the possibility of being associated with a closing box of reduced volume and in a better linearity of operation. A substantial gain in sensitivity has been observed in the context of embedded transducer plates with electrodes completely covering the faces. This gain is obtained by creating a systematic curvature of the plate thanks to a non-planar embedding. The domed or wavy shape given to the plate by the embedding changes the state of stress by giving the two forms of piezoelectricity the opportunity to manifest themselves in a precise manner.

Cependant, ce moyen n'est pas le seul susceptible d'accroitre la sensibilité acoustique.However, this means is not the only one capable of increasing acoustic sensitivity.

Sur la figure 7, on peut voir une coupe méridienne d'une capsule microphonique selon l'invention dans laquelle on a renoncé à encastrer la plaque vibrante. Selon cette variante de réalisation, la plaque 1 revêtue complètement sur ses deux faces d'électrodes 7 et 8 est simplement appuyée au lieu d'être encastrée. A la différence de l'encastrement représenté à la figure 5, l'appui simple de la figure 7 n'engendre pas de couple de flexion au point d'attache de la plaque fléchie par la pression acoustique p. La déformée représentée en pointillé sur la figure 7 présente une forme simplement bombée dépourvue du point d'inflexion. Il en résulte un état de tension mécanique très différent de celui de la figure 6,mais qui reste régi par la résistance à la flexion. Les charges globalement collectées par les électrodes 7 et 8 ne se compensent pas exactement et la sensibilité de la capsule microphonique est sensiblement relevée.In Figure 7, we can see a meridian section of a microphone capsule according to the invention in which it has given up embedding the vibrating plate. According to this alternative embodiment, the plate 1 completely coated on its two faces of electrodes 7 and 8 is simply pressed instead of being embedded. Unlike the embedding shown in Figure 5, the simple support of Figure 7 does not generate bending torque at the point of attachment of the plate bent by the acoustic pressure p. The deformation shown in dotted lines in FIG. 7 has a simply convex shape devoid of the point of inflection. This results in a state of mechanical tension very different from that of FIG. 6, but which remains governed by the resistance to bending. The charges globally collected by the electrodes 7 and 8 do not exactly compensate each other and the sensitivity of the microphone capsule is substantially increased.

Pour réaliser les conditions d'appui simple, la coupe de la figure 7 montre que le fond du boîtier 21 comporte une collerette annulaire dans laquelle a été formé une portée 22 à sommet pointu sur laquelle repose l'ensemble plaque 1, 7, 8. L'application de cet ensemble contre la portée 22 est assuré par un joint d'étanchéité 23 en matière isolante compressible qui garnit la couronne 20 emboîtée sur le fond du boîtier 21. Lorsque la plaque 1 vibre, son pourtour pivote autour de la crête en couteau de la portée 22 ce qui n'engendre pas de couple de flexion au point d'attache. Ce pivotement provoque un basculement de la face d'appui du joint 23, mais pour éviter la création d'un couple résistant ce joint est réalisé en mousse de polymère ou d'élastomère. Ce joint peut être rendu conducteur, afin de réaliser la prise de contact avec l'électrode 7. L'électrode 7 joue le rôle d'électrode de masse reliée aux pièces métalliques 20 et 21 du boîtier et l'électrode 8 est arrêtée à faible distance de la portée 22. Bien entendu, rien ne s'oppose à réaliser les pièces 21 et 22 du boîtier en matière isolante et à réaliser le blindage électrostatique par sertissage dans une enveloppe extérieure métallique comme illustré par exemple sur la figure 14.To achieve the simple support conditions, the section in FIG. 7 shows that the bottom of the housing 21 has an annular collar in which a bearing 22 with a pointed top has been formed on which the plate assembly 1, 7, 8 rests. The application of this assembly against the bearing surface 22 is ensured by a seal 23 of compressible insulating material which lines the crown 20 fitted on the bottom of the housing 21. When the plate 1 vibrates, its periphery pivots around the ridge in knife of the reach 22 which does not generate bending torque at the attachment point. This pivoting causes the bearing face of the seal 23 to tip over, but to avoid creating a resistant torque, this seal is made of polymer or elastomer foam. This joint can be made conductive, in order to make contact with the electrode 7. The electrode 7 plays the role of ground electrode connected to the metal parts 20 and 21 of the housing and the electrode 8 is stopped at low distance from the bearing surface 22. Of course, there is nothing to prevent the parts 21 and 22 from being made of an insulating material and making the electrostatic shielding by crimping in a metallic outer casing as illustrated for example in FIG. 14.

Le renforcement de sensibilité qui concerne le dispositif de la figure 7 repose essentiellement sur le mode d'attache de la plaque vibrante au boîtier. En comparant la déformée de la figure 7 à celle de la figure 5, on voit qu'elles ont une allure semblable à condition de négliger la couronne proche de l'encastrement qui présente une inversion de courbure.The increased sensitivity which concerns the device of FIG. 7 essentially rests on the method of attachment of the vibrating plate to the housing. By comparing the deformation of FIG. 7 to that of FIG. 5, it can be seen that they have a similar appearance provided that the crown close to the recess which has an inversion of curvature is neglected.

Cette remarque conduit tout naturellement à définir quelle est la charge Q_F induite par piézoélectricité de flexion sur des électrodes recouvrant complètement une plaque circulaire encastrée.This remark naturally leads to defining what is the charge Q _F induced by bending piezoelectricity on electrodes completely covering a recessed circular plate.

L'expression mathématique de cette charge est :

The mathematical expression of this charge is:

Les contraintes X_r et X_θ peuvent s'exprimer en fonction du rapport

par les expression (a) ou (b) qui suivent :

The constraints X _r and X _θ can be expressed as a function of the ratio

with the following expressions (a) or (b):

la valeur de k est donnée ci-dessus en relation avec la description de la figure 6.the value of k is given above in relation to the description of FIG. 6.

Ces expressions permettent d'exprimer la charge induite Q_F:

Avec les relations (b), on trouve :
qui peut s'écrire :

These expressions are used to express the induced charge Q _F :

With relations (b), we find:
which can be written:

Avec les relations (a), on trouve :

le changement de signe de l'intégrant (1 - 2 p²) a lieu pour

With relations (a), we find:

the change of sign of the integrant (1 - 2 p ² ) takes place for

La relation (c) montre que la charge induite est nulle si la plaque est attachée par un encastrement plan, car

The relation (c) shows that the induced load is zero if the plate is attached by a plane embedding, because

La relation (d) montre que si R

la couronne comprise entre les rayons R et R' collecte une charge égale et de signe contraire à la charge collectée par le cercle intérieur ayant le rayon R'.The relation (d) shows that if R

the crown between the rays R and R 'collects an equal charge and of sign opposite to the charge collected by the inner circle having the radius R'.

A partir de ce qui vient d'être dit, un gain de sensibilité important du dispositif de la figure 5 peut être obtenu par subdivision d'une des électrodes 7 ou 8 selon une coupure circulaire de rayon R'.From what has just been said, a significant gain in sensitivity of the device of FIG. 5 can be obtained by subdivision of one of the electrodes 7 or 8 according to a circular cut of radius R '.

Cette variante de réalisation est illustrée par la vue isométrique partielle de la figure 8. Le fond de boitier 21 et la collerette 20 forment ici un encastrement plan pinçant une plaque plane 1. L'électrode 27 recouvre complétement la face de la plaque 1 tournée vers l'extérieur. La face intérieure de la plaque 1 porte deux électrodes concentriques 26 et 25. L'électrode centrale est un disque 25 dont le rayon est voisin de la valeur R' définie ci-dessus. L'électrode périphérique 26 est un anneau de rayon intérieur voisin de R'. La coupure circulaire qui sépare les deux électrodes 25 et 26 se situe au rayon R', c'est à dire à 70 % du centre par rapport à la zone non encastrée de la plaque 1. Si l'on prend pour électrode de référence l'électrode 27, les tensions microphoniques délivrées par les électrodes 25 et 26 sont de signes contraires et supérieures à la tension qui serait délivrée par les électrodes 25 et 26 réunies l'une à l'autre. On peut envisager plusieurs modes d'exploitation- des tensions fournies par les électrodes. La solution la plus simple consiste à ne prévoir sur la face interne de la plaque 1 qu'une seule des électrodes 25 et 26. Dans ce cas un circuit adaptateur d'impédance à entrée unique est approprié.This alternative embodiment is illustrated by the partial isometric view of FIG. 8. The bottom of the case 21 and the flange 20 here form a flat recess pinching a flat plate 1. The electrode 27 completely covers the face of the plate 1 facing towards outside. The inner face of the plate 1 carries two concentric electrodes 26 and 25. The central electrode is a disc 25 whose radius is close to the value R 'defined above. The peripheral electrode 26 is a ring with an inner radius close to R '. The circular cut-off which separates the two electrodes 25 and 26 is located at the radius R ', that is to say at 70% of the center with respect to the non-embedded area of the plate 1. If we take as reference electrode l electrode 27, the microphone voltages delivered by the electrodes 25 and 26 are of opposite signs and greater than the voltage which would be delivered by the electrodes 25 and 26 joined together. Several modes of operation can be envisaged - voltages supplied by the electrodes. The simplest solution consists in providing on the internal face of the plate 1 only one of the electrodes 25 and 26. In this case an adapter circuit single input impedance is appropriate.

La sensibilité microphonique

où v est la tension à vide délivrée et p la pression acoustique peut se déduire de l'expression

où c est la capacité interélectrode donnée par

et Q'_F la charge collectée calculée en intégrant l'expression (d) de la charge Q_F entre les limites d'intégration O et R'/R.Microphonic sensitivity

where v is the no-load voltage delivered and p the acoustic pressure can be deduced from the expression

where c is the inter-electrode capacity given by

and Q ' _F the collected charge calculated by integrating expression (d) of the charge Q _F between the integration limits O and R' / R.

On obtient :

We obtain :

A titre d'exemple non limitatif, on peut évaluer cette sensibilité en tension dans le cas d'une plaque de polyfluorure de vinylidène polarisé.By way of nonlimiting example, this voltage sensitivity can be evaluated in the case of a polarized polyvinylidene fluoride plate.

Les valeurs R et h sont fixées pour obtenir une première fréquence de résonance de 3 kHz soit : R = 7,5 mm et h = 240 µm. On trouve une sensibilité s = 1 mV/Pa.The values R and h are fixed to obtain a first resonance frequency of 3 kHz, that is: R = 7.5 mm and h = 240 μm. We find a sensitivity s = 1 mV / Pa.

Comme la capacité inerélectrodes est la même pour l'électrode centrale 25 et pour l'électrode annulaire 26, on obtient la même sensibilité dans les deux cas. Il va sans dire que l'électrode 27 n'a pas besoin de s'étendre au-delà de la zone en vis-à-vis de celle des électrodes 25 et 26 qui sert à recueillir la charge induite.As the inerelectrode capacity is the same for the central electrode 25 and for the annular electrode 26, the same sensitivity is obtained in both cases. It goes without saying that the electrode 27 does not need to extend beyond the zone opposite that of the electrodes 25 and 26 which serves to collect the induced charge.

On peut cependant doubler la sensibilité de la capsule microphonique en utilisant comme bornes de sortie les électrodes 25 et 26. Dans ce cas, l'électrode 27 couvre toute la plaque 1 et il faut la blinder efficacement contre les influences électrostatiques extérieures, car elle est flottante. Le montage électrique de la figure 9 illustre ce mode de raccordement en liaison avec un amplificateur différentiel comprenant deux transistors unipolaires à grille isolée T₁ et T₂. Les sources des transistors T₁ et T₂ sont reliées au pôle négatif 30 d'une alimentation symétrique ayant pour pôle commun le pôle 29. Le drain du transistor T est relié directement au pôle positif 28 de l'alimentation tandis que le drain du transistor T₂ y est relié via une résistance de charge R_I aux bornes de laquelle apparait la tension amplifiée. Les électrodes 25 et 26 sont respectivement reliées aux grilles des transistors T₂ et T₁. Grâce au montage différentiel, on peut sans inconvénient relier l'électrode 27 au pôle commun 29 par la connexion 31. Bien entendu d'autres circuits amplificateurs et/ou adaptateurs d'impédance peuvent être envisagés, par exemple ceux qui utilisent des transistors bipolaires. La limitation de la réponse du coté des basses fréquences s'obtient par une résistance de forte valeur mise en parallèle sur les capacités actives 25, 27 ou 26, 27. Cette résistance peut être intégrée à la plaque 1 ou mieux réalisée en rendant conducteur le diélectrique constituant la plaque 1.However, the sensitivity of the microphone capsule can be doubled by using the electrodes 25 and 26 as output terminals. In this case, the electrode 27 covers the entire plate 1 and it must be shielded effectively against external electrostatic influences, because it is floating. The electrical assembly of FIG. 9 illustrates this mode of connection in connection with a differential amplifier comprising two unipolar transistors with insulated gate T ₁ and T ₂ . The sources of the transistors T ₁ and T ₂ are connected to the negative pole 30 of a symmetrical power supply having as pole the pole 29. The drain of the transistor T is connected directly to the positive pole 28 of the power supply while the drain of the transistor T ₂ is connected to it via a load resistor R _I at the terminals of which the amplified voltage appears. The electrodes 25 and 26 are respectively connected to the gates of the transistors T ₂ and T ₁ . Thanks to the differential mounting, you can drawback connect the electrode 27 to the common pole 29 by the connection 31. Of course, other amplifier circuits and / or impedance adapters can be envisaged, for example those which use bipolar transistors. The limitation of the response on the side of the low frequencies is obtained by a high-value resistor put in parallel on the active capacitors 25, 27 or 26, 27. This resistor can be integrated into the plate 1 or better achieved by making the conductor dielectric constituting the plate 1.

Dans les exemples qui précédent, on a supposé que la plaque vibrante est uniformément polarisée depuis le centre jusqu'au point d'attache avec le boitier. Cependant, la charge induite par une contrainte déterminée dépend en grandeur et en signe de l'excès de charge ou de la polarisation dipolaire créée en permanence dans le diélectrique formant la plaque vibrante. On peut donc jouer sur ce facteur pour accroître la sensibilité microphonique d'une plaque à encastrement plan telle que celle représentée sur la figure 5.In the preceding examples, it has been assumed that the vibrating plate is uniformly polarized from the center to the point of attachment with the housing. However, the charge induced by a determined stress depends on the magnitude and as a sign of the excess charge or of the dipole polarization permanently created in the dielectric forming the vibrating plate. We can therefore play on this factor to increase the microphonic sensitivity of a flat mounting plate such as that shown in FIG. 5.

La figure 10 est une coupe méridienne d'une capsule microphonique utilisant une plaque 1 à polarisation inhomogène. Cette plaque 1 est revêtue sur ses deux faces d'électrodes 7 et 8 allant du centre jusqu'à l'encastrement plan du boitier 34. La polarisation dipolaire P créée dans la couronne de rayon supérieur à R' est égale et en sens contraire de la polarisation P' crée dans le disque central de rayon inférieur ou égal à R'. Lorsqu'on intégre les diverses contributions de la piézoélectricité de flexion avec les limites d'intégration (O, R') et (R', R), on voit que les charges se cumulent au lieu de se neutraliser. La tension délivrée v est plus importante que celle que fournirait la capsule microphonique si une seule des deux polarisations existait, solution qui figure aussi dans le cadre de la présente invention, mais elle n'est pas le double de ce que fournit la capsule de la figure 9 entre l'électrode 27 et l'une des électrodes 25 ou 26. Toutes autres choses égales par ailleurs, la capsule de la figure 10 offre une impédance électrique quatre fois moindre que celle de la figure 8 ce qui peut être utile si l'excitation du circuit amplificateur se fait par le courant de court-circuit et non pas par la tension à vide développée. Il est utile de noter que le courant de court-circuit à charge induite constante est une fonction proportionnelle à la fréquence acoustique et que si l'on utilise un amplificateur de courant à impédance d'entrée faible et à forte impédance de sortie il faut prévoir une charge capacitive en sortie pour redresser la courbe de réponse.FIG. 10 is a meridian section of a microphone capsule using a plate 1 with inhomogeneous polarization. This plate 1 is coated on its two faces with electrodes 7 and 8 going from the center to the plane embedding of the case 34. The dipolar polarization P created in the crown of radius greater than R 'is equal and in the opposite direction to the polarization P 'created in the central disc of radius less than or equal to R'. When one integrates the various contributions of the piezoelectricity of bending with the limits of integration (O, R ') and (R', R), one sees that the charges accumulate instead of neutralizing themselves. The voltage delivered v is greater than that which the microphone capsule would provide if only one of the two polarizations existed, a solution which also appears in the context of the present invention, but it is not twice what the capsule of the microphone provides. figure 9 between the electrode 27 and one of the electrodes 25 or 26. All other things being equal, the capsule of figure 10 offers an electrical impedance four times less than that of figure 8 which can be useful if the The amplifier circuit is energized by the short-circuit current and not by the developed open circuit voltage. It is useful to note that the short-circuit current with constant induced load is a function proportional to the acoustic frequency and that if a current amplifier is used with low input impedance and high output impedance a capacitive load at the output must be provided to straighten the response curve.

Dans les applications décrites qui utilisent un rayon R' pour départager les zones électrodes ou les zones polarisées, on peut considérer que la valeur √2 2 R est optimale. Si l'on s'écarte quelque peu de cette valeur un gain de sensibilité subsiste.In the applications described which use a radius R 'to separate the electrode zones or the polarized zones, it can be considered that the value √2 2 R is optimal. If we deviate somewhat from this value, a gain in sensitivity remains.

En général, lorsque la polarisation du diélectrique n'existe que dans une partie de la plaque il y a intérêt à employer des électrodes qui ne dépassent pas l'étendue polarisée. La polarisation localisée peut être obtenue facilement par les procédés classiques de polarisation entre électrodes ou par effet Corona avec anneau de garde.In general, when the polarization of the dielectric exists only in a part of the plate, it is advantageous to use electrodes which do not exceed the polarized extent. Localized polarization can be easily obtained by conventional methods of polarization between electrodes or by Corona effect with guard ring.

La réalisation d'une inhomogénéité radiale n'est qu'un aspect de ce que l'on peut faire pour obtenir une meilleure sensibilité microphonique.Achieving radial inhomogeneity is only one aspect of what can be done to obtain better microphone sensitivity.

La figure 11 est une vue en coupe partielle d'une plaque vibrante stratifiée comprenant une couche 35 inerte du point de vue piézoélectrique à laquelle adhère une couche 34 piézoélectriquement active mais ayant des propriétés élastiques identiques. Le diagramme des tensions de flexion conserve la forme triangulaire avec un sommet sur la fibre médiane 36, mais seules les tensions existant dans la couche 34 contribuent à développer en surface une charge induite. La piézoélectricité intrinsèque peut donc fournir une contribution non-nulle à laquelle s'ajoute la contribution de la piézoélectricité de flexion.Figure 11 is a partial sectional view of a laminated vibrating plate comprising a layer 35 inert from the piezoelectric point of view to which adheres a layer 34 piezoelectrically active but having identical elastic properties. The diagram of the bending tensions retains the triangular shape with a vertex on the middle fiber 36, but only the tensions existing in the layer 34 contribute to developing an induced load on the surface. Intrinsic piezoelectricity can therefore provide a non-zero contribution to which is added the contribution of bending piezoelectricity.

La figure 12 est une vue en coupe partielle d'une plaque vibrante stratifiée comprenant une couche 38 inerte du point de vue piézoélectrique qui adhère à une couche piézoélectriquement active 34 présentant une plus forte compliance. Le fléchissement de la couche 38 entraine un étirement assez uniforme de la couche 34 qui est représenté par le diagramme de contrainte 39.Figure 12 is a partial sectional view of a laminated vibrating plate comprising a piezoelectric inert layer 38 which adheres to a piezoelectrically active layer 34 having higher compliance. The deflection of the layer 38 results in a fairly uniform stretching of the layer 34 which is represented by the stress diagram 39.

Pour réaliser les plaques stratifiées des figures 11 et 12 qui peuvent d'ailleurs comporter plus de deux couches superposées on peut mettre en oeuvre l'assemblage par collage. La plaque de la figure 11 peut être constituée par exemple par deux couches de PVF₂ l'une seulement étant polarisée électriquement. La plaque stratifiée de la figure 12 peut être constituée par exemple par une couche 34 de PVF 2 polarisé collée ou greffée sur une lame métallique 38 de plus grande rigidité. Dans ce cas, la lame métallique fait office d'électrode.To produce the laminated plates of FIGS. 11 and 12 which may moreover have more than two superimposed layers, assembly can be carried out by gluing. The plate of Figure 11 can be constituted for example by two layers of PVF ₂ only one being electrically polarized. The laminated plate of FIG. 12 can be constituted for example by a layer 34 of polarized PVF 2 glued or grafted onto a metal blade 38 of greater rigidity. In this case, the metal blade acts as an electrode.

Au lieu d'utiliser une plaque vibrante partiellement polarisée en épaisseur comme illustré sur les figures 11 et 12, on peut réaliser une plaque monolithique telle que la plaque 40 de la figure 13. En créant suivant l'axe z un profil 42 de conductivité cr ayant une valeur faible au-dessus d'une fibre 41 et beaucoup plus forte en dessous de cette fibre, on peut réaliser un écrantage du champ électrique dans la région sous-jacente de la fibre 41. Ainsi bien que piézoéleçtriquement active en épaisseur, cette plaque est en partie passivée par le renforcement de conductivité. Une telle plaque peut être obtenue par un dopage du matériau selon une profondeur de pénétration limitée à une fraction de l'épaisseur totale. A cet effet, on peut faire appel à une technologie de bombardement électronique permettant avec une énergie de quelques dizaines de keV de pénétrer à une profondeur de quelques dizaines de microns dans un matériau polymère. On peut également obtenir un profil de conductivité par diffusion d'ions alcalins portés par un solvant.Instead of using a vibrating plate partially polarized in thickness as illustrated in FIGS. 11 and 12, it is possible to produce a monolithic plate such as the plate 40 in FIG. 13. By creating along the axis z a profile 42 of conductivity cr having a low value above a fiber 41 and much stronger below this fiber, it is possible to screen the electric field in the underlying region of fiber 41. As well as being piezoelectrically active in thickness, this plate is partly passivated by the reinforcement of conductivity. Such a plate can be obtained by doping the material according to a penetration depth limited to a fraction of the total thickness. To this end, electronic bombardment technology can be used which allows, with an energy of a few tens of keV, to penetrate to a depth of a few tens of microns in a polymer material. A conductivity profile can also be obtained by diffusion of alkaline ions carried by a solvent.

Sur la figure 14, on peut voir une coupe méridienne d'une capsule microphonique pour application téléphonique.In Figure 14, we can see a meridian section of a microphone capsule for telephone application.

La plaque vibrante plane 1 est serrée dans un encastrement périphérique constitué par les bords plans d'un couvercle métallique 44 et d'un fond de boitier 45 également métallique. La face de la plaque 1 tournée vers le couvercle 44 est complètement recouverte d'une électrode 7 mise à la masse du boitier ce qui se produit à la fin de l'assemblage par le sertissage d'une enveloppe métallique 43. Le fond du couvercle 44 est percé d'orifices 48 formant une grille perméable au son ; l'intérieur du couvercle est garni d'un revêtement textile 47 également perméable au son. Le couvercle 44 et la plaque 1 délimitent une première cavité acoustique 46. Une seconde cavité acoustique est formée par un évidement supérieur du fond du boitier 45 qui possède une paroi intérieure percée d'un orifice 50. Un évidement inférieur du fond du boitier 45 forme une troisième cavité acoustique 53 avec une plaque de circuit imprimé 54. L'orifice de communication 50 entre la seconde cavité acoustique et la troisième cavité acoustique est obturé par un tampon textile amortisseur 49. La face inférieure de la plaque 1 porte une électrode annulaire 8 reliée électriquement à un circuit amplificateur 51 porté par le centre de la plaque 1. Des circuits d'alimentation 55 portés par le circuit imprimé 54 sont reliés par des connexions en pointillé au circuit 51. Des bornes de sortie 56 portées par le circuit imprimé 54 sont également reliées au circuit adaptateur d'impédance 51. Une résistance de fuite 52 est réalisée entre l'électrode 7 et l'électrode 8 par rebouchage avec une pâte conductrice, d'un trou pratiqué au travers de la plaque 1. Cette résistance sert à limiter la réponse électroacoustique vers les basses fréquences. Les moyens amortisseurs 47 et 49 contribuent à amortir la fréquence de résonance de la plaque 1.The planar vibrating plate 1 is clamped in a peripheral recess formed by the flat edges of a metallic cover 44 and of a bottom of the case 45 also metallic. The face of the plate 1 facing the cover 44 is completely covered with an electrode 7 grounded to the case, which occurs at the end of assembly by crimping a metal casing 43. The bottom of the cover 44 is pierced with orifices 48 forming a grid permeable to sound; the inside of the cover is lined with a textile covering 47 which is also permeable to sound. The cover 44 and the plate 1 define a first acoustic cavity 46. A second acoustic cavity is formed by an upper recess in the bottom of the case 45 which has an inner wall pierced with an orifice 50. A lower recess in the bottom of the case 45 forms a third acoustic cavity 53 with a printed circuit board 54. The communication orifice 50 between the second acoustic cavity and the third acoustic cavity is closed by a damping textile pad 49. The underside of the plate 1 carries an annular electrode 8 electrically connected to an amplifier circuit 51 carried by the center of the plate 1. Supply circuits 55 carried by the printed circuit 54 are connected by dotted connections to the circuit 51. Output terminals 56 carried by the printed circuit 54 are also connected to the impedance adapter circuit 51. A leakage resistance 52 is produced between the electrode 7 and the electrode 8 by plugging in with a conductive paste, a hole made through the plate 1 This resistance serves to limit the electroacoustic response towards the low frequencies. The damping means 47 and 49 contribute to damping the resonance frequency of the plate 1.

Il va de soi que l'on peut combiner entre eux les différents moyens par lesquels la sensibilité d'une plaque vibrante plane peut être améliorée. La description de la figure 14 montre que l'utilisation d'une plaque plane est relativement aisée à mettre en oeuvre et qu'elle permet d'atteindre un degré élevé d'intégration des composants électroniques tout en conservant des formes simples pour les pièces de montage. La stabilité dans le temps des caractéristiques électroacoustiques est remarquable et la compacité de la capsule microphonique n'altère en aucune façon ses performances électroacoustiques. Le dispositif de la figure 14 illustre plus particulièrement un microphone à pression recevant la pression acoustique sur l'une des faces de la plaque. Cependant, l'invention s'applique également aux microphones à gradient de pression qui se révèlent particulièrement efficaces dans les ambiances bruyantes pour privilégier les sources sonores rapprochées.It goes without saying that one can combine together the different means by which the sensitivity of a planar vibrating plate can be improved. The description of FIG. 14 shows that the use of a flat plate is relatively easy to implement and that it makes it possible to achieve a high degree of integration of the electronic components while retaining simple shapes for the parts. mounting. The stability over time of the electroacoustic characteristics is remarkable and the compactness of the microphone capsule does not in any way affect its electroacoustic performance. The device of FIG. 14 more particularly illustrates a pressure microphone receiving the acoustic pressure on one of the faces of the plate. However, the invention also applies to microphones with a pressure gradient which prove to be particularly effective in noisy atmospheres in favoring close sound sources.

Lorsqu'on plonge dans l'eau un microphone tel que décrit précédemment, on voit qu'il constitue un bon hydrophone. La fréquence de résonance est abaissée du fait de la charge d'eau. Il y a également lieu de signaler que les plaques peuvent être réalisées non seulement en polyfluorure de vinylidène, mais aussi dans l'un de ses copolymères.When we immerse a microphone as described above in water, we see that it constitutes a good hydrophone. The resonant frequency is lowered due to the water load. It should also be noted that the plates can be produced not only from polyvinylidene fluoride, but also from one of its copolymers.

Claims

1. Electroacoustic transducer with polarized solid dielectric capacitor comprising at least two collector electrodes (7,8), a vibrating structure (1) made of said dielectric and subjected to the incident acoustic pressure (p) and a support (20, 21) to which said vibrating structure is attached by its edges; said electrodes (7,8) being carried by said vibrating structure and connected respectively to two output terminals, characterized in that said vibrating structure is a flat plate-like structure (1) thick enough for the average sheet (16) does not undergo any significant deformation during the bending of said plate (1).

2. Transducer according to claim 1, characterized in that the attachment means (22,23) connecting the edge of said plate (1) to said supports (20,21) ensures its freedom of pivoting when it bends alternately under the effect of said incident acoustic pressure (p).

3. Transducer according to claim 2, characterized in that the support of said plate has a pointed projection (22) at the top of which the edge of said plate can pivot freely.

4. Transducer according to claim 1, characterized in that the edge of said plate (1) is clamped in a recess (2) with flat faces formed in said support (20,21).

5. A transducer according to claim 1, characterized in that said plate (1) has an electrical polarization (P, P ') inhomogeneous in its extent.

6. A transducer according to claim 5, characterized in that a central region of said plate (1) has an electric polarization (P ') whose sign is reversed with respect to the electric polarization (P) existing in a region extending between the edge of said plate (I) and said central region.

7. A transducer according to claim 1, characterized in that the electrical polarization of said plate (1) is inhomogeneous in a direction (Z) perpendicular to its faces.

8. Transducer according to claim 7, characterized in that said plate (1) is a laminated structure (34,35,38) composed of at least two superposed layers adhering to each other; one of said layers (34) being made of a polarized dielectric.

9. A transducer according to claim 8, characterized in that the other of said layers (38) is metallic.

10. A transducer according to claim 8, characterized in that the other of said layers (35) is made of the same non-polarized dielectric.

11. A transducer according to claim 1, characterized in that the electrical conductivity (T) of said plate (40) is inhomogeneous.

12. A transducer according to any one of claims 1 to 11, characterized in that said electrodes (7,8) respectively cover the faces of said plate (1).

13. A transducer according to any one of claims 1 to 11, characterized in that at least one of said electrodes (25,26) partially covers one of the faces of said plate (1).

14. A transducer according to claim 13, characterized in that said electrodes (25,26) are located on one of the faces of said plate (1); the other face of the said plate (1) being covered by a counter electrode (27).

15. A transducer according to claim 13, characterized in that said plate is a recessed circular plate (1) and in that said electrode (25,26) covers part of said face limited by a circle of radius (R ') close 0.7 times the radius (R) of the non-recessed part of said plate (1).

16. A transducer according to claim 14, characterized in that said electrodes (25,26) are connected to the differential inputs of an electronic amplifier circuit (T ₁ ; T ₂ ).

17. Transducers according to claim 1, characterized in that said plate (1) carries an amplifier electronic circuit (51) connected to said electrodes (7,8).

18. A transducer according to claim 1, characterized in that only one face of said plate (1) is accessible to the acoustic pressure (p).

19. A transducer according to claim 1, characterized in that the two faces of said plate (1) are accessible to the acoustic pressure (p).

20. Transducer according to any one of the preceding claims, characterized in that the polarization of said plate (1) is dipolar.

21. Transducer according to any one of claims 1 to 19, characterized in that the polarization of said plate (1) consists of an excess of charge.

22. Transducer according to claim 20, characterized in that said plate (1) is made of polyvinylidene fluoride or one of its copolymers.

23. Transducer according to any one of the preceding claims, characterized in that the response is limited towards the low frequencies by a resistor (52) connecting said electrodes (7,8).

24. A transducer according to claim 23, characterized in that said resistor (52) is integrated into said plate (1).