FR2511571A1

FR2511571A1 - ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER WITH CONDENSER WITH POLARIZED SOLID DIELECTRIC

Info

Publication number: FR2511571A1
Application number: FR8115507A
Authority: FR
Inventors: Pierre Ravinet; Francois Micheron
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1981-08-11
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1983-02-18
Also published as: EP0072289A2; EP0072289A3; KR840001425A; GB2111799A; JPS5841000A; FR2511571B1

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE AUX MICROPHONES A CONDENSATEUR A DIELECTRIQUE SOLIDE POLARISE. LA STRUCTURE VIBRANTE SOUMISE A LA PRESSION ACOUSTIQUE COMPORTE DES ELECTRODES 7, 8 RECUEILLANT LES CHARGES ELECTRIQUES INDUITES SUR LES FACES DU DIELECTRIQUE POLARISE. CES ELECTRODES SONT RELIEES A UN CIRCUIT ELECTRIQUE ADAPTATEUR D'IMPEDANCE 51. L'INVENTION A POUR OBJET UN MICROPHONE DONT LA STRUCTURE VIBRANTE 1 EST UNE PLAQUE PLANE TRAVAILLANT EN FLEXION FAIBLE ET ATTACHEE PAR SON BORD A UN SUPPORT 44, 45. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX MICROPHONES A PRESSION ET A GRADIENT DE PRESSION POUR LES APPLICATIONS TELEPHONIQUES.THE INVENTION RELATES TO POLARIZED SOLID DIELECTRIC CONDENSER MICROPHONES. THE VIBRATING STRUCTURE SUBJECTED TO ACOUSTIC PRESSURE INCLUDES ELECTRODES 7, 8 COLLECTING THE ELECTRIC CHARGES INDUCED ON THE FACES OF THE POLARIZED DIELECTRIC. THESE ELECTRODES ARE CONNECTED TO AN ELECTRICAL IMPEDANCE ADAPTER CIRCUIT 51. THE OBJECT OF THE INVENTION A MICROPHONE WHOSE VIBRATING STRUCTURE 1 IS A FLAT PLATE WORKING IN LOW BENDING AND ATTACHED BY ITS EDGE TO A SUPPORT 44, 45. THE INVENTION APPLIES ESPECIALLY TO PRESSURE AND PRESSURE GRADIENT MICROPHONES FOR TELEPHONE APPLICATIONS.

Description

TRANSDUCTEUR ELECTROACOUSTIQUE A CONDENSATEURCONDENSER ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER

A DIELECTRIQUE SOLIDE POLARISEA POLARIZED SOLID DIELECTRIC

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 Microphones and hydrophones in which the sound pressure acts directly on a vibrating structure of the electrically biased solid dielectric capacitor type Condenser microphones using an electrically polarized solid dielectric generally consist of one or more coated dielectric films

d'électrodes En fonction des tensions mécaniques de traction ou de com- of electrodes Depending on the mechanical tensile or

pression résultant de la déformation élastique induite par la pression pressure resulting from pressure-induced elastic deformation

acoustique incidente, des charges électriques sont créées par effet piézo- incidental acoustics, electrical charges are created by piezoelectric effect

électrique ou par excès de charge électrique Pour obtenir un effet electric or by excess of electric charge To obtain an effect

transducteur linéaire, il faut que la charge électrique induite varie exacte- linear transducer, the induced electrical charge must be exactly

ment 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 Like the incident sound pressure The use of a flat membrane resistant to deformation simply because of the extension voltages produced by the increase of its surface within a rigid mounting contour does not allow for to obtain a linear response in amplitude, except when the membrane is a bimorph structure Indeed, the deformation of a homogeneous film outside the plane creates tension of extension whatever is the side of the film on which the thrust is exerted. to overcome this drawback, it is possible to give a homogeneous film an enveloping shape which, by expanding and contracting under the effect of the acoustic pressure, will produce alternating voltages However, the shaping of a film also has drawbacks, in particular with regard to stability over time

de la forme ce qui a des répercussions sur les caractéristiques électro- shape which has repercussions on the electro-

acoustiques. 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 bo Ttier 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 acoustic. The mechanical compliance of a vibrating microphone structure intervenes in the operation, because it sets the resonant frequency and thus the upper limit of the frequency band reproduced at constant level. In the case of an omnidirectional microphone, one must make so that the rear face of the membrane is not subjected to the acoustic pressure and for this purpose, the membrane is mounted in a rigid bo Ttier so as to compress a certain volume of air The rigidity of the vibrating structure is thus reinforced by the presence of the volume of air, but as the work of deformation is partly stored in a medium devoid of transducing properties, the sensitivity of the microphone is less than if its membrane was the only body resistant to the acoustic pressure L ' influence of an air cushion loading a membrane is preponderant when it is very flexible, when its surface is

importante et lorsque le volume d'air comprimé est réduit. important 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 1 o de l'électrostatique, la différence de potentiel d'un condensateur chargé est To this must be added that a flexible membrane of large surface is generally thin, so that the capacitor formed by this membrane equipped with electrodes has a high electrical capacitance According to the laws 1 o of electrostatics, the difference in potential of 'a charged capacitor is

proportionnelle aux charges portées par les plateaux et inversement propor- proportional to the loads carried by the trays and inversely

tionnelle à la capacité La tension à vide délivrée par un microphone à membrane mince est donc relativement faible, d'o la nécessité de prévoir une amplification de tension et un blindage efficace contre les champs The vacuum voltage delivered by a thin-diaphragm microphone is therefore relatively low, hence the need for voltage amplification and efficient shielding against the fields.

électriques perturbateurs.disruptive electric.

Les phénomènes de piézoélectricité ont fait l'objet d'études nom- The phenomena of piezoelectricity have been the subject of

breuses montrant que parallèlement à la piézoélectricité intrinsèque définie comme on le sait par un tenseur de rang trois et impliquant que le matériau show that parallel to the intrinsic piezoelectricity defined as known by a tensor of rank three and implying that the material

considéré n'ait pas la structure centrosymétrique, il existe une piézo- considered to lack the centrosymmetric structure, there is a piezo-

électricité de flexion La polarisation électrique induite par la piézo- bending electricity The electrical polarization induced by the piezo

électricité 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 bending electricity is determined by the piezoelectric coefficients of a tensor of rank four and manifests itself when there is a stress gradient within the deformed material. In contrast to the intrinsic piezoelectricity, the bending piezoelectricity does not imply no prior structural or electrical anisotropy of the mechanically stressed material because it is the inhomogeneous solicitation which creates the structural defect giving rise macroscopically to the electric polarization

induite Néanmoins rexpérience montre que les manifestations de la piézo- Nevertheless, experience shows that the manifestations of piezo-

électricité de flexion sont sensiblement accrues lorsque le matériau consi- bending electricity are significantly increased when the material

déré a reçu une anisotropie électrique de type polaire ou par excès de 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' Il " 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. dere received an electrical anisotropy of polar type or by excess of charge. The simple recognition of the bending piezoelectricity and its measurement form an integral part of the state of the art as illustrated by the article by BREGER et al entitled "BENDING PIEZOELECTRICITY IN POLYVINYLIDENE FLUORIDE" and published on pages 2239 and 2240. of the Journal: "Japan J Appl Phys Vol 15 (1976), No. 11" In order to overcome the above-mentioned disadvantages, the present invention aims to apply bending piezoelectricity to a solid dielectric capacitor microphone structure. polarized.

Plus précisément, l'invention a pour objet un transducteur électro- More precisely, the subject of the invention is an electronic transducer

acoustique 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 polarized solid dielectric capacitor acoustic transistor 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 collecting electrodes being carried by said vibrating structure and connected respectively to two output terminals, characterized in that said vibrating structure is a sufficiently plate-shaped planar structure

épaisse pour que le feuillet moyen ne subisse aucune déformation signifi- thick so that the middle sheet does not suffer any significant deformation.

cative pendant la flexion de ladite plaque. during the bending of said plate.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et The invention will be better understood by means of the following description and

des figures annexées parmi lesquelles: annexed figures among which:

Les figures 1 à 6 sont des figures explicatives. Figures 1 to 6 are explanatory figures.

La figure 7 est une coupe méridienne d'une première variante de FIG. 7 is a meridian section of a first variant of

réalisation d'un microphone selon l'invention. embodiment of a microphone according to the invention.

La figure 8 est une vue isométrique partielle d'une seconde variante FIG. 8 is a partial isometric view of a second variant

de réalisation d'un microphone selon linvention. of making a microphone according to the invention.

La figure 9 est un schéma électrique de circuit amplificateur. Figure 9 is an electrical circuit diagram amplifier.

La figure 10 est une coupe méridienne d'une troisième variante de Figure 10 is a meridian section of a third variant of

La figure Il représente un détail de réalisation de microphone à FIG. 11 represents a detail of realization of microphone with

plaque vibrante selon l'invention.vibrating plate according to the invention.

La figure 12 représente un détail de réalisation de microphone à FIG. 12 represents a detail of embodiment of microphone with

plaque vibrante selon une autre variante de l'invention. vibrating plate according to another variant of the invention.

La figure 13 représente un détail de réalisation de microphone à FIG. 13 represents a detail of embodiment of microphone with

plaque vibrante selon encore une autre variante de l'invention. vibrating plate according to yet another variant of the invention.

La figure 14 est une vue en coupe d'un microphone à circuit adapteur Fig. 14 is a sectional view of an adapter circuit microphone

d'impédance intégré.integrated impedance.

Sur la figure 1, on peut voir deux coupes méridiennes (a) et (b) correspondant respectivement à des structures élastiques encastrées sur leur In Figure 1, we can see two meridian sections (a) and (b) respectively corresponding to elastic structures embedded in their

pourtour 2 La structure représentée en (a) est une plaque 1 plane d'épais- The structure shown in (a) is a plane plate 1 of thick

seur e 1 tandis que la structure représentée en (b) est une membrane plane 3 e 1 while the structure shown in (b) is a flat membrane 3

d'épaisseur e 2 sensiblement inférieure a el. of thickness e 2 substantially less than el.

En supposant ces structures de même rayon R soumises à la même pression acoustique p, on voit que la flèche A Z 1 prise par la déformée 4 de la plaque 1 est inférieure à l'épaisseur el alors-que la flèche A Z 2 prise par Assuming these structures of the same radius R subjected to the same acoustic pressure p, it can be seen that the arrow A Z 1 taken by the deformed part 4 of the plate 1 is smaller than the thickness e, whereas the arrow A Z 2 taken by

la déformée 5 de la membrane 3 est nettement supérieure à e 2. the deformation 5 of the membrane 3 is significantly greater than e 2.

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 An immediate remark is necessary regarding the mechanical resistance to the pressure Indeed, if the pressure p increases the plate will be able to behave like a membrane and if the pressure p decreases it is the

membrane qui pourra avoir le comportement d'une plaque. membrane that 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 d B 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 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: h = 16 " E w In the context of the present invention, this indeterminacy is lifted, because we will use a deformable plate subjected directly to the acoustic pressure Or, the highest value of the acoustic pressure that has to undergo the receiving element of a microphone corresponds to a loudness level of 125 d B above the audibility threshold set at 2 10 5 Pascal, ie a maximum pressure of around 35 Pascal The arrow W at the center of a circular plate recessed height h and radius R subjected to a pressure p is given by the approximate theory of weak bending plates by the formula: h = 16 "E w

avec comme condition de validité: h 0,1. with as a condition of validity: h 0.1.

R On peut donc évaluer le rapport R à ne pas dépasser pour un matériau élastique déterminé, En prenant par exemple un matériau relativement peu rigide comme le polyfluorure de vinylidène (PVF 2) qui présente un module d'élasticité E = 3,5 109 N mr 2 et un coefficient de Poisson v = 0,3, on trouve que la R It is therefore possible to evaluate the ratio R not to be exceeded for a given elastic material, for example by taking a relatively non-rigid material such as polyvinylidene fluoride (PVF 2) which has a modulus of elasticity E = 3.5 109 N mr 2 and a Poisson's ratio v = 0.3, we find that the

pression p = 35 Pa fixe un rapport R < 100. pressure p = 35 Pa sets a ratio R <100.

Ainsi, une structure encastrée circulaire de rayon R = 10 mm satis- Thus, a circular recessed structure of radius R = 10 mm satisfies

fait au critère de flexion faible si son épaisseur h est au moins égale à /um Un matériau céramique piézoélectrique du type PZT vingt fois plus rigide que le PVF 2 conduit à une épaisseur minimale moitié moindre selon le made to the criterion of weak bending if its thickness h is at least equal to / um A piezoelectric ceramic material of the PZT type twenty times stiffer than the PVF 2 leads to a minimum thickness of half less according to the

même critère Cependant, il faut signaler que la permittivité de la cérami- However, it should be noted that the permittivity of ceramics

que PZT, est cent fois plus élevée que celle du PVF 2 ce qui signifie que la tension à vide d'une capsule microphonique en céramique est, toutes choses than PZT, is a hundred times higher than that of PVF 2 which means that the empty voltage of a ceramic microphonic capsule is, all things

égales par ailleurs, cent fois plus faible. Equally equal, a hundred times lower.

Les céramiques piézoélectriques et les cristaux intrinsèquement piézo- Piezoelectric ceramics and crystals intrinsically piezo

électriques sont plutôt réservés à la détection microphonique de pressions are rather reserved for microphonic pressure detection

acoustiques très élevées ou à fréquence ultrasonique. very high acoustic or 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 The analysis of the piezoelectric effect which follows is to consider the work of elastic deformation within a polarized material, to deduce from the constraints generated by the acoustic pressure surface-induced electrical charge densities and to see how these densities charge

sont collectées par des électrodes. 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 WT représente la fraction de ce travail correspondant aux seules tensions de dilatation, on peut caractériser With regard to the work of elastic deformation, the notions of plate and membrane are clearly distinct, even if it is necessary to appeal to a classification criterion based on the low bending Indeed, the work of deformation of an elastic structure decomposes into several terms that involve expansion, bending and shearing voltages If W is the total strain work and if WT is the fraction of this work corresponding to the expansion voltages only, we can characterize

W-WT -W-WT -

la structure représentée en (a) sur la figure 1 par un rapport W très WT 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 the structure shown in (a) in Figure 1 by a W WT ratio greater than unity, because the expansion voltages play little role in the resistance of the plate to the acoustic pressure On the contrary, the structure

W WTW WT

représentée en (b) sur la figure 1 présente un rapport W T voisin de l'unité si la flèche à Z 2 est proche de l'épaisseur e 2 et qui tend vers zéro represented in (b) in FIG. 1 presents a ratio W T close to the unit if the arrow at Z 2 is close to the thickness e 2 and which tends to zero

lorsque la membrane 5 devient infiniment mince, car alors elle est dépour- when the membrane 5 becomes infinitely thin, because then it is deprived of

vue de rigidité à la flexion.flexural stiffness view.

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 WT 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 Another way of distinguishing between flat plate and plane membrane is to notice that the expansion voltages do not change sign when the thrust on a membrane is reversed in the presence of an alternative acoustic pressure. On the other hand, the other tensions which correspond to the work W WT change sign in accordance with the alternating bias 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 pressure

acoustique incidente.incidental acoustics.

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 Piezoelectricity can be manifested in two distinct forms: 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. polar polymeric materials such as polarized polyvinylidene fluoride On the other hand, bending piezoelectricity can exist in any dielectric body because it is due to the formation of dipole moments in the presence of a mechanical voltage gradient. The intensity with which piezoelectricity bending can occur is significantly increased when the material is electrically polarized by excess charge (electret) or by creating a polar phase at

léchelle macroscopique.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 laxe Z L'axe longitudinal de la poutre OX forme avec un axe OY et laxe 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 FIG. 2 shows an experimental device for deriving the two forms of piezoelectricity from each other. This device comprises a beam 6 with a prismatic section, for example made of polyvinylidene fluoride polarized parallel to the Z axis. is carried at one end by a recess 2 and can be bent by applying at the other end a force F direction parallel to the Z axis The longitudinal axis of the beam OX form with an axis OY and lax OZ a trihedron three-rectangular; the figures in parentheses denote these axes according to the use 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 appears a voltage V The state of tension in the straight section 13 of the beam is represented by a triangular distribution with zero center 12 which represents the tensions of

flexion La longueur de la poutre encastrée 6 est L et le système d'élec- bending The length of the recessed beam 6 is L and the elec-

trodes 7 et 8 se situe à l'abscisse variable x = l Les faces de la poutre 6 portant les électrodes 7 et 8 ont pour équations: Z = h et Z = h et leur trodes 7 and 8 is located at the variable abscissa x = 1 The faces of the beam 6 carrying the electrodes 7 and 8 have for equations: Z = h and Z = h and their

largeur est égale à b.width is equal to b.

En uh point courant C -de coordonnées X, Y, Z de la poutre 6, les composantes non nulles du tenseur de contrainte sont: 3 F __X et x 3 F Z Xl = 2 F 3 5 4 bh bh h 7 Xl décrit la distribution 12 à moyenne nulle sur la hauteur 2 h de la poutre et X 5 décrit la distribution Il dont la moyenne X 5 sur la hauteur 2 h de la poutre est nécessairement égale à 2 Fh Aucune tension de dilatation In a current point C of the X, Y, Z coordinates of the beam 6, the non-zero components of the stress tensor are: 3 F X X and 3 3 FZ X 1 = 2 F 3 5 4 bh bh h 7 X 1 describes the distribution 12 at zero average over the height 2 h of the beam and X 5 describes the distribution Il whose average X 5 on the height 2 h of the beam is necessarily equal to 2 Fh no expansion tension

selon OX n'existe puisque la force F est perpendiculaire à l'axe de la poutre. according to OX exists since the force F is perpendicular to the axis of the beam.

La charge électrique Q induite sur les électrodes 7 et 8 de surface S, à l'abscisse x = -X correspond à la densité de charge: f ôxi The electric charge Q induced on the electrodes 7 and 8 of surface S, at the abscissa x = -X corresponds to the charge density: f o x

1 t d 35 X 5 + 3113 ( d Z)x = -1 t d 35 X 5 + 3113 (d Z) x = -

Le terme d 35 X 5 représente la densité de charge relative à la piézoélectricité intrinsèque dont on sait que la polarisation induite P est donnée par l'expression tensorielle: i ijk jk o dijk sont les modules piézoélectriques appartenant à un tenseur de rang trois 6 X Le terme 3) x = 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 ' est donnée par l'expression tensorielle: p = f Xjk i ijk Z 6 x Z o fijk X sont les modules piézoélectriques appartenant à un tenseur de rang 4 et x Z la 9 ième 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 The term d 35 X 5 represents the charge density relative to intrinsic piezoelectricity, the induced polarization P of which is known to be given by the tensor expression: ## EQU1 ## where piezoelectric modules belong to a tensor of rank three. The term 3) x = varies according to the abscissa of the electrodes and represents the charge density relative to the bending piezoelectricity of which we know that the induced polarization P 'is given by the tensor expression: p = f Xjk i ijk Z 6 x Z o fijk X are the piezoelectric modules belonging to a tensor of rank 4 and x Z the 9th coordinate Knowing that the coordinates are three in number, the tensor expressing the bending piezoelectricity contains 81 piezoelectric modules not all null which Whatever the dielectric material considered, the measuring device of FIG.

défalquer lune de l'autre les deux formes de piézoélectricité. derive moon from each other the two forms of piezoelectricity.

A titre d'exemple, voici quelques valeurs mesurées des modules piézoélectriques de flexion. 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. 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 As an example, here are some measured values of the piezoelectric bending modules. It therefore appears that any structure made of an insulating material and in a state of inhomogeneous stresses is able to deliver an electrical signal between electrodes which is a solicitation measurement undergone by this structure. We can look at the bent beam of Figure 2 as an illustration of the phenomena that predominantly exist in plate 1 of the

figure 1.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 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

varie pas entre l'état de repos et l'état déformé Moyennant cette hypo- not vary between the state of rest and the deformed state.

thèse, on peut calculer pour un feuillet 14 de hauteur d Z à la distance Z du feuillet neutre quelles sont les tensions-élastiques induites par les courbures Px et O 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 thesis, we can calculate for a sheet 14 of height d Z at the distance Z of the neutral sheet what are the elastic tensions induced by the curvatures Px and O taken by the bent plate By expressing the volume equilibrium of FIG. it is possible, following a known mathematical reasoning, to arrive at the differential equation governing the weak bending of the plates

chargées transversalement.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 2 a de la plaque et son point le plus haut correspond à la flèche ô Ceci est vrai si l'on suppose que Matériau f 3113 f 3223 PVF 2 polarisé 21016 C m/N 0,5 1 o-î 6 C m IN PVF 2 non polarisé 0,5 18 C m/Nr le feuillet moyen ne subit aucune déformation méridienne On peut donc The weak bending hypothesis can be better understood by means of FIG. 4, which represents the spherical cap deformation of radius p of a flat circular plate undergoing at its periphery a uniform bending torque M The arc Ab has for length the diameter 2a of the plate and its highest point corresponds to the arrow o This is true if we assume that Material f 3113 f 3223 PVF 2 polarized 21016 C m / N 0.5 1 o-1 6 C m IN PVF 2 unpolarized 0.5 18 C m / Nr the average sheet undergoes no meridian deformation It is therefore possible to

calculer le rayon a, de la flèche circulaire subissant le plus fort raccourcis- calculate the radius a, of the circular arrow undergoing the strongest shortening

sement circonférentiel Ce rayon vaut: =a a, = p sin avec 4 = a -a 1 la dilatation circonférentielle est donc égale à: ú = + 2 a soit approximativement S = 6 En introduisant la valeur de 6 qui est approximativement A, This radius is: = a a, = p sin with 4 = a -a 1 the circumferential expansion is therefore equal to: ú = + 2 a is approximately S = 6 By introducing the value of 6 which is approximately A,

6 26 2

on trouve: E = 3 p 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 éE ales à e 21 p LE notion de flexion faible revient alors à supposer négligeable la dilatation du feuillet moyen à mi-hauteur de la plaque par rapport aux we find: E = 3 p This represents an upper limit for the expansion of the average leaflet 16 of Figure 3 which must be compared to the dilatations at the level of the faces equal to e 21 p THE notion of weak bending then amounts to assuming negligible dilation of the mid-height leaflet of the plate with respect to

dilatations de flexion des faces, ce qui revient à écrire que 6 " e. flexing of the faces, which amounts to writing that 6 "e.

En pratiqué, on se limite à 6 < 0,1 e, comme déjà indiqué précé- In practice, it is limited to 6 <0.1 e, as already indicated above.

demment. L'exposé théorique du calcul de la sensibilité d'un microphone à condensateur à diélectrique solide polarisé est beaucoup trop complexe pour ously. The theoretical discussion of calculating the sensitivity of a polarized solid dielectric capacitor microphone is far too complex for

figurer in extenso dans cette description, mais on peut en rappeler les may be reproduced in extenso in this description, but may be recalled

grandes lignes pour le cas d'espèce représenté sur la figure 5 Il s'agit d'une plaque circulaire plane l 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 o 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 outline for the case shown in FIG. 5 This is a flat circular plate 1 with peripheral embedding 2 also plane. Electrodes 7 and 8 completely cover the free faces of radius R of the plate 1 On the cut meridian of Figure 5 o the Z axis is an axis of revolution, the average sheet of the plate is represented by a straight broken line in the undeformed state When the sound pressure

exerce une poussée transversale uniformément répartie, la plaque se défor- exerts evenly distributed transverse thrust, the plate deforms

me selon une courbe à point d'inflexion représentée en pointillé sur la figure Le point courant Po du feuillet moyen se déplace en Pl et le centre de la plaque présente une flèche W donnée par la formule: according to a curve with a point of inflection shown in dashed lines in the figure The current point Po of the average sheet moves to P1 and the center of the plate has an arrow W given by the formula:

3 1 2 R 43 1 2 R 4

Le déplacement W à la distance r du centre est donné par l'expression: = Sur le diagramme normalisé de la figure 6,on a porté en abscisse le paramètre p = R et en ordonnée une échelle normalisée La courbe 17 représente en fonction de p la loi des déplacements w/w O définis par les The displacement W at the distance r from the center is given by the expression: = On the normalized diagram of FIG. 6, the parameter p = R is plotted on the abscissa and a normalized scale is plotted on the ordinate. Curve 17 represents as a function of p the law of displacements w / w O defined by the

formules qui précèdent.preceding formulas.

Pour calculer la contribution en charges électriques induites, il est nécessaire de connaître les contraintes électriques Xr et X) présentes dans la plaque déformée La courbe 18 du diagramme de la figure 6 donne les valeurs de l'expression X, / k E Z o k est donné par l'expression 1 v 3 1 v 2 R 2 To calculate the contribution in induced electric charges, it is necessary to know the electrical stresses Xr and X) present in the deformed plate The curve 18 of the diagram of FIG. 6 gives the values of the expression X, / k EZ ok is given by the expression 1 v 3 1 v 2 R 2

k = 4 p E 3 et v = 0,3.k = 4 p E 3 and v = 0.3.

h 3 X est la contrainte circonférentielle dans un système de cordonnées h 3 X is the circumferential stress in a coordinate system

cylindriques (O, r, z).cylindrical (O, r, z).

La courbe 19 du diagramme de la figure 6 donne les valeurs de l'expression X / k E Z r 1 2 1-v 2 Curve 19 of the diagram of FIG. 6 gives the values of the expression X / k E Z r 1 2 1 -v 2

X est la contrainte méridienne.X is the meridian constraint.

r 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 r Interestingly, because of the low bending assumption, stresses increase with z on both sides of the

feuillet moyen.medium sheet.

En uteonpet otr ue dw En outre, on peut noter que dr est nul à l'abscisse R, que la contrainte Xr s'annule à l'abscisse R V 1 + v et que la contrainte X r 3 + v s'annule à l'abscisse R I +v 1 + 3 v A partir de la connaissance des contraintes Xr et X O qui sont fonction des coordonnées cylindriques (O, r, z), il faut calculer feuillet par In addition, it can be noted that dr is zero at the abscissa R, that the stress Xr vanishes at the abscissa RV 1 + v and that the stress X r 3 + v vanishes at the abscissa RI + v 1 + 3 v From the knowledge of the constraints Xr and XO which are a function of the cylindrical coordinates (O, r, z), it is necessary to calculate sheet by

feuillet la polarisation induite par piézoélectricité intrinsèque et piézo- sheet polarization induced by intrinsic piezoelectricity and piezo

électricité de flexion Après intégration suivant z, on dispose sur les faces il 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 bending electricity After integration following z, the plate has a surface density of charges on the faces 11 which must be integrated throughout the entire range of the electrodes 7 and 8 to obtain the total charge.

induite par la pression acoustique.induced by the sound pressure.

Après des calculs relativement fastidieux qu'il serait inutile de repro- After relatively tedious calculations, it would be useless to reproduce

S duire ici, on peut montrer que les contributions à la charge induite par la Here, we can show that the contributions to the load induced by the

piézoélectricité intrinsèque et par la piézoélectricité de flexion sont globa- intrinsic piezoelectricity and bending piezoelectricity are globally

lement nulles.absolutely nil.

L'expérience confirme ce résultat surprenant qu'une plaque plane The experience confirms this surprising result that a flat plate

circulaire à encastrement plan en matériau homogène polarisé transversa- plane-mounted circular in transverse polarized homogeneous

lement et complètement recouverte sur ses deux faces d'électrodes a une sensibilité quasi nulle comme transducteur piézoélectrique soumis à la completely covered on both sides of the electrodes has a near-zero sensitivity as a piezoelectric transducer

pression acoustique.sound pressure.

Le déroulement des calculs montre cependant que les charges électri- The calculations show, however, that the electrical loads

ques 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 induced on the faces of the plate change sign with the radial position and that the overall cancellation is the result of an exact compensation

liée à la localisation précise des charges + et dans l'étendue des faces. related to the precise location of the + charges and in the extent of the faces.

Les considérations qui précèdent se traduisent en pratique par l'exis- The foregoing considerations are reflected in practice by the existing

tence 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 Tens of usable sensitivity when adopting the weakly flexed plate configuration In fact, there are concrete structural anomalies that prevent the charges collected by the electrodes from being canceled out exactly. A slight curl of a plate, an imperfect embedding or structural inhomogeneities are all factors that

contribuent à l'obtention d'une sensibilité effective. 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 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 closure housing of reduced volume and in a better linearity of operation A substantial gain in sensitivity could be observed in the context of electrodes recessed transducer plates completely covering the faces This gain is achieved by creating

une incurvation systématique de la plaque grâce à un encastrement non plan. a systematic incurvation of the plate thanks to a non plane embedding.

La forme bombée ou ondulée conférée à la plaque par l'encastrement modifie l'état de contrainte en donnant aux deux formes de piézoélectricité The curved or undulating shape imparted to the plate by the embedding modifies the state of stress by giving the two forms of piezoelectricity

l'occasion de se manifester de façon précise. the opportunity to manifest itself accurately.

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Cependant, ce moyen n'est pas le seul susceptible d'accroître la However, this means is not the only way to increase the

sensibilité acoustique.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 FIG. 7 shows a meridian section of a microphone capsule according to the invention in which the vibrating plate has been omitted. According to this embodiment, the plate 1 is completely coated on its two electrode faces 7 and 8 is simply pressed instead of recessed Unlike the recess shown in FIG. 5, the simple support of FIG. 7 does not generate a bending moment at the point of attachment of the bent plate by the sound pressure p The deformed dotted line in FIG. 7 has a simply curved 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 flexural strength. The charges generally collected by the electrodes 7 and 8 do not compensate exactly and the sensitivity of the

capsule microphonique est sensiblement relevée. microphone capsule is noticeably raised.

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 cortact avec l'électrode 7 L'électrode 7 joue le rôle d'électrode de masse reliés aux pièces métalliques 20 et 21 du boîtier et l'électrode 8 est arrêtée à fa ole 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 To achieve the conditions of simple support, the section of Figure 7 shows that the bottom of the housing 21 comprises an annular flange in which was formed a bearing surface 22 with a pointed apex on which the plate assembly 1, 7, 8 L application of this assembly against the span 22 is provided by a seal 23 of compressible insulating material which gathers the ring 20 fitted on the bottom of the housing 21 When the plate 1 vibrates, its periphery pivots around the crest of a knife. the bearing 22 which does not generate bending torque at the point of attachment This pivoting causes a tilting of the bearing face of the seal 23, but to avoid the creation of a resistant torque this seal is made of foam of polymer or elastomer This seal can be made conductive, in order to achieve cortact taking with the electrode 7 The electrode 7 acts as a ground electrode connected to the metal parts 20 and 21 of the housing and the electrode 8 is stopped at a distance from the span 22 Of course, there is nothing to prevent the parts 21 and 22 of the casing from insulating material and to perform the electrostatic shielding by crimping in a metal outer casing

comme illustré par exemple sur la figure 14. as illustrated for example in FIG.

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 The sensitivity enhancement which concerns the device of FIG. 7 essentially rests on the mode of attachment of the vibrating plate to the housing. Comparing the deformed part of FIG. 7 with that of FIG. 5, we see that they have a similar appearance. provided you neglect the crown

proche de l'encastrement qui présente une inversion de courbure. close to the recess which has an inversion of curvature.

Cette remarque conduit tout naturellement à définir quelle est la charge QF induite par piézoélectricité de flexion sur des électrodes recou- This remark quite naturally leads to defining the QF charge induced by bending piezoelectricity on electrodes coated

vrant complètement une plaque circulaire encastrée. completely screwing a recessed circular plate.

L'expression mathématique de cette charge est: JR QF -= Ir (f + f) ( 6 X r + 6 X O)rdr (f 3113 +f 3223)6 ô z Les contraintes Xr et X O peuvent s'exprimer en fonction du rapport r P = parlesexpression(aou(b) quisuivent: XX= k E The mathematical expression of this load is: JR QF - = Ir (f + f) (6 X r + 6 XO) rdr (f 3113 + f 3223) 6 z z The constraints Xr and XO can be expressed as a function of ratio r P = byexpression (aou (b) quisuivent: XX = k E

r l v 2 -r l v 2 -

(a) 4 t k E(a) 4 t k E

1 X 21 X 2

X EX E

r = 2 1-v Er = 2 1-v E

X O = EX O = E

1 v l( 1 v)-( 3 + V)p 2 l z l( 1 +v)-( 1 + 3 v)P 2 l ô 2 w z ( 2 6 r 1 ô w Z(r P r r r v ôw 1 v l (1 v) - (3 + V) p 2 l z l (1 + v) - (1 + 3 v) P 2 1 δ 2 w z (2 6 r 1 ô w Z (r P r r v ow

+ W)+ W)

r ôr 62 w 6 r 2) rr ôr 62 w 6 r 2) r

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

figure 6.figure 6.

Ces expressions permettent d'exprimer la charge induite QF: Avec les relations (b), on trouve: EF = 6 W 1v 1 r lf 313 + f 3223)o r (r d) =E i (f 3 3 + 3223 ' (r)dr QF = 1-V 3 ôr ô r qui peut s'écrire: (b) F I -V <f 3113 + f 3223) R 6 r r = R (C) Avec les relations (a), on trouve: 2 k RJ 2)d d QF 1 v (f 3113 + f 3223 > r R P ( 12 d P- (d) le changement de signe de l'intégrant ( 1 2 2) a lieu pour These expressions make it possible to express the induced load QF: With the relations (b), one finds: EF = 6 W 1v 1 r lf 313 + f 3223) or (rd) = E i (f 3 3 + 3223 '(r ) QF = 1-V 3 ôr ô r which can be written: (b) FI -V <f 3113 + f 3223) R 6 rr = R (C) With relations (a), we find: 2 k RJ 2) dd QF 1 v (f 3113 + f 3223> r RP (12 d P- (d) the change of sign of the integrator (1 2 2) takes place for

P \F 2 (e).P \ F 2 (e).

La relation (c) montre que la charge induite est nulle si la plaque est The relation (c) shows that the induced load is zero if the plate is

attachée par un encastrement plan, car < W = 0. attached by plane embedding, because <W = 0.

La relation (d) montre que si R' = R, la couronne comprise entre les rayons R et R' collecte une charge égale et de signe contraire à la The relation (d) shows that if R '= R, the ring between the rays R and R' collects an equal charge and a sign opposite to the

charge collectée par le cercle intérieur ayant le rayon R'. 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 From what has just been said, a significant sensitivity gain of the device of FIG. 5 can be obtained by subdivision of one of the electrodes

7 ou 8 selon une coupure circulaire de rayon R'. 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 complètement la face de la plaque 1 tournée vers l'extérieur La face intérieure de la plaque 1 porte deux électrodes concentriques 26 et 25. This variant embodiment is illustrated by the partial isometric view of FIG. 8. The case bottom 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 the The inner face of the plate 1 carries two concentric electrodes 26 and 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 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 The central electrode is a disc 25 whose radius is close to the value R 'defined above. The peripheral electrode 26 is a ring of inner radius close to R'. The circular cutoff which separates the two electrodes and 26 is radius R ', that is to say 70% of the center with respect to the non-recessed area of the plate 1. If the electrode 27 is taken as the reference electrode, the microphonic voltages delivered by the electrodes 25 and 26 are contrary signs and greater than the voltage that would be delivered by the electrodes 25 and 26 joined to one another can be considered several modes of operation, the voltages provided by the electrodes The simplest solution is to provide on the inner face of the plate 1 only one of the electrodes 25 and 26 In this case an adapter circuit

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d'impédance à entrée unique est approprié. single-input impedance is appropriate.

La sensibilité microphonique S = o v est la tension à vide délivrée p et p la pression acoustique peut se déduire de l'expression q' v= c o c est la capacité interélectrode donnée par c =h et q'F la charge collectée calculée en intégrant l'expression (d) de la charge QF entre les The microphonic sensitivity S = ov is the empty voltage delivered p and the acoustic pressure can be deduced from the expression q 'v = coc is the interelectrode capacitance given by c = h and q'F the collected charge calculated by integrating the expression (d) of the QF charge between

limites d'intégration O et R'IR.integration limits O and R'IR.

On obtient: S = 8 e % 13113 3223 h A titre d'exemple non limitatif, on peut évaluer cette sensibilité en We obtain: S = 8 e% 13113 3223 h By way of non-limiting example, this sensitivity can be evaluated by

tension dans le cas d'une plaque de polyfluorure de vinylidène polarisé. voltage in the case of a polarized polyvinylidene fluoride plate.

Les valeurs R et h sont fixées pour obtenir une première fréquence de The values R and h are set to obtain a first frequency of

résonance de 3 k Hz soit: R = 7,5 mm et h = 240 lim On trouve une sensi- resonance of 3 k Hz, ie: R = 7.5 mm and h = 240 lim.

bilité S = 1 m V/Pa.capacity S = 1 m V / 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 Since the inerelectrode capacitance 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 beyond the zone opposite the electrodes 25 and 26 which

sert à recueillir la charge induite. 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 T 1 et T 2 Les sources des transistors T 1 et T 2 sont reliées au pôle négatif 30 d'une alimentation symétrique ayant pour pôle commun le pôle 29 Le drain du transistor T 1 est relié directement au pôle positif 28 de l'alimentation tandis que le drain du transistor T 2 y est relié via une résistance de charge R 1 aux bornes de laquelle apparait la tension amplifiée Les électrodes 25 et 26 sont respectivement reliées aux grilles des transistors T 2 et T 1 Grâce au montage différentiel, on peut sans 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 must be effectively shielded against external electrostatic influences because it is floating. The electrical assembly of FIG. 9 illustrates this connection mode in connection with a differential amplifier comprising two unipolar isolated gate transistors T 1 and T 2. The sources of transistors T 1 and T 2 are connected to the negative pole 30 of a symmetrical power supply. having as its common pole the pole 29 The drain of the transistor T 1 is directly connected to the positive pole 28 of the supply while the drain of the transistor T 2 is connected thereto via a load resistor R 1 across 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, it is possible without

inconvénient relier l'électrode 27 au pôle commun 29 par la connexion 31. disadvantage connecting the electrode 27 to the common pole 29 by the connection 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 Of course other amplifier circuits and / or impedance adapters can be envisaged, for example those using bipolar transistors. The limitation of the response on the low frequency side is obtained by a high value resistor placed in parallel with the active capacitors 25, 27 or 26, 27 This resistance can be integrated in the plate 1 or better achieved by making conductive the dielectric constituting

la plaque 1.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 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 load induced by a given stress depends on the magnitude and sign of the excess load. or the dipolar polarization created permanently in the dielectric forming the vibrating plate We can play on this factor to increase the sensitivity microphonic

d'une plaque à encastrement plan telle que celle représentée sur la figure 5. of a flat plate such as that shown in Figure 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 boîtier 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 c le n'est pas le double de ce que fournit la capsule de la figure 9 entre élec ode 27 et l'une des électrodes 25 ou 26 Toutes autres choses égales FIG. 10 is a meridian section of a microphonic capsule using an inhomogeneously polarized plate 1. This plate 1 is coated on its two electrode faces 7 and 8 from the center to the planar embedding of the casing 34. Dipolar polarization P created in the crown of radius greater than R 'is equal and opposite to the polarization P' created in the central disc of radius less than or equal to R 'When integrating the various contributions of the bending piezoelectricity with the limits integration (O, R ') and (R', R), we see that the charges accumulate instead of being neutralized The voltage delivered v is greater than that which would provide the microphone capsule if only one of the two polarizations existed a solution which is also included in the context of the present invention, but it is not twice that provided by the capsule of FIG. 9 between elecode 27 and one of the electrodes 25 or 26. the

par ailleurs, la capsule de la figure 10 offre une impédance électrique quatre - moreover, the capsule of FIG. 10 provides an electrical impedance four -

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 courtcircuit et non pas par la times less than that of Figure 8 which can be useful if the excitation of the amplifier circuit is by the shortcircuit current and not by the

tension à vide développée Il est utile de noter que le courant de court- Vacuum voltage developed It is useful to note that the short-circuit current

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 constant induced load circuit is a function proportional to the acoustic frequency and that if a low input impedance current amplifier with a high output impedance is used, provision must be made for

charge capacitive en sortie pour redresser la courbe de réponse. capacitive load output 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 S 2 R est optimale Si l'on s'écarte quelque peu de cette valeur un gain de In the applications described which use a radius R 'to separate the electrode zones or the polarized zones, we can consider that the value S 2 R is optimal If we deviate somewhat from this value a gain of

sensibilité subsiste.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 In general, when the polarization of the dielectric exists only in one part of the plate, it is advantageous to use electrodes which do not

dépassent pas l'étendue polarisée La polarisation localisée peut être ob- polarized range. The localized polarization can be ob-

tenue facilement par les procédés classiques de polarisation entre électrodes easily maintained by conventional methods of polarization between electrodes

ou par effet Corona avec anneau de garde. or by Corona effect with guard ring.

La réalisation d'une inhomogénéité radiale n'est qu'un aspect de ce que The realization of a radial inhomogeneity is only one aspect of what

l'on peut faire pour obtenir une meilleure sensibilité microphonique. we can do to get a better microphone sensitivity.

La figure Il 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 FIG. 11 is a partial sectional view of a laminated vibratory plate comprising a piezoelectric inert layer to which a piezoelectrically active layer 34 adheres but having identical elastic properties. The diagram of the bending stresses retains the triangular shape with a peak on the median fiber 36, but only the voltages existing in the layer 34 contribute to developing an induced charge on the surface. Intrinsic piezoelectricity can therefore provide

une contribution non-nulle à laquelle s'ajoute la contribution de la piézo- a non-zero contribution to which is added the contribution of the piezo-

électricité de flexion.bending electricity.

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 Fig. 12 is a partial sectional view of a laminated vibratory plate comprising a piezoelectric inert layer 38 adhered to a piezoelectrically active layer 34 having a higher compliance. Deflection of the layer 38 results in fairly uniform stretching. the layer 34 which is represented by the diagram of

contrainte 39.constraint 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 Il peut être constituée par exemple par deux couches de PVF 2 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 In order to produce the laminated plates of FIGS. 11 and 12 which may moreover comprise more than two superimposed layers, it is possible to implement the assembly by gluing. The plate of FIG. 11 can be constituted for example by two layers of PVF 2. only one being electrically polarized The laminated plate of FIG. 12 may consist for example of a layer 34 of polarized PVF 2 bonded or grafted to a metal plate 38 of greater rigidity. In this case, the

lame métallique fait office d'électrode. metal blade acts as an electrode.

Au lieu d'utiliser une plaque vibrante partiellement polarisée en épaisseur comme illustré sur les figures Il 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 a ayant une valeur faible audessus d'une fibre 41 et beaucoup plus forte en dessous de cette fibre, on peut réaliser un 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 of FIG. 13 by creating, along the axis z, a profile 42 of conductivity a having a low value above a fiber 41 and much stronger below this fiber, it is possible to realize a

écrantage du champ électrique dans la région sous-jacente de la fibre 41. screening of the electric field in the underlying region of the fiber 41.

Ainsi bien que piézoélectriquement 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 ke V 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. Sur la figure 14, on peut voir une coupe méridienne d'une capsule Thus, although piezoelectrically active in thickness, this plate is partly passivated by the conductivity reinforcement. Such a plate can be obtained by doping the material with a depth of penetration limited to a fraction of the total thickness for this purpose. can use an electron bombardment technology allowing an energy of a few tens of keV to penetrate to a depth of a few tens of microns in a polymer material can also be obtained a conductivity profile by diffusion of alkaline ions carried by a solvent. In Figure 14, we can see a meridian section of a capsule

microphonique pour application téléphonique. microphone for telephone application.

La plaque vibrante plane 1 est serrée dans un encastrement péri- The plane vibrating plate 1 is clamped in a recess

phérique constitué par les bords plans d'un couvercle métallique 44 et d'un fond de boitier 45 également métallique La face de la plaque l 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 phérique formed by the flat edges of a metal cover 44 and a housing bottom 45 also metal The face of the plate 1 facing the cover 44 is completely covered with an electrode 7 grounded the housing which is produced at the end of the assembly by crimping a metal casing 43 The bottom of the cover 44 is pierced with orifices 48 forming a sound-permeable grating; the inside of the cover is lined with a textile coating 47 also permeable to sound The cover 44 and the plate 1 delimit a first acoustic cavity 46 A second acoustic cavity is formed by an upper recess of the bottom of the housing 45 which has an inner wall pierced with an orifice 50 A lower recess of the bottom of the housing 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 The lower face of the plate 1 carries an annular electrode 8 electrically connected to an amplifier circuit 51 carried by the center of the plate 1. The power 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 adapter circuit of i mpédance 51 A leakage resistor 52 is formed between the electrode 7 and the electrode 8 by plugging with a conductive paste, a hole made through the plate 1 This resistor serves to limit the electroacoustic response to the low frequencies. damping means 47 and 49 help cushion the

fréquence de résonance de la plaque 1. 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 It goes without saying that the various means by which the sensitivity of a plane vibrating plate can be improved can be combined with one another.

description de la figure 14 montre que l'utilisation d'une plaque plane est description in Figure 14 shows that the use of a flat plate is

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 relatively easy to implement and achieves a high degree of integration of electronic components while maintaining simple shapes for mounting parts The stability over time of electroacoustic characteristics is remarkable and the compactness of the

capsule microphonique n'altère en aucune façon ses performances électro- microphone capsule does not alter its electronic performance in any way

acoustiques 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 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 pressure gradient microphones which are particularly effective in

ambiances bruyantes pour privilégier les sources sonores rapprochées. noisy atmospheres to favor close sound sources.

Lorsqu'on plonge dans l'eau un microphone tel que décrit précédem- When immersing in water a microphone as described above

ment, 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 We can see that it is a good hydrophone. The resonant frequency is lowered due to the water load. It should also be noted that

les plaques peuvent être réalisées non seulement en polyfluorure de viny- the plates can be made not only of polyvinyl fluoride

lidène, mais aussi dans l'un de ses copolymères. lidene, but also in one of its copolymers.

Claims

1 Electroacoustic transducer with solid dielectric capacitor

polarized device comprising at least two collecting electrodes (7,8), a structure

vibrating head (1) made of said dielectric and subjected to the incident sound 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-shaped structure (1) sufficiently thick for the middle sheet (16) does not undergo any significant deformation during the flexcion of said plate

1 (1).

2 transducer according to claim 1, characterized in that the fastening means (22,23) connecting the edge of said plate (1) to said supports (20,21) ensures its freedom of pivoting when it incurve alternatively

under the effect of said incident sound pressure (p).

3 transducer according to claim 2, characterized in that the support of said plate comprises a pointed projection (22) at the top of which the

edge of said plate can rotate 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

arranged in said support (20,21).

Transducer according to claim 1, characterized in that said plate (1) has an electric polarization (P, P ') inhomogeneous in its extent. 6 transducer according to claim 5, characterized in that a central region of said plate (1) has an electric polarization (P ') whose sign is inverted with respect to the electric polarization (P) existing in a region extending between the edge of said plate (1) and said central region. 7 transducer according to claim 1, characterized in that the electric polarization of said plate (1) is inhomogeneous according to 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 moon to another; One of said layers (34)

being made of a polarized dielectric.

9 transducer according to claim 8, characterized in that the other

said layers (38) are metallic.

Transducer according to claim 8, characterized in that the other

said layers (35) are made of the same unpolarized dielectric.

11 Transducer according to claim 1, characterized in that the

Electrical conductivity (T) of said plate (40) is inhomogeneous.

Transducer according to one of Claims 1 to 11,

characterized in that said electrodes (7,8) respectively cover the

faces of said plate (1).

Transducer according to any one of claims 1 to 11,

characterized in that at least one of said electrodes (25,26) overlies

partially one of the faces of said plate (1).

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 plate (1) being covered by a counter

electrode (27).

Transducer according to claim 13, characterized in that said plate is a recessed circular plate (1) and in that said electrode (25,26) covers a part of said face bounded by a circle of radius (R ') close to 0 , 7 times the radius (R) of the unframed part of said

plate (1).

Transducer according to claim 14, characterized in that said electrodes (25,26) are connected to the differential inputs of a

electronic amplifier circuit (T 1; T 2).

Transducers according to claim 1, characterized in that said plate (1) carries an amplifying electronic circuit (51) connected to said

electrodes (7,8).

Transducer according to claim 1, characterized in that a

only one face of said plate (1) is accessible to the acoustic pressure (p).

Transducer according to Claim 1, characterized in that the

two faces of said plate (1) are accessible to the acoustic pressure (p).

Transducer according to any one of the preceding claims

dentes characterized in that the polarization of said plate (1) is dipolar.

Transducer according to one of Claims 1 to 19,

characterized in that the polarization of said plate (1) is constituted by

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.

Transducer according to any one of the preceding claims

dente, characterized in that the response is limited to the bass

frequencies by a resistor (52) connecting said electrodes (7,8).

Transducer according to Claim 23, characterized in that

said resistor (52) is integrated with said plate (1).