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pour! DISPOSITIF POUR LA TRANSFORMATION DE L'ENERGIE ACOUSTIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE, ET INVERSEMENT.
La. présente invention, tout! en ayant un champ d'applications plus large, concerne,, en particulier des dispositifs destinés à transformer lénergie acoustique en énergie électrique et inversement. Dans une application parti- culière, la présente invention concerne une membrane,.
II a été reconnu, depuis longtemps, pour'des raisons théoriques, qui n'ont pas besoin d'être rappelées lei, que le dispositif idéal pour émettre un faisceau concentré d'énergie acoustique dans un milieu liquide ou gazeux, ou pour recevoir dtune manière sélective, un faisceau d'énergie acoustique dirigé et pour convertir cette énergie en énergie
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électrique, et constitué par une membrane dont les dimensions sont grandespar rapportà la longueur d'onde de l'énergie acoustique dans le milieu considéré, et dans laquelle tous les points de la surface émettrice vibrent En phase et avec des amplitudes égales comme un piston.
la membrane métallique ordinaire, généralement employée à l'heure actuelle, ne satisfait pas complètement à cette condition idéale. Elle ne peut pas se déplacer comme un piston car elle'se trouve fixée le long de sa périphérie,. Une telle membrane peut introduire une dispersion de l'énergie -rayonnée par production d'hermoniques es qui aura pour effet que les différentes parties de la membrane ne seront pas en phase de sorte que l'énergie transmise ne se trouve pas convenablement dirigée,. Il est bien connu qu'un tel diaphragme, pour constitter un moyen de transmission efficace, doit être accordé sur la fréquence de l'énergie acoustique émise ou reçue.
A des fréquences très élevées utilisées dans les disposidfs à fréquence ultra-audible, par exemple 30 ldilocycles, un disque vibrant; en résonance à la manière d'une membrane téléphonique habituelle devient totalement inutilisable.' Pour de telles fréquences, un disque ou une plaque en résonance est contitué plutôt comme un cylindre court.
Dans une membrane habituelle fixée le long de sa périphérie et vibrant suivant sa fréquence fondamentale, toutes les parties se déplacent à tout instant dansla même direction, c'est-à-dire qu'elles sont en phase. Dans la membrane décrite dans la présente invention, le plan médian parallèle et équidistant des deux ;faces de la membrane
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se déplace d'une mâniére non appréciable suivant son axe, c'est à dire qu'il constitue un noeud; au contraire, les deux faces de la membrane se déplacent suivant l'axe dans les directions opposés à tout instant, c'est à dire qu'elles vibrent: en opposition de phase,.
Cette forme de vibration, pour une fréquence particulière, est obtenue eh donnant à l'épaisseur de la membrane, c'est à dire à la longueur mesurée suivant l'axe une valeur sensiblement égale à une demi-longueur d'onde du son dans la substance dont est constituée la membrane. On appellera plus loin "vibration de dilatation" le mode .de fonctionnement de cette membrane.
Tout élément longitudinal de la membrane se trouve, dans ce cas, comprimé et dilaté suivant l'axe de la membrane et parallèlement à celui-ci.La partie centrale de la membrane qui constitue un noeud et qui ne subip aucun déplacement longitudinal, subit néanmoins,pendant ce temps. des compressions et des dilatations perpendiculaires à l'axe dans le plan nodal CI 0'est pour permettre à de déplacement transversal, dans le plan nodal, que la membrane se trouve subdivisée comme indiqué ci-dessous.
L'objet de la présente intention est un convertisseur d'énergie très sensible du. type décrit ci-dessus.$ susceptible de transformer l'énergie acoustique en énergie électrique ou inversement avec un rendement supérieur à celui qu'il a été possible de réaliser jusqu'à présent.
Un autre objet de la présente invention est un nouveau piston acoustique perfectionné. Dans la description qui suit ce piston perfectionné sera appelé membrane par'analogie avec les dispositifs existants.
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Un autre objet de l'invention est une membrane divisée dont les différentes part: les, ou secteurs.sont convenablement dimensionnées et mues individuellement en phase les unes avec les autres de maniérée, ce que la membrane vibre comme un seul bloc.
Un autre objet de l'invention est une membrane divisée en secteurs subissant des dilatations et des compressions trans- versales de marne qu'elles' subissent des compressions et des dila- tations longitudinales suivant leur axe.
Un autre objet de l'invention est une nouvelle membrane métallique soumise à des vibrations de dilatation.
Un autre objet de l'invention est une nouvelle membrane excitée par des organes moteurs actionnés par des forces internes, telles que les forces mises en jeu par exemple par magnéte-strietion ou piezo-électricité.
Un autre objet de l'invention est une membrane particu- lièrement ,adaptée pour les fréguences ultra-ausdibles.
Enfin, d'autres objets de l'invention seront exposés ci-dessous et en particulier précisés dans le résume,
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté aus dessins annexés plusieurs fermes de réalisation du dispositif faisant l'objet de l'invention. vue 1,
La fige 1 est uns /en plan de la forme de réalisation préférée de la membrane-piston.
La fig. 2 est une section suivant la ligne 2-2 de la fig. 1 vue dans'le sens des flèches. , ,
La fige , est une vue en perspective à plus grande échelle dans laquelle l'un des éléments moteurs à magnéto-striction et une des bobines d'excitation sont vus en section, : II
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.La fig. 4 est une vue en perspective d'une autre forme de réalisation.'
La Fig. 5, est une vue schématique des circuits et des appareils employés dans le cas où la membrane est commandée par cristaux pizeo-électriques.
L'invention telle que décrite ci-dessous et représentée aux dessins annexés s'applique à un transmetteur ou à un récepteur à fréquence ultra-audible; il est toutefois évident que l'invention n'est pas limitée à ce cas particulier et peut être appliquée à d'autres types de transmetteurs et de récepteurs Le dispositif, lorsqu'il est utilisé sous l'eau, peut être monté - dans un carter tournant immergé ou bien il peut être fixé sur n'importe quel support 1, par exemple sur la paroi d'une coque de navire à l'aide de boulons 3 passant à travers des ouvertures ( ménagées dans une partie extérieure 2, relativement immobile, servant d'anneau d'inertie.
La partie intérieure vibrante 4 de la membrane, en forme de'disque de cylindre est reliée à la parbie postérieure annulaire 2 par un joint annulaire 6 relativement mince disposé entre ces deux parties, Une liaison métallique uniforme est obtenue de cette façon entre l'anneau extérieur. 2 et la membrane 4,. Lé joint 6 est suffisam- ment mince pour être quelque peu flexible de manière à permettre à la face émettrice '1 de la membrane 4 de vibrer sensiblement comme un piston avivant une direction normale à cette face, toutes les flexions ayant lieu sensiblement dans le joint 6 Bar suite de la grande masse de l'anneau d'inertie 2 les vibrations de la membrane ne sont pas transmises à ce dernier.
Tous les points des faces supérieure et inférieure des éléments cylindriques soumis à des vibrations de dilatation
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et formant la membrane, doivent vibrer en phase sue chacune des faces; ces éléments cylindriques individuels doivent svoir un diamètre aussi grand et une longueur aussi petite que possible,.
Toutefois, le rapport et la section transversale à la longueur axiale se trouve limité à une valeur faible parce que le cylindre a une tendance à vibrer, non seulement sur sa fréquence fondamentale mais également suivant plusieurs harmoniques; ce qui a pour effet l'apparition de lignes noda- les sur sa face inférieure émettrice ?, Ce phénomène se trouve aggravé par le fait que si le diamètre-de la membrane est grand par rapport à sa longueur axiale, les v ibrati ons trans- versales nécessaires se produisant dans le plan médian de la membrane se trouvent diminuées. Par suite, certaines parties de cette face émettrice ont une tendance à vibrer en opposition de phase les unes avec les autres.
Dans ces conditiobs,les vibrations émises par la face transmèttrice 7 s'annuleront les unes des autres à une certaine distance dans le milieu où ces vibrations sont transmises, de sorte que la membrane ne pourra émettre d'une manière efficace un faisceau dirigé d'énergie acoustique. Ces considérations sont particulière- ment importantes pour les fréquences élevées.
La partie 4 de la membrane représentée dans les fig,, 1, 2,3 et 4 se trouve par suite divisée en secteurs,, Conformé.-- ment à là forme. de réalisation représentée dans ces dessins, ces secteurs sont de deux espèces; d'une part, un noyau central 8 en forme de disque de cylindre et, d'acre part, sept éléments extérieurs 10 ayant chacun la forme d'un secteur d'une couronne divisée.
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Toutefois, il est bien entendu que cette disposition circulaire n'est indiquée qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres dispositions peuvent être également employées.
C'est ainsi qu'un assemblage rectangulaire d'éléments à section carrée peut être utilisé théoriquement; toutefois, des disposi tifs de fixation destinés à maintenir une membrane rectangulaire ne sont pas uniformes tout le long de leur périphérie ce qui a pour résultat un manque de sécurité de fonctionnement On peut également employer des formes hexagonales ou autres.
Les éléments en forme de secteurs 10 sont rigidement reliés entre eux par des nervures relativement minces 12 disposées radialement au voisinage des faces supérieure ou inférieure de ces éléments, et sont reliées à l'élément central 8 par une nervure mince 13 analogue au précédent mais de forme circulaire. Ces éléments se trouvent de cette manière couplés mécaniquement de sorta qu'il est pesaible de les commender individuellement , chacune des faces opposées 7 et 9 de la membrane 4 vibrera comme un piston, les faces 7'et 9'ayant des phases'opposées.
Les membranes ainsi constituées pourront être réalisées conve. nablement par moulage.
La membrane 4.se trouve de cette manière divisée en huit éléments résonants et les espaces compris entre les nervures 12 et13 permettent aux:plans médians nodaux de ces éléments individus de vibrer transversalement indépendamment les uns des sans autres/que ces élément réagissent d'une manière défavorable les uns surles sutres et sans introduire, par suite, de vibrations de. phases différentes dans les différentes parties de la face émettrice 7. Ces espaces compris entre les nervures I2 et ceux compris entre les nervures 13 ne doivent pas être larges ;
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la valeur minima de la largeur transversale de ces espaces est déterminée surtout par des considérations de facilité de moulage.
Afin de rendre plus facile la fabrication, on peut supprimer'comme indiqué en figures 2 et 3 certaines de ces nervures 12 et 13 disposées près de la face supérieure ou inférieure de"la membrane. De même, le joint 6 reliant les parties mobile et immobile'du dispositif peut , ;
. être disposé de manière différente par exemple près de'la face motrice de la membrane, au lieu d'être disposé près de la face émettrice ou réceptrice comme indiqué sur le dessin. la membrane étant soumise comme indiqué ci*-' dessous à des'vibrations dites de dilatation, il existe un noeud de déplacement longitudinal à mi-distance entre les faces 7 et 9, et des ventres de déplacement longitudinal sur ces faces 0 - Il y a lieu de remarquer que les éléments de la. membrane sont'supportés par le joint annulaire 6 au voisinage de ces ventres de déplacement.
Conformément à la forme de réalisation préférée de la. présente invention, la commande des éléments individuels 8 et 10 est réalisée par magnéto-striation, Dans ce but, chacun des éléments 8, et 10 de la membrane se trouve muni d'un noyau magnéte-strictif 14-de manière à produire la commande indivi- duelle de ces éléments 8 et 10. Le noyau 14 peut, bien entendu, être remplacé par des cristanx piezo-électriques 24 comme indiqué en figure 5; ou bien ces éléments peuvent?'être encore commandés de toute''autre manière voulueLorsqu'ils sont actions nés par magnéto-striction ou piezo-électricité, les éléments 8 et 10 sont commandés au moyen de forces internes réversibles afin d'obtenir des fréquences élevées.
Les noyaux 14 peuvent
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'âtre réalisés en toute matière magnéto-strictive que l'on voudra. Un tube de dickel mince en résonance avec les éléments
8 et 10 auxquels il est fixé fonctionne très bien en pratique.
Une tête plate 16, filetée intérieurement, peut être fixée rigidement à l'extrémité inférieure du noyau 14, cette tête servant à visser son noyau sur un boulon 18 rigidement fixé aux éléments 8 et 10 de la membrane. Les noyaux 14 peuvent être entralnés individuellement et simultanément en'vibration au moyen de bobines d'excitation dont l'une se trouve repré- sentée en 20, ces bobines étant alimentées par toute source d'énergie convenable. Ces bobines peuvent également appliquer aunoyau une polarisation magnétique constante.
Les vibrations du noyau 14 sont de telle nature qu'il exécute des mouvements de compression et de dilatation longitudinales, les extrémi- tés libre et fixée à la membrane étant en mouvement tandis qu'un ou plusieurs noeuds se trouvent convenablement répartis le long du noyau.
Les vibrations de l'extrémité intérieure du noyau 14 sont transmises à l'élément 8 ou 10 auquel il est fixés et cet élément subit à son tour des vibrations de dilatation, l'amplitude de la vibration dépendant, d'une part, de la différence entre la fréquence propre de l'élément et des fréquences de commande et de résonance du noyau 14, et d'autre part de la valeur des pertes dues au frottement: interne). Théoriquement, le noyau 14 et l'élément auquel il est fixé doivent avoir sensiblement la même fréquence propre, II n'est pas nécessaire de prévoir d'autres masses que celle du tube lui-même pour transmettre la vibration du tube au diaphragme.
Le but de l'écrou plat 16 est de fournir des moyens d'assemblage convenables des noyaux 14 avec la face 9
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de manière à réaliser un couplage serré entre le noyau 14 et cette face 9. Toutefois, cet éorou plat a une influence sur la fréquence de résonance du dispositif de commande ainsi qu'on va le montrer ci-dessous.
On peut montrer, par le calcula et vérifier par Inexpérience que les longueurs optima des tubes 14 sont données par des séries de valeur résultant de l'équetion L= #/# (#/2# + K/4#) dans laquelle v est la vitesse de propagation longidutinale du son dans le métal constituant le tube, f la fréquence de commande, k un nombre entier impair quelconques tandis que qui est indépendant de L est déterminé par la masse de la tête filetée d'après l'équation # = ave tg V/2## #/M m0 étant la masse par l'unité de longueur du tube et L étant la masse totale de l'écrou.
L'équation donnant la. valeur de L montre que les valeurs'optima successives sont obtenues en commençant par la valeur la plus petite
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L - 1\ (!l- ..L) poUr k = 1 et en augmentant la longue ainsi obtenue par des additions successives de i/2 #, # représentant la longueur d'onde.
Lorsque'les éléments 8 et 10, les noyaux 14 et les bobines 20 sont convenablement'dimensionnées,'et lorsque les courants dans les bobines 20 sont en phase, les éléments 8 et 10 sont mûs à l'unisson de sorte que la face émettrice 7-de la membrane 4 vibrera comme un seul bloc à;la fréquence de résonance par exemple 30 kilocycles, son mouvement se rapprochant de très près de celui d'un
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véritable piston.Les nervures 12 et 13 sont courtes de sorte qu'elles ne peuvent avoir de fréquence''de vibration inférieure à 30 kilocycles, De cette manière, ces nervures n'introduiront aucun harmonique perturbateur dans le mouvement de la face 7 de la membrane.
La membrane 4 par suite présente ,vers le ' milieu, tel que l'eau une face'? sensiblement plane dont toutes les parties se trouvent en concordance de phase . la forme des différentes parties du disposififs peut varier suivant le but envisagé, Ainsi que le montre la figure 4 une couronne supplémentaire 15 de secteur peut être interposée entre les secteurs 10 et l'anneau 2, les deux couronnes de secteurs étant séparées par un joint 17 semblable au joint 6. Malgré cette modification, la membrane' constitue néanmoins une pièce compressible fonctionnant de la manière décrite ci-dessus.
Il est préférable de constituer la membrane avec un métal ayant une faible viscosité mécanique,, L'aluminium a une faible viscolité, ces pertes élastiques et son décrément sont faibles ,et se prête à la réalisation dune membrane très satisfaisante.
Le fonctionnement de la-membrane peut être amélioré an utilisant un aliage d'aluminium avec 5% de silicium.Le tout en ne modifiant; pas sensiblement les qualités du métal au point de vue vibrations, abaisse la température de fusion et facilite, par suite, les opérations de fonderie,
Il est désirable de présenter au milieu dans lequel les vibrations sont transmises une surface vibrante aussi grande que possible avec la forme la moins compliquée. Les éléments individuels ou secteurs 10 et 8 doivent avoir par conséquent une surface émettrice 7'aussi grande que possibles
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le métal constituant la membrane doit donc être tel que la vitesse de propagation du son à travers ce ,métal soit grande.
La vitesse de propagation du. son dans l'aluminium est grande , et ce métal possède, comme indiqué ci-dessus, une faible viscosité mécanique.
Il est possible d'évaluer les dimensions les plus convenables des éléments formant la membrane. Pour des éléments cylindriques, tels que l'élément 8, la limite minima du rapport de la longues au rayon de la section transversale est en pratique de 3 à 1 pour toutes les fré- quences. Si ce rapport était très inférieur' à cette valeur, l'élément'-ne vibrerait pas d'une manière simple comme décrit ci-dessus, des séries de lignes nodales apparaissant sur la face émettrice par suite de la diminution de la Vibration transversale qui doit se produire nécessairement dans le plan médian.
Le même rapport s'applique, approximativement aux éléments rectangulaires et en forme de secteurs, à condition de remplacer le rayon par la moitié d'un coté de la section carrée ou par la moitié de la longueur de l'are moyen du secteur. La longues est déterminée par la fréquence désirée et par la vitesse de propagation du son dans la Entière dont est fait l'élément.
Pour des éléments en alumi- nium, on a trouvé que les dimensions suivantes posaient convenir à.- .le, fréquence de 30 kilocycles a = 2,5 cm, environ
L - 7,5 cm environ a étant de rayon'de l'élément 8 ou la moitié de la longueur de l'arc moyen de la section transversale des éléments la,et L étant la hauteur de ces éléments,, Le rapport de la longueur à la largeur n'est pas sensiblement inférieur de cette façon à 3/2.
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Les fréquences e résonance de deux cylindres courts de longueur égale et de sections d'aires égales mais dont une est circulaire et l'autre carrée sont presque mais pas tout à fait égales. Si le nombre des secteurs 10 a été choisi convenablement, leur section ne sera pas très différente de la section du noyai central q, ,, Bn disposant; convenablement les choses, les sections des blocs'8 et 10 peuvent tre rendues exactement égales*, le rapport entre la largeur de l'arc moyen et l'épaisseur dans le étant sens du rayon/égal à l'unité pour chacun des secteurs.
Le degré d'approbation avec lequel ce rapport est égal à l'unité dépend du nombre de blocs disposés sur la couronne, il devient d'autant meilleur que le rayon moyen de la couronne devient plus grande Dans le projet du diaphragme$ on calcule le nombre des blocs dans la couronne donnée.
L'écart de la valeur du rapport ci-dessus entre la largeur et l'épaisseur, à partir de l'unité, rendu nécessaire pour égaliser l'aire des sections, n'introduit qu'une erreur négligeable dans le calcul de la fréquence,
L'on trouve cependant que par suite de la différence de forme entre le bloc 8 et les blocs 10 et de l'effet de charge dû aux nervures 6, 12 et 13, que la hauteur du bloc 8 peut, dans certaines conditions, être légèrement différente de celle des blocs 10, sinon la fréquence du bloc central 8 serait légèrement différente de celle des autres blocs 10. Les dimen. sions exactes ne peuvent pas être calculées aisément;mais on peut les vérifier expérimentalement.
Dans la figure , le bloc central 8 est représenté légèrement plus court que les blocs annulaires 10 et les faces supérieures des nervures 12 et 13 sont disposées sur le même plan que la face supérieure dù secteur central. Ces nervures ne doivent pas, bien entendu,
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tre placées plus bas à un point nodal de détente ou de contraction, mais elles peuvent être disposées à un autre endroit ,
La fréquence d'une tige vibrant longitudinalement peut être calculée même lorsque le rapport an rayon de la section à la longueur devient grand, en faisant une correction convenable pour l'inertie dans le sens du rayon.
Si la longueur n'est pas grande par rapport au diamètre de la tige, l'zxpres- sion de la fréquence de résonance d'une tige courte et grosse, de section elliptique ou rectangulaire est dtaprès Ohree (Quart. Math, Journal, Vol. 23, page 3I7, 1889)1
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'.?. Â F- 7/-4 p * YZ . tif D{7Ïft z où f est la fréquence en cycles par seconde, k un entier quelconque pair ou impair, L la longueur totale de la barre, E le module d'élasticité: d@ la densité, P le coefficient de poisson pris normalement comme égal à I/3, et K le rayon de gyration de la section autour de l'axe'perpendiculaire à son plan.
L'équation ci-dessus est applicable aussi au cas où K/L est petit. Dans ce cas elle se réduit à; # = K/2L # formule bien connue pour la fréquence des vibrations longitudina- les d'une barre mince.
La différence entre cette formule et celle plus exacte d de Chree pour le cas générale est un petit terme de correction - atteignant à peu près 3% pour les barres dont le rapport da
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rayon ou du demi-côté du rectangle de la section %A>, la longueur est à peu près de 1 à 3.
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Le rapport E/d qui est le carré de la vitesse de propagation peut être évalué par des expériences réalisées sur le corps utilisé et. le résultat peut être utilisé pour le calcul de nouveaux vibrateurs fabriqués avec le même corps.
En appliquant ces formules pour les fréquences des- blocs$ on trouve pour a = 2,5 cm. comme ci-dessus que la longueur'coresspôndante du bloc central 8 en aluminium, déterminée pour une fréquence de 30 kilocycles est de
L = 8 cm.
Ceci donne une valeur suffisamment approchée du rapport 3 à 1 mentipnné ci-dessus.Dans la pratique on peut cependant obtenir de bons résultats-avec des rapports atteignant et même dépassant 20 à 1. L'épaisseur du diaphragme est égale à une demi-longuétur d'onde de la vibration dans le corps constituant ce diaphragme ou à un multipe entier de la demi-longueur d'onde,
Ces dimensions conviennent pour une fréquence de 30 kilocycles.Pour augmenter ' aire de la surface 7 énettant le son de cette fréquence, il est préférable d'ajoutèr des couronnes supplémentaires 22 de secteurs entre la couronne de secteurs 10 et la couronne fixe 2, comme le montre la fig. 4.
Suivant la modification représentée dans la figure 5, chacun des blocs est actionné par un cristal pieso-électrique 24 fixé d'une manière rigide par une de ses faces au moyen d'un ciment convenable à la face supérieure 9 du bloc. Les électrodes du cristal peuvent être constituées Par-une couche de feuille d'étain 26 recouvrant deux faces opposées du cristal, mais tout autre type d'électrodes convenables peut être employée
Les couches de feuille d'étain ou les électrodes
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d'autre type peuvent etre reliées au moyen de conducteurs 28 en dérivation à une bobine 30 couplée à une bobine 32 'dans le circuit de sortie d'un'oscillateur àtube à vidé 34 ou à toute autre source de courant alternatif.
La fréquence de cet oscillateitr peut être réglée au moyen d'un condensateur d'accord 36. Un autre condensateur 38 en parallèle sur les
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vibrateurs-a'cristaux 24 peut 0tre "employé pour régler la tension sur les dits'cristaux.
Il va de soi que l'invention n'est pas, limitée aux formes de'réalisation représentées ici, mais qu'elle est susceptible de subir des modifications et des changements dépendant de l'habilité de l'homme du métier, toutes ces modifications et changements tombant cependant dans l'esprit et dans le but de l'invention telle qu'elle est définie dans les revendications jointes,
REVENDICATIONS
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"Ayant ainsi décrit mon'inVènt1on et me réservant d'y ap porter tous perfectionnements ou modifications qui me paraitraient nécessaires, je revendique comme ma propriété exclusive et privative:
1.
Diaphragme pour la transformation d'énergie électrique en énergie acoustique ou ultra-sonore, ou vice...versa, vibrant de manière à présenter un noeud et un ventre et caractérisé par le fait quilà est supporté à proximité dudit ventre.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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for! DEVICE FOR THE TRANSFORMATION OF ACOUSTIC ENERGY INTO ELECTRIC ENERGY, AND THE CONVERSION.
The present invention, everything! by having a wider field of applications, concerns ,, in particular devices intended to transform acoustic energy into electrical energy and vice versa. In a particular application, the present invention relates to a membrane.
It has long been recognized, for theoretical reasons, which need not be recalled, that the ideal device for emitting a concentrated beam of acoustic energy in a liquid or gaseous medium, or for receiving a selectively, a beam of directed acoustic energy and to convert this energy into energy
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electric, and constituted by a membrane whose dimensions are large compared to the wavelength of the acoustic energy in the considered medium, and in which all the points of the emitting surface vibrate in phase and with equal amplitudes like a piston.
the ordinary metallic membrane, generally employed today, does not completely satisfy this ideal condition. It cannot move like a piston because it is fixed along its periphery. Such a membrane can introduce a dispersion of the radiated energy by production of hermetic gases which will have the effect that the different parts of the membrane will not be in phase so that the transmitted energy is not properly directed. It is well known that such a diaphragm, to constitute an efficient transmission means, must be tuned to the frequency of the acoustic energy emitted or received.
At very high frequencies used in ultra-audible frequency devices, for example 30 ldilocycles, a vibrating disc; resonating in the manner of a usual telephone membrane becomes totally unusable. ' For such frequencies, a resonant disk or plate is rather like a short cylinder.
In a usual membrane fixed along its periphery and vibrating according to its fundamental frequency, all the parts are moving at all times in the same direction, that is to say they are in phase. In the membrane described in the present invention, the median plane parallel and equidistant from the two faces of the membrane
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moves by an appreciable mast along its axis, that is to say that it constitutes a node; on the contrary, the two faces of the membrane are moving along the axis in opposite directions at all times, ie they vibrate: in phase opposition ,.
This form of vibration, for a particular frequency, is obtained by giving the thickness of the membrane, i.e. the length measured along the axis, a value substantially equal to half the wavelength of the sound in the substance of which the membrane is made. The operating mode of this membrane will be called "expansion vibration" later.
Any longitudinal element of the membrane is, in this case, compressed and dilated along the axis of the membrane and parallel to it. The central part of the membrane which constitutes a node and which does not undergo any longitudinal displacement, nevertheless undergoes ,Meanwhile. compressions and expansions perpendicular to the axis in the nodal plane CI 0 ′ to allow transverse displacement, in the nodal plane, that the membrane is subdivided as indicated below.
The object of the present intention is a very sensitive energy converter of the. type described above. $ capable of transforming acoustic energy into electrical energy or vice versa with a higher efficiency than that which has been possible to date.
Another object of the present invention is a new improved acoustic piston. In the description which follows, this improved piston will be called a membrane by analogy with the existing devices.
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Another object of the invention is a divided membrane, the different parts of which: the or sectors are suitably sized and moved individually in phase with each other so that the membrane vibrates as a single block.
Another object of the invention is a membrane divided into sectors undergoing transverse expansions and compressions of marl which they undergo compressions and longitudinal expansions along their axis.
Another object of the invention is a new metal membrane subjected to expansion vibrations.
Another object of the invention is a new membrane excited by motor members actuated by internal forces, such as the forces brought into play, for example, by magnet-strietion or piezoelectricity.
Another object of the invention is a membrane particularly suitable for ultra-audible frequencies.
Finally, other subjects of the invention will be explained below and in particular specified in the summary,
By way of example, several trusses of the device forming the subject of the invention have been described below and shown in the accompanying drawings. view 1,
Fig 1 is a side view of the preferred embodiment of the membrane piston.
Fig. 2 is a section taken on line 2-2 of FIG. 1 view in the direction of the arrows. ,,
The freeze, is a perspective view on a larger scale in which one of the magneto-necking motor elements and one of the excitation coils are seen in section,: II
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Fig. 4 is a perspective view of another embodiment.
Fig. 5, is a schematic view of the circuits and the apparatuses employed in the case where the membrane is controlled by pizeoelectric crystals.
The invention as described below and shown in the accompanying drawings applies to an ultra-audible frequency transmitter or receiver; it is however evident that the invention is not limited to this particular case and can be applied to other types of transmitters and receivers The device, when used underwater, can be mounted - in a submerged rotating casing or else it can be fixed on any support 1, for example on the wall of a ship's hull using bolts 3 passing through openings (formed in an outer part 2, relatively immobile , serving as an inertia ring.
The vibrating inner part 4 of the membrane, in the form of a cylinder disc is connected to the rear annular part 2 by a relatively thin annular seal 6 arranged between these two parts, A uniform metallic connection is obtained in this way between the ring outside. 2 and the membrane 4 ,. The seal 6 is thin enough to be somewhat flexible so as to allow the emitting face 1 of the membrane 4 to vibrate substantially like a piston in a direction normal to that face, all bending taking place substantially in the seal. 6 Bar due to the large mass of the inertia ring 2 the vibrations of the membrane are not transmitted to the latter.
All points on the upper and lower faces of cylindrical elements subjected to expansion vibrations
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and forming the membrane, must vibrate in phase on each of the faces; these individual cylindrical elements should be as large in diameter and as small in length as possible.
However, the ratio and the cross section to the axial length is limited to a low value because the cylinder has a tendency to vibrate, not only on its fundamental frequency but also according to several harmonics; which has the effect of the appearance of nodal lines on its lower emitting face ?, This phenomenon is aggravated by the fact that if the diameter of the membrane is large compared to its axial length, the transvibrati ons - necessary versals occurring in the median plane of the membrane are reduced. As a result, some parts of this emitting face have a tendency to vibrate in phase opposition with each other.
Under these conditions, the vibrations emitted by the transmitting face 7 will cancel each other out at a certain distance in the medium where these vibrations are transmitted, so that the membrane cannot efficiently emit a directed beam of acoustic energy. These considerations are particularly important for high frequencies.
Part 4 of the membrane shown in Figs ,, 1, 2,3 and 4 is therefore divided into sectors ,, According .-- ment to the form. of the embodiment shown in these drawings, these sectors are of two kinds; on the one hand, a central core 8 in the form of a cylinder disc and, on the other hand, seven outer elements 10 each having the shape of a sector of a divided crown.
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However, it is understood that this circular arrangement is indicated only by way of non-limiting example and that other arrangements can also be used.
Thus, a rectangular assembly of elements with a square section can be used theoretically; however, fasteners intended to hold a rectangular membrane are not uniform all along their periphery resulting in a lack of operational safety. Hexagonal or other shapes can also be employed.
The elements in the form of sectors 10 are rigidly connected to each other by relatively thin ribs 12 disposed radially in the vicinity of the upper or lower faces of these elements, and are connected to the central element 8 by a thin rib 13 similar to the previous one but of circular shape. These elements are in this way mechanically coupled so that it is pesaible to order them individually, each of the opposite faces 7 and 9 of the membrane 4 will vibrate like a piston, the faces 7 'and 9' having opposite phases.
The membranes thus formed can be made conve. nably by molding.
The membrane 4 is in this way divided into eight resonant elements and the spaces between the ribs 12 and 13 allow the nodal median planes of these individual elements to vibrate transversely independently of each other / that these elements react in a unfavorably one on the sutres and without introducing, consequently, vibrations of. different phases in the different parts of the emitting face 7. These spaces between the ribs I2 and those between the ribs 13 should not be wide;
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the minimum value of the transverse width of these spaces is determined mainly by considerations of ease of molding.
In order to make manufacturing easier, some of these ribs 12 and 13 arranged near the upper or lower face of the membrane can be omitted, as indicated in FIGS. 2 and 3. Likewise, the seal 6 connecting the movable parts and motionless' of the device can,;
. be disposed in a different manner, for example near the driving face of the membrane, instead of being disposed near the emitting or receiving face as shown in the drawing. the membrane being subjected as indicated below * - 'below to so-called dilation vibrations, there is a longitudinal displacement node midway between the faces 7 and 9, and longitudinal displacement bellies on these faces 0 - There is should be noted that the elements of the. membrane are supported by the annular seal 6 in the vicinity of these displacement bellies.
According to the preferred embodiment of the. present invention, the control of the individual elements 8 and 10 is carried out by magneto-striation, For this purpose, each of the elements 8, and 10 of the membrane is provided with a magnet-strictive core 14-so as to produce the control individual of these elements 8 and 10. The core 14 can, of course, be replaced by piezoelectric cristanx 24 as indicated in FIG. 5; Or these elements can still be controlled in any other way desired When they are actions born by magneto-striction or piezoelectricity, elements 8 and 10 are controlled by means of reversible internal forces in order to obtain frequencies high.
14 cores can
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'hearth made of any magneto-strictive material that you want. A thin nickel tube resonating with the elements
8 and 10 to which it is attached works very well in practice.
A flat head 16, internally threaded, can be rigidly fixed to the lower end of the core 14, this head serving to screw its core onto a bolt 18 rigidly fixed to the elements 8 and 10 of the membrane. The cores 14 can be driven individually and simultaneously in vibration by means of excitation coils, one of which is represented at 20, these coils being supplied by any suitable energy source. These coils can also apply a constant magnetic polarization to the core.
The vibrations of the core 14 are of such a nature that it performs longitudinal compressive and expansion movements, the ends free and fixed to the membrane being in movement while one or more nodes are suitably distributed along the core. .
The vibrations of the inner end of the core 14 are transmitted to the element 8 or 10 to which it is attached and this element in turn undergoes expansion vibrations, the amplitude of the vibration depending, on the one hand, on the difference between the natural frequency of the element and the control and resonance frequencies of the core 14, and on the other hand the value of the losses due to friction: internal). Theoretically, the core 14 and the element to which it is attached must have substantially the same natural frequency. It is not necessary to provide other masses than that of the tube itself in order to transmit the vibration from the tube to the diaphragm.
The purpose of the flat nut 16 is to provide suitable means of assembling the cores 14 with the face 9
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so as to achieve a tight coupling between the core 14 and this face 9. However, this flat hex has an influence on the resonant frequency of the control device as will be shown below.
We can show, by calculation and verify by experience that the optimum lengths of tubes 14 are given by series of values resulting from the equetion L = # / # (# / 2 # + K / 4 #) in which v is the longitudinal propagation speed of sound in the metal constituting the tube, f the control frequency, k any odd whole number while which is independent of L is determined by the mass of the threaded head according to the equation # = ave tg V / 2 ## # / M m0 being the mass per unit length of the tube and L being the total mass of the nut.
The equation giving the. value of L shows that the successive optimal values are obtained starting with the smallest value
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L - 1 \ (! L- ..L) for k = 1 and increasing the length thus obtained by successive additions of i / 2 #, # representing the wavelength.
When elements 8 and 10, cores 14 and coils 20 are suitably sized, and when the currents in coils 20 are in phase, elements 8 and 10 are moved in unison so that the emitting face 7-membrane 4 will vibrate as a single block at; the resonant frequency for example 30 kilocycles, its movement approaching very close to that of a
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real piston.The ribs 12 and 13 are short so that they cannot have a frequency of vibration lower than 30 kilocycles, In this way, these ribs will not introduce any disturbing harmonics in the movement of the face 7 of the membrane.
The membrane 4 therefore has, towards the 'middle, such as water a face'? substantially planar, all the parts of which are in phase concordance. the shape of the different parts of the devices may vary according to the intended purpose, As shown in FIG. 4, an additional ring 15 of sectors can be interposed between the sectors 10 and the ring 2, the two rings of sectors being separated by a seal 17 similar to seal 6. Despite this modification, the membrane 'nevertheless constitutes a compressible part functioning in the manner described above.
It is preferable to constitute the membrane with a metal having a low mechanical viscosity. Aluminum has a low viscosity, these elastic losses and its decrement are low, and lends itself to the production of a very satisfactory membrane.
The operation of the membrane can be improved by using an aluminum alloy with 5% silicon. All without modifying; not appreciably the qualities of the metal from the point of view of vibrations, lowers the melting temperature and facilitates, consequently, the operations of foundry,
It is desirable to present to the medium in which the vibrations are transmitted a vibrating surface as large as possible with the least complicated shape. The individual elements or sectors 10 and 8 must therefore have an emitting surface 7 'as large as possible.
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the metal constituting the membrane must therefore be such that the speed of propagation of sound through this metal is great.
The speed of propagation of. its in aluminum is great, and this metal possesses, as stated above, a low mechanical viscosity.
It is possible to evaluate the most suitable dimensions of the elements forming the membrane. For cylindrical elements, such as element 8, the minimum limit of the ratio of the long to the radius of the cross section is in practice 3 to 1 for all frequencies. If this ratio were much lower than this value, the element would not vibrate in a simple way as described above, series of nodal lines appearing on the emitting face as a result of the decrease in transverse vibration which must necessarily occur in the median plane.
The same ratio applies, approximately to rectangular and sector-shaped elements, on condition that the radius is replaced by half of one side of the square section or by half of the length of the average area of the sector. The length is determined by the desired frequency and by the speed of sound propagation in the whole of which the element is made.
For aluminum elements, the following dimensions have been found to be suitable for - .le, frequency of 30 kilocycles a = 2.5 cm, approximately
L - about 7.5 cm a being the radius of element 8 or half the length of the mean arc of the cross section of elements la, and L being the height of these elements ,, The ratio of length to width is not significantly less in this way than 3/2.
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The resonance frequencies of two short cylinders of equal length and sections of equal areas but one of which is circular and the other square are almost but not quite equal. If the number of sectors 10 has been suitably chosen, their section will not be very different from the section of the central core q, ,, Bn having; suitably, the sections of blocks' 8 and 10 can be made exactly equal *, the ratio between the width of the mean arc and the thickness in the direction of the radius / equal to unity for each of the sectors.
The degree of approval with which this ratio is equal to unity depends on the number of blocks arranged on the crown, it becomes all the better as the mean radius of the crown becomes larger.In the project of the diaphragm $ we calculate the number of blocks in the given crown.
The deviation of the value of the above ratio between width and thickness, from unity, made necessary to equalize the area of the sections, introduces only a negligible error in the calculation of the frequency ,
However, it is found that due to the difference in shape between the block 8 and the blocks 10 and the loading effect due to the ribs 6, 12 and 13, that the height of the block 8 can, under certain conditions, be slightly different from that of the blocks 10, otherwise the frequency of the central block 8 would be slightly different from that of the other blocks 10. The dimen. Exact sions cannot be calculated easily, but they can be verified experimentally.
In the figure, the central block 8 is shown slightly shorter than the annular blocks 10 and the upper faces of the ribs 12 and 13 are arranged on the same plane as the upper face of the central sector. These ribs should not, of course,
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be placed lower at a nodal point of relaxation or contraction, but they can be placed at another place,
The frequency of a longitudinally vibrating rod can be calculated even when the ratio of the radius of the section to the length becomes large, by making a suitable correction for the inertia in the direction of the radius.
If the length is not large in relation to the diameter of the rod, the expression of the resonant frequency of a short and thick rod, of elliptical or rectangular section is given after Ohree (Quart. Math, Journal, Vol . 23, page 3I7, 1889) 1
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'.?. Â F- 7 / -4 p * YZ. tif D {7Ïft z where f is the frequency in cycles per second, k any even or odd integer, L the total length of the bar, E the modulus of elasticity: d @ the density, P the Poisson's ratio taken normally as equal to I / 3, and K the radius of gyration of the section around the axis' perpendicular to its plane.
The above equation is also applicable in the case where K / L is small. In this case it is reduced to; # = K / 2L # Well known formula for the frequency of longitudinal vibrations of a thin bar.
The difference between this formula and Chree's more exact formula d for the general case is a small correction term - reaching about 3% for bars whose ratio da
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radius or half-side of the rectangle of section% A>, the length is roughly 1 to 3.
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The E / d ratio which is the square of the propagation speed can be evaluated by experiments carried out on the body used and. the result can be used for the calculation of new vibrators made with the same body.
By applying these formulas for the frequencies of the blocks $ we find for a = 2.5 cm. as above that the core length of the aluminum central block 8, determined for a frequency of 30 kilocycles is
L = 8 cm.
This gives a value sufficiently close to the ratio 3 to 1 mentioned above. In practice, however, good results can be obtained with ratios reaching and even exceeding 20 to 1. The thickness of the diaphragm is equal to half a length. wave of the vibration in the body constituting this diaphragm or to a whole multipe of the half-wavelength,
These dimensions are suitable for a frequency of 30 kilocycles. To increase the area of the surface 7 emitting the sound of this frequency, it is preferable to add additional rings 22 of sectors between the ring of sectors 10 and the fixed ring 2, as shown in fig. 4.
According to the modification shown in FIG. 5, each of the blocks is actuated by a piesoelectric crystal 24 fixed in a rigid manner by one of its faces by means of a suitable cement to the upper face 9 of the block. The electrodes of the crystal may consist of a layer of tin foil 26 covering two opposite sides of the crystal, but any other type of suitable electrode may be used.
Tin foil layers or electrodes
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of other type can be connected by means of conductors 28 in branch to a coil 30 coupled to a coil 32 'in the output circuit of a vacuum tube oscillator 34 or to any other source of alternating current.
The frequency of this oscillateitr can be adjusted by means of a tuning capacitor 36. Another capacitor 38 in parallel on the
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crystal-vibrators 24 can be used to regulate the voltage on said crystals.
It goes without saying that the invention is not limited to the embodiments shown here, but that it is susceptible to modifications and changes depending on the ability of those skilled in the art, all these modifications and changes, however, falling within the spirit and for the purpose of the invention as defined in the appended claims,
CLAIMS
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"Having thus described my invention and reserving the right to make any improvements or modifications that seem necessary to me, I claim as my exclusive and private property:
1.
Diaphragm for the transformation of electrical energy into acoustic or ultrasonic energy, or vice versa, vibrating so as to present a knot and a belly and characterized in that it is supported near said belly.
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