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Appareil transducteur optique. Demandes de brevets aux Etats-Unis d'Amérique n 434287 du 14 octobre 1982 et nO 538632 du
6 octobre 1983 en faveur de J. A. CASTANO.
La présente invention concerne d'une manière générale un appareil transducteur et, en particulier, un appareil pour améliorer la linéarité du signal de sortie du transducteur par rapport à l'amplitude du signal d'entrée dans un intervalle dynamique extrêmement large.
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L'invention est une demande en continuation de
EMI2.1
la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 434. 287 de Jaime A. Castano, déposée le 14 octobre 1982 et intitulée"Géophone optique".
Il est bien connu d'utiliser un appareil transducteur comme interface pour transférer un signal dans un premier système de référence vers un signal dans un second système de référence en vue de surveiller ou de mesurer le premier signal ou de l'utiliser pour commander un processus ou une variable.
On a utilisé des transducteurs qui réagissent à des paramètres physiques d'entrée comme la pression, la température, la position, la vitesse, l'accélération, etc. La sortie de nombreux transducteurs est électrique car les moyens de mesure et d'affichage de paramètres électriques sont très bien au point. L'aptitude à transférer une information de manière linéaire d'un système de référence à un autre système de référence, est une caractéristique extrêmement importante qui est recherchée lors de la mise au point de tous les transducteurs.
Il existe des dispositifs transducteurs qui sont extrêmement linéaires quant à l'information d'entrée et aux réponses de sortie, mais qui ne sont typiquement linéaires que dans un petit intervalle dynamique. Un intervalle dynamique large est d'une importance critique pour l'utilisation efficace d'un appareil transducteur universel et global. Habituellement, lors de la sélection ou de la mise au point d'un appareil transducteur destiné à une fin spécifique, deux composantes entrent en jeu. En premier lieu, une linéarité est requise entre le signal d'entrée et le signal de sortie du transducteur et en second lieu, l'intervalle dynamique associé aux valeurs d'entrée et de sortie sur lesquelles l'appareil transducteur
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fonctionne doit être large.
L'extrémité inférieure de l'intervalle dynamique est définie par le signal d'entrée le plus faible auquel le transducteur réagit de manière linéaire.
Cette propriété est qualifiée de sensiblité et il est en général souhaitable qu'un transducteur soit aussi sensible que possible, c'est-à-dire qu'il soit à même de réagir à la plus faible valeur possible de la variable physique intéressante. L'extrémité supérieure de l'intervalle dynamique est définie par le signal d'entrée maximum auquel le transducteur fournit une réponse linéaire et ce signal doit être aussi fort que possible.
Une autre propriété importante d'un transducteur est sa réponse de fréquence qui définit l'amplitude relative du signal de sortie du transducteur en réaction à des signaux d'entrée oscillants de fréquences différentes. De nombreuses variables physiques à mesurer ou à surveiller sont d'une nature oscillante ou dynamique et il est important que le transducteur réagisse aux fréquences particulières présentes dans le phénomène dynamique mesuré ou surveillé. Il est également important que le transducteur ne fournisse aucune réponse à certaines autres fréquences qu'il peut être souhaitable d'empêcher d'affecter les mesures. Ainsi, une propriété souhaitable d'un transducteur réside dans le fait que sa réponse de fréquence doit pouvoir être adaptée à diverses situations de mesure.
En général, les appareils transducteurs disponibles actuellement sont étroitement dépendants de leur équipement associé. Cette dépendance suscite des difficultés lorsqu'il s'agit de transférer de manière précise de l'information d'un premier système de référence vers un second système de référence. Des difficultés dans la transposition précise de l'informa-
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tion peuvent donc être provoquées par la résistance des câbles de connexion, le poids de l'appareil transducteur lui-même, l'usure mécanique associée à l'appareil transducteur et l'alignement de l'appareil dans une orientation spécifique. Des difficultés de cette nature sont extrêmement difficiles à diagnostiquer et à corriger. Cela étant, la plupart des transducteurs connus ont de nombreux inconvénients.
Il existe donc un besoin d'un appareil transducteur unique qui puisse être adapté à de nombreuses exigences de transduction différentes, qui assure une linéarité supérieure entre le signal d'entrée et le signal de sortie du transducteur, qui présente un intervalle dynamique extrêmement large, qui soit peu onéreux et dont la réponse de fréquence puisse être facilement adaptée à diverses situations de mesure.
Compte tenu de la nécessité de disposer d'un appareil transducteur perfectionné pour transférer de l'information d'un premier système à un second système, selon une particularité générale de l'invention, il est prévu un nouvel appareil transducteur qui réduise au minimum ou atténue les difficultés de l'appareil type mentionné plus haut et spécifiquement les difficultés dues à la non-linéarité et à l'intervalle dynamique étroit.
Cela étant, l'invention a pour buts de procurer : un appareil transducteur unique présentant une sensibilité extrêmement élevée, un intervalle dynamique très large et une linéarité très élevée ; un appareil transducteur unique moins sujet à des interférences électriques et un appareil transducteur qui soit exempt d'interférences électriques, en particulier lorsque l'on utilise des composants en fibres optiques ;
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un appareil transducteur unique qui présente un large intervalle de réponse de fréquence et qui puisse être accordé sur des fréquences résonnantes différentes ; un appareil transducteur unique qui ne soit pas polarisé par un alignement dans une orientation spécifique quelconque ;
un appareil transducteur unique qui élimine tout couplage entre le signal d'entrée et le signal de sortie et qui présente un signal à impédance de sortie faible.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront en partie de la description qui suit et en partie de la mise en pratique de l'invention. Ces buts, particularités et avantages de l'invention peuvent être réalisés conformément aux particularités décrites dans les revendications annexées.
Pour réaliser les buts, particularités et avantages précités et conformément à l'invention décrite dans le présent mémoire, il est prévu un appareil transducteur unique qui présente une réponse linéaire dans un large intervalle dynamique. L'appareil transducteur conforme à l'invention comprend un émetteur émettant des rayons, un détecteur opérativement associé à l'émetteur pour recevoir les rayons provenant de cet émetteur, les rayons ou leurs prolongements associés à l'émetteur et au détecteur convergeant vers un point d'intersection commun, c'est-à-dire un foyer commun, et un dispositif réflecteur espacé du foyer commun pour réfléchir les rayons émis par l'émetteur sur le détecteur,
l'appareil transducteur étant à même de mesurer une modification de la distance séparant l'emplacement du dispositif réflecteur de celui de l'émetteur et du détecteur, la détermination étant basée sur la différence de la quantité de rayons reçus
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par le détecteur avant et après la modification de la distance séparant le réflecteur et l'ensemble émetteurdétecteur.
Les rayons émis par l'émetteur et reçus par le détecteur peuvent être des rayons électromagnétiques, des sons, des particules subatomiques, de la chaleur, etc. Les rayons provenant de l'émetteur sont de préférence des rayons lumineux. Le transducteur conforme à l'invention peut utiliser de la lumière non cohérente.
Les rayons provenant de l'émetteur et reçus par le détecteur doivent aussi de préférence converger vers un point d'intersection commun et ce, à l'intervention d'un dispositif focalisateur. D'une manière plus spécifique, il est préférable que le dispositif focalisateur conforme à l'invention soit une lentille optique lorsque l'émetteur émet de la lumière ou une autre énergie optiquement réfringente.
Dans l'appareil transducteur conforme à l'invention, la réponse de fréquence de l'appareil est réglée par modification des caractéristiques mécaniques (masse, rigidité, amortissement) d'un système de suspension qui supporte la surface réfléchissante, lorsque le système de suspension est à même de réagir élastiquement à une force extérieure. En variante, la réponse de fréquence de l'appareil transducteur conforme à l'invention peut être réglée par modification sélective des caractéristiques mécaniques d'un système élastique supportant la combinaison de l'émetteur et du détecteur lorsque l'émetteur et le détecteur sont disposés de manière à réagir physiquement à la force extérieure.
La modification de position de la surface réfléchissante est utilisée pour mesurer ou surveiller la variable physique intéressante par un couplage adéquat de la variable physique à une modification de
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la position de la surface. Le transducteur peut, de cette façon, être adapté à la mesure de nombreux paramètres physiques différents, par exemple la pression, la vitesse, l'accélération, l'altitude, etc.,
L'appareil transducteur conforme à l'invention est extrêmement compatible avec des composants en fibres optiques pour transférer de l'énergie vers la surface réfléchissante et depuis celle-ci.
Les dessins annexés qui font partie du présent mémoire illustrent une forme d'exécution préférée de l'invention et servent, avec la description générale de l'invention donnée plus haut et la description détaillée de la forme d'exécution préférée qui suit, à expliquer les principes de l'invention.
Dans les dessins annexés : la Fig. 1 est une vue de côté, en coupe, d'un transducteur électrodynamique connu classique pour convertir la vitesse en un signal électrique ; la Fig. 2 est un graphique des réponses de fréquence de l'appareil transducteur de la Fig. 1 matérialisant les efforts visant à aplatir la réponse de fréquence à l'aide d'une résistance d'amortissement externe ; la Fig. 3 est une vue de côté, en coupe, d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention dans l'exécution spécifique d'un géophone optique ; la Fig. 4 est un schéma d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention comprenant une courbe de réponse ;
la Fig. 5 est un schéma d'une autre forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention, et la Fig. 6 est une vue en perspective d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur
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conforme à l'invention dans l'exécution spécifique d'un géophone optique illustrant un dispositif pour modifier la fréquence résonnante naturelle.
La description générale qui précède et la description détaillée qui suit ne sont données qu'à titre d'exemple de l'invention et des modes, avantages et particularités supplémentaires de l'invention apparaîtront clairement aux yeux du spécialiste à la lecture de la description détaillée suivante.
0n se référera en détail aux formes d'exécution de l'invention actuellement préférées et illustrées aux dessins annexés.
Pour mieux illustrer les caractéristiques améliorées de l'appareil transducteur conforme à l'invention, les Fig. 1 et 2 montrent un transducteur électrodynamique classique pour la vitesse et ses réponses de fréquence correspondantes. Un transducteur électrodynamique connu 10 est représenté sur la Fig. 1.
Ce transducteur électrodynamique 10 est enfermé dans le boîtier 12. Le boîtier 12 contient un dispositif produisant un champ magnétique tel qu'un aimant permanent annulaire 14 et le pôle 15. L'aimant permanent annulaire 14 et le pôle 15 sont fixés au boîtier 12. Une bobine 18 est suspendue dans le champ magnétique produit par l'aimant 14. Le corps 16 de la bobine est suspendu par des moyens de suspension à ressort 20. Un câble électrique 22 est prévu pour transférer l'information de sortie obtenue de la bobine 18.
Le transducteur électrodynamique 10 illustré sur la Fig. 1 est utilisé pour mesurer le mouvement vertical relatif du transducteur. Lorsque le boîtier 12 et l'aimant 14 vibrent, la bobine 18 tend à rester immobile par inertie. Le champ magnétique en mouvement créé par l'aimant 14 produit, dans la bobine 18, une tension proportionnelle à la vitesse et au déplacement
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de l'aimant 14. Les caractéristiques de fréquence pouvant être obtenues par le transducteur électrodynamique 10 peuvent être modifiées à l'aide d'une résistance 25 dont les valeurs peuvent être différentes.
La Fig. 2 illustre la caractéristique de déplacement-fréquence du transducteur électrodynamique 10 représenté sur la Fig. 1. La courbe 24 illustre la fréquence résonante naturelle du transducteur électrodynamique 10. La courbe 24 illustre une réponse croissant de zéro Hertz (Hz) jusqu'à la fréquence résonante du système (approximativement 22 Hz) et ensuite une réponse décroissant approximativement jusqu'à un palier pour des fréquences croissantes.
Il est souhaitable dans un transducteur quelconque de disposer d'une réponse de fréquence plate. Cela étant, il est typiquement nécessaire d'amortir le signal électrique associé à un transducteur tel que le transducteur électrodynamique 10. On peut amortir le signal en modifiant les valeurs de la résistance 25 (voir Fig. 1). Les courbes de réponse 26, 28 et 30 illustrent l'effet de trois valeurs différentes de la résistance d'amortissement (obtenues en modifiant la résistance 25) sur la caractéristique de fréquence du transducteur électrodynamique 10. Les courbes 26,28 et 30 illustrent des effets indésirables décrits plus haut. Ces effets indésirables sont dus à l'amortissement de la courbe de réponse qui est nécessaire pour maintenir une caractéristique de fréquence plane.
Les qualités indésirables notées dans les courbes 26, 28 et 30 sont la perte de sensibilité, le déplacement du pic de la courbe vers des fréquences plus élevées et la variation de la caractéristique de phase.
De plus, d'autres facteurs suscitent des
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difficultés lorsqu'on utilise des transducteurs semblables au transducteur électrodynamique 10. En particulier, on peut augmenter la sensibilité du transducteur électrodynamique 10 en augmentant le nombre de spires de fil dans la bobine 18. Cependant, l'accroissement de la quantité de fil augmente le poids du transducteur électrodynamique 10. Une augmentation de poids est indésirable si le dispositif est destiné à mesurer un mouvement. De plus, des dispositifs semblables au transducteur électrodynamique 10 souffrent d'une usure mécanique due aux parties mobiles et du fait que le transducteur électrodynamique 10 doit être placé dans une orientation précise par rapport à la verticale, cette orientation dépendant de la conception de la suspension de la bobine.
Si ces conditions n'étaient pas respectées, la bobine fonctionnerait en dehors du court intervalle dans lequel le champ magnétique est approximativement constant et ceci provoquerait une distorsion du signal de sortie du transducteur.
L'appareil transducteur conforme à l'invention est exempt de tous les inconvénients mentionnés plus haut, car la technique de transduction utilisée est une technique sans contact, l'entrée et la sortie sont totalement isolées et il n'est pas nécessaire d'amortir extérieurement la réponse pour le transducteur.
La Fig. 3 est une vue de côté en coupe d'une forme d'exécution de l'appareil transducteur 32 conforme à l'invention réalisé de manière spécifique sous la forme d'un géophone optique. L'appareil transducteur 32 est supporté par le boîtier 34. Le boîtier 34 est utilisé pour connecter et supporter les autres composants de l'appareil transducteur 32. La surface réfléchissante 36 et un module émetteur-détecteur 38 sont attachés à l'intérieur du boîtier 34. Le module émetteur-détecteur 38 produit des rayons qui frappent la
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surface réfléchissante 36. La surface réfléchissante 36 renvoie les rayons qui doivent être acceptés par le module émetteur-détecteur 38. Le module émetteurdétecteur 38 est alimenté par l'intermédiaire du câble 40.
Sur la Fig. 3, la surface réfléchissante 36 ou le module émetteur-détecteur 38 peut être relié élastiquement au corps 34. Comme l'appareil transducteur 32 présente une composante de mouvement dans le sens longitudinal, la surface réfléchissante 36 ou le module émetteur-détecteur 38, quel que soit celui qui est relié au boîtier 34, tend à rester en place par inertie. La distance entre la surface réfléchissante 36 et le module émetteur-détecteur 38 varie donc à mesure que l'appareil transducteur 32 est déplacé longitudinalement. La variation de la distance entre la surface réfléchissante 36 et le module émetteurdétecteur 38 est indiquée par la variation de la quantité d'énergie reçue par le module émetteurdétecteur 38 avant le déplacement et pendant ce déplacement.
Dans l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 3, la surface réfléchissante 36 est reliée élastiquement au boîtier 34 et le module émetteur-détecteur 38 est relié de manière fixe au boîtier 34.
Dans la forme d'exécution de l'invention illustrée sur la Fig. 4, la surface réfléchissante 36 peut être supportée par tout moyen adéquat. A titre d'exemple, la surface réfléchissante 36 peut être supportée de deux côtés seulement, en porte à faux, sur ressort ou en torsion. Les propriétés mécaniques du système de support déterminent la réponse de fréquence du transducteur. On peut obtenir pratiquement n'importe quelle réponse de fréquence voulue en choisissant convenablement les paramètres mécaniques du système de
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support. Divers types de surfaces réfléchissantes vibrantes et d'autres encore peuvent être utilisés, par exemple des champs magnétiques.
Toute surface réfléchissante 36 est acceptable si une surface 36 tend à rester immobile par inertie ou à l'intervention d'autres moyens lorsque le boîtier 34 est déplacé. En variante, le module émetteur-détecteur 38 peut être monté élastiquement sur le boîtier 34 et la surface réfléchissante 36 peut être une structure rigide.
La Fig. 4 est un diagramme schématique d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention. Les éléments de la Fig. 4 ont trait à l'utilisation d'un transducteur optique, mais les éléments et l'efficacité de l'invention peuvent être facilement dérivés de nombreux composants semblables.
Dans l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 4 une surface réfléchissante 36 est frappée par des rayons émis par la source lumineuse 42. La source lumineuse 42 émet des rayons qui traversent le dispositif focalisateur 44 pour former le foyer 60 du côté de la surface réfléchissante 36 opposé à la source lumineuse 42. Les rayons qui frappent la surface réfléchissante 36 sont renvoyés vers le photodétecteur 48. Le dispositif focalisateur 46 assure que le photodétecteur 48 reçoive des rayons ayant le foyer 60. Les rayons reçus et acceptés ont donc en commun le foyer 60.
La source lumineuse 42 peut émettre de la lumière visible infrarouge ou ultraviolette. Il est aussi possible d'utiliser l'invention avec de l'énergie à propagation linéaire autre que la lumière. N'importe quel rayonnement électromagnétique, des sons, des particules subatomiques, de la chaleur ou l'équivalent peuvent donc être émis par la source 42 et être foca-
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lisés par un dispositif focalisateur 44 vers le foyer 60. L'énergie pourrait frapper une surface réfléchissante appropriée quelconque 36 en vue d'être renvoyée et acceptée par le détecteur 48 après avoir traversé un autre dispositif focalisateur 46 présentant le même foyer 60.
La Fig. 4 est un graphique illustrant le signal de sortie de l'appareil transducteur indiqué schématiquement plus haut en réaction à une modification de la position de la surface réfléchissante 36. La courbe 50 montre le signal de sortie du détecteur de lumière 48 (courbe de sortie de lumière). La courbe 50 comporte un côté inférieur 52, un côté supérieur 54 et un pic 56. Le côté inférieur 52 et le côté supérieur 54 sont en substance linéaires.
Une caractéristique très avantageuse d'un appareil transducteur est le fait que la sortie du dispositif transducteur est linéaire. Le point 60 est le foyer concurrent où la source 42 et le détecteur 48 forment des images à l'intervention des dispositifs focalisateurs 44 et 46. Le foyer concurrent 60 est placé près de la surface réfléchissante 36, mais est espacé de celle-ci. Lorsque la surface réfléchissante 36 est décalée du foyer concurrent 60, la sortie du détecteur suit le côté supérieur 54 ou le côté inférieur 52 de la courbe de sortie de détecteur 50 si le transducteur est rapporté de manière linéaire à la position de la surface réfléchissante.
Comme le montre la Fig. 4, lorsque la surface réfléchissante 36 est au repos, la position coîncide le long de la ligne A correspondant au point 62 sur le côté supérieur 54 de la courbe de sortie 50 du détecteur. A mesure que la surface réfléchissante 36 se déplace, la courbe de sortie 50 du détecteur indique que la réponse de sortie reste linéaire si l'inflexion
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ne dépasse pas le pic 56 ou l'extrémité supérieure du côté supérieur 54 ou encore l'extrémité inférieure du côté inférieur 52.
En raison de l'agencement unique de l'invention, un faible déplacement de la surface réfléchissante 36 provoque une variation extrêmement importante de la sortie du photodétecteur 48. Si le foyer 60 était placé dans le plan de la surface réfléchissante 36 le long de la ligne A, la sortie du détecteur serait particulièrement insensible au déplacement de la surface 36. Cela étant, la sélection prudente du foyer 60 en vue d'aligner ce foyer dans la région appropriée de la courbe de sortie 50 et du détecteur est d'une importance critique.
Le fait que l'intervalle de mouvement de la surface réfléchissante 36 doive être situé le long des parties linéaires de la courbe 50 offre de nombreux résultats avantageux, par exemple la linéarité de la sortie par rapport à l'amplitude des vibrations, un intervalle dynamique important et une sensibilité extrinsèque élevée.
Dans des transducteurs exigeant une faible interférence électrique, un câble en fibres optiques peut être utilisé. La Fig. 5 est un schéma d'une forme d'exécution préférée de l'invention utilisant la technologie des fibres optiques. Un compartiment de transducteur extérieur 34a peut être placé à distance d'un poste d'enregistrement 70. Le poste d'enregistrement 70 peut contenir une source lumineuse 72, un photodétecteur 74, des dispositifs focalisateurs 76 et 78 et un diviseur optique 84. Le compartiment de transducteur extérieur 34a peut contenir une surface réfléchissante 36a et un dispositif focalisateur 82. Le poste d'enregistrement 70 et le compartiment de transducteur extérieur 34a peuvent être connectés par le câble en fibres optiques 80.
La lumière émise et reçue
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doit être transmise par le câble en fibres optiques 80.
La lumière peut être émise par la source lumineuse 72 en vue d'être focalisée par le dispositif focalisateur 76 pour passer dans le câble en fibres optiques 80. Le câble en fibres optiques 80 transporte la lumière émise vers le compartiment de transducteur extérieur 34a en vue de sa refocalisation par le dispositif focalisateur 82 sur la surface réfléchissante 36a. La lumière réfléchie par la surface réfléchissante 36a suit à nouveau son trajet initial à travers le dispositif focalisateur 82 et à travers le câble en fibres optiques 80. Le diviseur optique 84 fait dévier le faisceau à travers le dispositif focalisateur 78 sur le photodétecteur 74. Le diviseur optique 84 est prévu pour séparer la lumière qui se déplace dans les deux directions.
Si l'on utilise le câble en fibres optiques 80 et le poste d'enregistrement 70 éloigné du compartiment de transducteur extérieur 34a, l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 5 est exempt de toute interférence électrique induite.
La Fig. 6 est une vue en perspective d'un appareil transducteur semblable à celui décrit plus haut et illustré sur la Fig. 4. D'une manière spécifique, l'appareil transducteur illustré sur la Fig. 6 montre un mécanisme servant à modifier la réponse de fréquence d'un géophone optique. L'appareil transducteur est enfermé dans le boîtier 34b. Un module émetteur-détecteur 38b est illustré à l'intérieur du boîtier 34b. Le module émetteur-détecteur 38b émet des rayons sur la surface réfléchissante 36b. La surface réfléchissante 36b comporte une première extrémité 90 qui est fixée à demeure et une seconde extrémité réglable 92. La seconde extrémité 92 de la surface réfléchissante 36b peut être réglée au moyen de la vis 94. Le module émetteur-détecteur 38b envoie des rayons
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vers la surface 36b.
On peut modifier la fréquence résonnante de l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 6 et l'amener à n'importe quelle valeur souhaitée en réglant la vis 94 qui tend ou détend la surface réfléchissante 36b. Cela étant, on peut obtenir n'importe quelle fréquence résonnante souhaitée en accordant simplement l'appareil transducteur conforme à l'invention.
D'autres avantages et d'autres modifications apparaîtront clairement aux yeux des spécialistes. Le cadre de l'invention n'est, par conséquent, pas limité aux détails spécifiques de l'appareil représentatif et des exemples décrits et illustrés dans le présent mémoire et de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de ce cadre général de l'invention.