DESCRIPTION
Procédés et transducteurs électro-acoustiqu~ pour émettre des ondes acoustiques à basse fréquence dans un liquide.
La présente invention a pour objet des procédés pour émettre des ondes acoustiques à basse fréquence dans un liquide, au moyen de transducteurs électro-acoustiques de type double-tonpilz et des transducteurs qui mettent en oeuvre ces procédés.
Le secteur technique de llinvention est celui de la construction des transducteurs électro-acoustiques.
On conna;t des transducteurs électro-acoustiques, notamment piézo-électriques, dits double-tonpilz, qui comportent un bo;tier cylindrique rigide, ouvert à ses deux extrémités et,à
l'intérieur dudit boitier, disposés coaxialement avec celui-ci, deux moteurs électro-acoustiques identiques, par exemple deux empilements de plaquettes piézo-électriques qui sont talignés et placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale et/deux pavillons. Les faces externes des deux pavillons sont situées dans le plan des extrémités axiales du bo;tier, de sorte qulelles sont au contact du liquide dans lequel le boItier est plongé.
Les faces externes émettent dans le liquide des ondes acoustiques lorsque les moteurs électro-acoustiques sont excités électroniquement. Ces transducteurs double-tonpilz sont utilisés notamment pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques basse-fréquence dans une direction déterminée.
Un des problèmes posés par ce type de transducteursest llélimination des ondes acoustiques émises par les faces arrière du pavillon.
Une solution à ce problème consiste à utiliser des bo;tiers étanches remplis de gaz. Cette solution entraîne la nécessité pour le bo;tier de résister aux pressions dlimmersion qui peuvent être élevées.
Une autre solution consiste à placer à llarrière des pavillons des masses ou des amortisseurs statiques dits "baffles"
qui absorbent le rayonnement arrière.
La présente invention propose de nouveaux moyens pour éliminer le rayonnement arrière qui constituent une solution nouvelle de ce problème.
Un procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on ménage des ouvertures dans la paroi latérale dudit boltier et qu'on - place dans la cavité délimitée par ladite paroi, les faces arrière des pavillons et lesdits moteurs électro-acoustiques, des tubes élastiques fermés à leurs deux extrémités et remplis de gaz et l'on détermine les dimensions et les positions desdites ouvertures et desdits tubes, de telle sorte que la fréquence de Helmholtz de ladite cavité soit voisine dela fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques, ladite contre-masse et lesdits pavillons.
Selon un procédé préférentiel, on détermine les dimensions et les positions des ouvertures latérales du boîtier et des tubes élastiques, de telle sorte que la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité délimitée par le boîtier, par les faces arrière des pavillons et par les moteurs électro-acoustiques soit inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs électro-acoustiques, les deux pavillons et la contre-masse centrale, ce qui a pour effet d'élargir la bande passante du transducteur vers les basses fréquences.
L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs du type double-tonpilz, dans lesquels l'énergie rayonnée par les faces arrière des pavillons est utilisée en grande partie pour ?
mettre en résonance la cavité delimitée par le boltier, de sorte que lrinfluence dece~ayonnement en dehorsduboltier n'estpas en opposition de phase avec le rayonnement émis par les pavillons et on évite ainsi toute interférence parasite du rayonnement arrière avec les ondes émises par les faces avant des pavillons.
Les transducteurs selon l'invention, dans lesquels les ouvertures latérales du boîtier ainsi que les tubes sont dimensionnés et positionnés pour que la fréquence de résonance de Helmholtz soit inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales des deux moteurs électro-acoustiques, de la contre-masse et des deux pavillons sont des transducteurs ayant une bande passante élargie vers les basses fréquences. Par exemple, un transducteur selon l'invention ayant une fréquence fondamentale de vibrations axiales de l'ordre de 900 Hz et une fréquence de résonance ~P ~Dlmholtz de l'ordre de 650 Hz a une bande passante comprise entre 600 Hz et 1000 Hz avec un niveau d'émission ramené à 1mètre expriméen micro-pascal par volt supérieur à 130 db dans toute la bande passante.
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de transducteurs électro-acoustiques selon l'invention.
La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un transducteur électro-acoustique selon l'invention.
La figure 2 est une demi-coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention.
La figure 3 est une demi-coupe transversale de la figure 2.
La figure 4 est une demi-coupe transversale d'un deuxième mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention.
La figure 5 est un diagramme qui représente le niveau d'émission d'un transducteur selon l'invention en fonction de la fréquence d'excitation.
La figure 1 représente une coupe axiale schématique d'un transducteur électro-acoustique du type double-tonpilz, qui comporte deux moteurs électro-acoustiques la, lb, qui sont par exemple deux empilements de plaquettes de céramiques piézo-électriques. Les deux moteurs la, lb sont placés de part et dlautre d'une contre-masse centrale 2. Ils sont placés entre deux pavillons 3a, 3b.
Les moteurs, la contre-masse et les deux pavillons sont alignés suivant un axe commun x xl.
Habituellement, cet ensemble est placé à llintérieur dlun boîtier rigide 4, qui est généralement un boîtier cylindrique coaxial qui est ouvert à ses deux extrémités axiales où se trouvent les deux pavillons 3a, 3b dont les faces externes sont en contact avec un liquide dans lequel le boîtier est plongéet ces faces externes constituent deux surfaces émettrices dlondes acoustiques dans le liquide.
Ces transducteurs de type double-tonpilz, sont bien connus de llhomme de llart.
Un des problèmes posés par ce type de transducteur est celui de llélimination ou de la réduction des ondes acoustiques émises par les faces arrière des pavillons.
T ~ nre.~ente invention procure une solution nouvelle à ce problème.
Le boîtier 4 d'un transducteur selon l'invention, comporte des ouvertures latérales 5, par lesquelles le liquide pénètre à l'intérieur du boîtier. Il comporte des tubes 6 en ~n matériau élastique qui sont fermés à leurs deux extrémités et qui sont remplis de gaz.
Les tubes 6 sont situés dans la cavité 7 délimitée par les moteurs la, lb, par les faces arrière du pavillon et par les parois latérales du boîtier 4. De préférence, ils ont une forme aplatie et ils sont disposés avec leurs génératrices parallèles à
l'axe x xl.
Les ondes acoustiques émises par les faces arrière des pavillons dans la cavité 7, déforment élastiquement les tubes et la cavité contenant les tubes a une fréquence propre qui peut rentrer en résonance avec la fréquence d'excitation. Ce phénomène est connu des physiciens sous la dénomination de résonance de Helmholtz.
Si l'on considère un récipient ayant une paroi rigide qui délimite une cavité remplie de fluide qui communique avec l'extérieur par u'n col et si l'on excite acoustiquement le fluide contenu dans cette cavité~pour une certaine fréquence d'excitation, il se produit une résonance dite résonance de Helmholtz. Dans le cas présent, la cavité 7 contenant les tubes 6 remplit la fonction de cavité de Helmholtz et les ouvertures constituent le col de la cavité.
Lorsque le pavillon vibre, il crée un flux direct d'ondes acoustiques par la face avant et un flux inverse par la face arrière, qui est égal et de signe opposé au flux direct.
Si la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité 7 correspond à la fréquence d'excitation, le flux inverse fait résonner la cavité 7 et, sous certaines conditions, l'émission acoustique du col du résonateur, c'est-à-dire des ouvertures 5 se trouve/en phase avec le flux direct et le niveau sonore résultant est la somme vectorielle du flux direct et du flux émis par le col du résonateur.
On sait calculer la fréquence de résonance d' Helmholtz d'une cavité donnée ou la mesurer expérimentalement et on peut donc déterminer la nature, la forme, la dimension et la disposition des tubes ai~- n~ C;~nc~ ~es ouvertures 5 pour que la fréquences d'Helmholtz soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de compression-dilatation de l'ensemble mécanique constitué par les deux moteurs la, lb, la contre-masse DESCRIPTION
Electro-acoustic processes and transducers for emitting low frequency acoustic waves in a liquid.
The present invention relates to methods for emit low frequency acoustic waves in a liquid, by means of electro-acoustic transducers of the double-tonpilz type and transducers which implement these methods.
The technical sector of the invention is that of construction of electro-acoustic transducers.
We know electro-acoustic transducers, in particular piezoelectric, called double-tonpilz, which comprise a rigid cylindrical case, open at both ends and, at inside said case, arranged coaxially therewith, two identical electro-acoustic motors, for example two stacks piezoelectric plates which are grained and placed on the side and on the other side of a central counterweight and / two pavilions. The faces of the two pavilions are located in the plane of the ends axial of the housing; so that they are in contact with the liquid in which the case is immersed.
The external faces emit waves in the liquid acoustic when electro-acoustic motors are energized electronically. These double-tonpilz transducers are used especially for emitting low acoustic waves into water frequency in a specific direction.
One of the problems posed by this type of transducer is the elimination of the acoustic waves emitted by the rear faces.
of the pavilion.
One solution to this problem is to use third party bo gas-tight. This solution leads to the need for the housing to resist immersion pressures which may be high.
Another solution is to place behind pavilions of masses or static shock absorbers called "baffles"
which absorb rear radiation.
The present invention provides new means for eliminate rear radiation which is a solution news of this problem.
A method according to the invention is characterized by the fact that openings are made in the side wall of said bolt bowl and that - place in the cavity delimited by said wall, the faces rear of the pavilions and said electro-acoustic motors, elastic tubes closed at both ends and filled with gas and determining the dimensions and the positions of said openings and said tubes, so that the frequency of Helmholtz of said cavity is close to the fundamental frequency axial vibrations of the mechanical assembly formed by said electro-acoustic motors, said counter-mass and said pavilions.
According to a preferred method, the dimensions are determined and the positions of the side openings of the housing and the tubes elastic, so that the resonant frequency of Helmholtz of the cavity delimited by the case, by the faces rear of the pavilions and by the electro-acoustic motors either lower than the fundamental frequency of the axial vibrations of the mechanical assembly constituted by the two electro-acoustic, the two pavilions and the central counterweight, which has the effect of widening the bandwidth from the transducer towards the low frequencies.
The invention results in new transducers of the double-tonpilz type, in which the energy radiated by back sides of pavilions is used largely for?
to resonate the cavity delimited by the boltier, so that the influence of this ~ seasoning outside ofdolier is not in opposition in phase with the radiation emitted by the pavilions and this avoids any spurious interference from the rear radiation with the waves emitted by the front faces of the pavilions.
The transducers according to the invention, in which the side openings of the housing as well as the tubes are dimensioned and positioned so that the Helmholtz resonant frequency is lower than the fundamental frequency of the axial vibrations of two electro-acoustic motors, counterweight and both horns are transducers with an extended bandwidth towards the low frequencies. For example, a transducer according to the invention having a fundamental frequency of axial vibrations of the order of 900 Hz and a resonance frequency ~ P ~ Dlmholtz of the order of 650 Hz has a bandwidth between 600 Hz and 1000 Hz with an emission level reduced to 1 meter expressed micro-pascal per volt greater than 130 db throughout the bandwidth.
The following description refers to the accompanying drawings which represent, without any limiting character, examples of production of electro-acoustic transducers according to the invention.
Figure 1 is a schematic axial section of a electro-acoustic transducer according to the invention.
Figure 2 is an axial half-section of a first mode for producing a transducer according to the invention.
Figure 3 is a half cross-section of the figure 2.
Figure 4 is a half cross-section of a second embodiment of a transducer according to the invention.
Figure 5 is a diagram representing the level emission of a transducer according to the invention according to the excitation frequency.
Figure 1 shows a schematic axial section of a electro-acoustic transducer of the double-tonpilz type, which comprises two electro-acoustic motors la, lb, which are for example two stacks of piezoelectric ceramic plates. The two motors 1a, 1b are placed on either side of a counterweight central 2. They are placed between two pavilions 3a, 3b.
The engines, the counterweight and the two flags are aligned along a common axis x xl.
Usually this set is placed inside a rigid housing 4, which is generally a cylindrical housing coaxial which is open at its two axial ends where are the two pavilions 3a, 3b whose external faces are in contact with a liquid in which the case is immersed and these external faces constitute two acoustic wave emitting surfaces in the liquid.
These double-tonpilz type transducers are well known of the man of art.
One of the problems with this type of transducer is that of the elimination or reduction of acoustic waves emitted by the rear faces of the pavilions.
T ~ nre. ~ Ente invention provides a new solution to this problem.
The housing 4 of a transducer according to the invention, has side openings 5, through which the liquid gets inside the case. It has tubes 6 in ~ n elastic material which are closed at both ends and which are filled with gas.
The tubes 6 are located in the cavity 7 delimited by the motors 1a, 1b, by the rear faces of the roof and by the side walls of the housing 4. Preferably, they have a shape flattened and they are arranged with their generators parallel to the x xl axis.
The acoustic waves emitted by the rear faces of pavilions in cavity 7, elastically deform the tubes and the cavity containing the tubes has a natural frequency which can return to resonance with the excitation frequency. This phenomenon is known to physicists as the resonance of Helmholtz.
Considering a container with a wall rigid which delimits a cavity filled with fluid which communicates with the outside by a collar and if we acoustically excite the fluid contained in this cavity ~ for a certain frequency of excitation, there is a resonance called resonance of Helmholtz. In this case, the cavity 7 containing the tubes 6 fulfills the Helmholtz cavity function and the openings constitute the neck of the cavity.
When the horn vibrates, it creates a direct flow of waves acoustic from the front and reverse flow from the front back, which is equal and of opposite sign to the direct flow.
If the Helmholtz resonance frequency of the cavity 7 corresponds to the excitation frequency, the reverse flow resonates cavity 7 and, under certain conditions, acoustic emission resonator neck, i.e. openings 5 is located phase with the direct flux and the resulting sound level is the sum of the direct flux and the flux emitted by the resonator neck.
We know how to calculate the Helmholtz resonance frequency of a given cavity or measure it experimentally and we can therefore determine the nature, shape, size and arrangement of tubes ai ~ - n ~ C; ~ nc ~ ~ es openings 5 so that the Helmholtz frequencies be close to the fundamental frequency axial compression-expansion vibrations of the assembly mechanical consisting of the two motors 1a, 1b, the counterweight
2 et les deux pavillons 3a, 3b.
Lorsque la fréquence d'Helmholtz de la cavité avec ses tubes est voisine de la fréquence d'émission, la résonance de Helmholtz a lieu et le maximum de l'énergie acoustique rayonnée par les faces arrière des pavillons sert à entretenir la résonance de Helmholtz et la propagation à l'extérieur du boîtier d'ondes acoustiques indésirables se trouve dont nettement atténuée.
Avantageusement, on calcule les tubes et les ouvertures 5 pour que la fréquence de résonance de Helmholtz soit légèrement inférieure à la fréquence fondamentale de l'ensemble mécanique constitué par le transducteur double-tonpilz, ce qui permet d'élargir la bande passante du transducteur vers les basses fréquences.
Les figures 2 et 3 sont une demi-coupe axiale et une demi-coupe transversale d'un premier mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères sur les figures 1, 2 et 3.
Le boîtier 4 comporte une ouverture périphérique 5 qui est symétrique par rapport au plan médian PP' perpendiculaire à
l'axe x xl.
La Contre-masse 2 porte une plaque centrale 8 en forme de disque, dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur du boîtier 4.
Ce disque porte sur ses deux faces des encoches qui recoivent les tubes 6 visibles sur la figure 3. Les tubes 6 ne sont pas représentés sur la figure 2 pour la clarté du dessin.
La figure 3 représente un mode de réalisation dans lequel les tubes 6 ont une forme aplatie et sont disposés radialement.
Le disque 8 porte,à sa périphérie, quatre pièces de fixation 9, disposées en croix. Chaque pièce 9 est fixée à la périphérie du disque et comporte deux bras 10 qui s'étendent de part et d'autre du disque et qui sont fixés par des boulons 11 aux parois latérales du boîtier 4 s'étendant de part et d'autre de l'ouverture 5. Ces pièces 9, 10 ont pour fonction de relier mécaniquement entre elles les deux parties du boltier 4 séparées _ _ _ _ _ par l'ouverture 5.
Les dimensions, la forme, la nature et la disposition des tubes 6 ainsi que les dimensions de l'ouverture 5 varient avec la taille du transducteur. Elles sont calculées pour que la fréquence de résonance de Helmholtz de la cavité 7 ayant un col et contenant les tubes 6, soit voisine et, de préférence, légèrement inférieure à la fréquence fondamentale des vibrations axiales du transducteur double-tonpilz.
Les parois du boltier 4 sont des parois épaisses, métalliques ou en matériaux composite qui sont très rigides et qui ne vibrent pas. Les tubes 6 sont composés d'un matériau très élastique tel que de l'acier à ressorts ou des stratifiés en fibre de verre ou de carbone. La forme aplatie des tubes est une forme préférentielle qui favorise les vibrations en flexion des parois latérales des tubes.
La figure 4 représente une demi-coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères. Dans ce mode de réalisation, les tubes 6 ne sont pas disposés radialement.
Ils sont placés en éventail, c'est-à-dire que chaque tube est placé
obliquement par rapport à la direction radiale.
La figure 5 est un diagramme qui représente en abscisses les fréquences d'excitation et en ordonnées, le niveau d'émission d'un transducteur selon l'invention exprimé en décibels, c'est-à-dire le logarithme de la pression en micropascal obtenue pour une excitation de 1 volt, mesurée à 1 mètre du transducteur. Ce diagramme correspond à un transducteur ayantune ouverture latérale 5, ayant une largeur de 15 cm et contenant 17 tubes 6.
Ce diagramme montre que l'on obtient une bande passante ayant une largeur comprise entre 600 Hz et 1000 Hz. La courbe Cl représente le niveau d'émission SV sur l'axe du transducteur et la courbe C2 le niveau d'émission SV dans unplan normal à l'axe du transducteur. 2 and the two flags 3a, 3b.
When the Helmholtz frequency of the cavity with its tubes is close to the emission frequency, the resonance of Helmholtz takes place and the maximum of the acoustic energy radiated by the rear faces of the pavilions is used to maintain the resonance of Helmholtz and propagation outside the wave box unwanted acoustic is found which significantly attenuated.
Advantageously, the tubes and the openings 5 are calculated so that the Helmholtz resonant frequency is slightly lower than the fundamental frequency of the mechanical assembly constituted by the double-tonpilz transducer, which allows to widen the bandwidth of the transducer towards the low frequencies.
Figures 2 and 3 are an axial half-section and a half cross-section of a first embodiment of a transducer according to the invention. The counterparts are represented by the same references in Figures 1, 2 and 3.
The housing 4 has a peripheral opening 5 which is symmetrical with respect to the median plane PP 'perpendicular to the x xl axis.
Counterweight 2 has a shaped central plate 8 disc, whose outside diameter is substantially equal to inner diameter of the housing 4.
This disc carries on its two faces notches which receive the tubes 6 visible in FIG. 3. The tubes 6 are not shown in Figure 2 for clarity of the drawing.
FIG. 3 represents an embodiment in which tubes 6 have a flattened shape and are arranged radially.
The disc 8 carries, at its periphery, four pieces of fixing 9, arranged in a cross. Each piece 9 is attached to the periphery of the disc and has two arms 10 which extend from on either side of the disc and which are fixed by bolts 11 to the side walls of the housing 4 extending on either side of the opening 5. These parts 9, 10 have the function of connecting mechanically between them the two parts of boltier 4 separated _ _ _ _ _ through the opening 5.
The dimensions, shape, nature and arrangement of tubes 6 as well as the dimensions of the opening 5 vary with the size of the transducer. They are calculated so that the Helmholtz resonance frequency of the cavity 7 having a neck and containing the tubes 6, either adjacent and, preferably, slightly lower than the fundamental frequency of vibrations axial of the double-tonpilz transducer.
The walls of boltier 4 are thick walls, metallic or composite materials which are very rigid and which do not vibrate. The tubes 6 are made of a very elastic such as spring steel or fiber laminate glass or carbon. The flattened shape of the tubes is a shape preferential which favors the flexural vibrations of the walls side of the tubes.
Figure 4 shows a half cross-section of a another embodiment of a transducer according to the invention. The homologous parts are represented by the same marks. In this embodiment, the tubes 6 are not arranged radially.
They are placed in a fan, i.e. each tube is placed obliquely to the radial direction.
Figure 5 is a diagram which represents on the abscissa excitation frequencies and ordinate, emission level of a transducer according to the invention expressed in decibels, that is to say the logarithm of the micropascal pressure obtained for a 1 volt excitation, measured 1 meter from the transducer. This diagram corresponds to a transducer having a lateral opening 5, having 15 cm wide and containing 17 tubes 6.
This diagram shows that we obtain a bandwidth having a width between 600 Hz and 1000 Hz. The curve Cl represents the emission level SV on the axis of the transducer and the curve C2 the emission level SV in a plane normal to the axis of the transducer.