CA2469303A1 - Antenne acoustique a grande puissance d'emission - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les antennes acoustiques haute fréquence à grande puissance d'émission. Elle consiste, à réaliser la couche arrière (201) d'une telle antenne avec une mousse thermiquement conductrice. Elle permet de doubler sensiblement la puissance d'émission.
Description
ANTENNE ACOUSTIQUE A GRANDE PUISSANCE D'ÉMISSION
La présente invention se rapporte aux antennes acoustiques, c'est-à-dire aux dispositifs qui permettent d'émettre, à partir de signaux électriques, des ondes acoustiques, sonores ou ultrasonores, dans l'eau. De telles antennes sont en particulier utilisées dans les sonars. L'invention permet notamment d'émettre une puissance acoustique importante, voire très importante, avec une telle antenne. .
II est connu dans le domaine du traitement de signal, et en particulier dans les sonars, utilisant de telles antennes, que plus la durée T
des impulsions émises est grande, plus le gain de traitement, qui est proportionnel au produit BT (B : bande de fréquence), est grand, et donc plus les performances en détection sont augmentées.
On connaît des transducteurs haute fréquence, typiquement pour des fréquences d'émission supérieures à 50 KHz, constitués de l'empilement de couches dites "avant" (lame(s) d'adaptation et/ou membrane d'étanchéité), d'une couche de matériau actif (transduction électrique/acoustique), et de couche (s) dites "arrière(s)" ou "backing".
Les phénomènes d'échauffement dans la couche de matériau 2o actif, dues aux pertes diélectriques et mécaniques, limitent la puissance crête d'émission lorsque l'on augmente la durée d'impulsion. Ainsi, pour un matériau constitué de céramiques piézoélectriques, le fonctionnement typique d'un transducteur suit grossièrement le profil indiqué sur la figure 1.
Cette limitation du niveau de puissance admissible en impulsions longues est liée à l'utilisation, aussi bien pour les lames d'adaptation, le backing et également la membrane étanche de fermeture, de matériaux ayant une faible conductivité thermique. En effet, selon l'art antérieur, ces éléments sont réalisés à partir de matériaux comportant une matrice en élastomère (caoutchoucs, polyuréthannes, silicones) ou en résine, 3o notamment époxyde, assurant une mauvaise évacuation vers la structure porteuse, ou l'eau de mer, de la chaleur générée par le transducteur.
On connaît des matériaux thermiquement conducteurs se présentant sous la forme de mousses. On citera notamment les mousses métalliques d'aluminium, de nickel, de nickel-chrome, de cuivre ou d'acier, ainsi que les mousses non métalliques en carbone ou en carbure de silicium.
Ces mousses présentent une conductivité thermique environ 20 fois
La présente invention se rapporte aux antennes acoustiques, c'est-à-dire aux dispositifs qui permettent d'émettre, à partir de signaux électriques, des ondes acoustiques, sonores ou ultrasonores, dans l'eau. De telles antennes sont en particulier utilisées dans les sonars. L'invention permet notamment d'émettre une puissance acoustique importante, voire très importante, avec une telle antenne. .
II est connu dans le domaine du traitement de signal, et en particulier dans les sonars, utilisant de telles antennes, que plus la durée T
des impulsions émises est grande, plus le gain de traitement, qui est proportionnel au produit BT (B : bande de fréquence), est grand, et donc plus les performances en détection sont augmentées.
On connaît des transducteurs haute fréquence, typiquement pour des fréquences d'émission supérieures à 50 KHz, constitués de l'empilement de couches dites "avant" (lame(s) d'adaptation et/ou membrane d'étanchéité), d'une couche de matériau actif (transduction électrique/acoustique), et de couche (s) dites "arrière(s)" ou "backing".
Les phénomènes d'échauffement dans la couche de matériau 2o actif, dues aux pertes diélectriques et mécaniques, limitent la puissance crête d'émission lorsque l'on augmente la durée d'impulsion. Ainsi, pour un matériau constitué de céramiques piézoélectriques, le fonctionnement typique d'un transducteur suit grossièrement le profil indiqué sur la figure 1.
Cette limitation du niveau de puissance admissible en impulsions longues est liée à l'utilisation, aussi bien pour les lames d'adaptation, le backing et également la membrane étanche de fermeture, de matériaux ayant une faible conductivité thermique. En effet, selon l'art antérieur, ces éléments sont réalisés à partir de matériaux comportant une matrice en élastomère (caoutchoucs, polyuréthannes, silicones) ou en résine, 3o notamment époxyde, assurant une mauvaise évacuation vers la structure porteuse, ou l'eau de mer, de la chaleur générée par le transducteur.
On connaît des matériaux thermiquement conducteurs se présentant sous la forme de mousses. On citera notamment les mousses métalliques d'aluminium, de nickel, de nickel-chrome, de cuivre ou d'acier, ainsi que les mousses non métalliques en carbone ou en carbure de silicium.
Ces mousses présentent une conductivité thermique environ 20 fois
2 supérieure à celle des composites du type résine époxyde chargée utilisés comme matériaux d'adaptation ou de backing dans les transducteurs haute fréquence correspondant à l'art antérieur. Elle est 50 fois supérieure à celle des caoutchoucs constituant les membranes étanches utilisées dans ces transducteurs.
On connaît du brevet allemand 19 623 035 déposé par la société
STN Atlas, un transducteur basse fréquence dont le pavillon et/ou la masse arriére sont constitués d'un métal expansé dont la densité est ajustée pour obtenir une fréquence de résonance déterminée.
Pour cela le pavillon et/ou la masse arrière sont obtenus par moulage du métal de base avec une dose adéquate d'agent moussant.
Toutefois ce procédé de fabrication est difficile à mettre en oeuvre et à
contrôler, ce qui présente un sérieux inconvénient.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur selon une antenne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprenant un empilement formé d'au moins une couche avant de protection, d'au moins une couche de matériau actif et d'au moins une couche arrière formant réflecteur, principalement caractérisée en ce que cette couche arrière est constitué d'une mousse thermiquement conductrice.
20 Selon une autre caractéristique, la couche arrière est collée sur une face à la couche de matériau actif et elle est appliquée sur l'autre face à
un support métallique en contact avec le milieu où est plongée l'antenne et la couche de matériau actif est formée de colonnes de céramique piézo électrique.
25 Selon une autre caractéristique, la couche arrière est formée de mousse métallique.
Selon une autre caractëristique, cette mousse métallique est compressée.
Selon une autre caractéristique, un circuit imprimé de connexion 3a électrique est inséré entre la couche avant et la couche de matériau actif et un film métallique est inséré entre la couche active et la couche arrière et formant le point froid.
Selon une autre caractéristique, elfe comporte un film métallique inséré entre la couche avant et la couche de matériau actif et formant le point
On connaît du brevet allemand 19 623 035 déposé par la société
STN Atlas, un transducteur basse fréquence dont le pavillon et/ou la masse arriére sont constitués d'un métal expansé dont la densité est ajustée pour obtenir une fréquence de résonance déterminée.
Pour cela le pavillon et/ou la masse arrière sont obtenus par moulage du métal de base avec une dose adéquate d'agent moussant.
Toutefois ce procédé de fabrication est difficile à mettre en oeuvre et à
contrôler, ce qui présente un sérieux inconvénient.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur selon une antenne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprenant un empilement formé d'au moins une couche avant de protection, d'au moins une couche de matériau actif et d'au moins une couche arrière formant réflecteur, principalement caractérisée en ce que cette couche arrière est constitué d'une mousse thermiquement conductrice.
20 Selon une autre caractéristique, la couche arrière est collée sur une face à la couche de matériau actif et elle est appliquée sur l'autre face à
un support métallique en contact avec le milieu où est plongée l'antenne et la couche de matériau actif est formée de colonnes de céramique piézo électrique.
25 Selon une autre caractéristique, la couche arrière est formée de mousse métallique.
Selon une autre caractëristique, cette mousse métallique est compressée.
Selon une autre caractéristique, un circuit imprimé de connexion 3a électrique est inséré entre la couche avant et la couche de matériau actif et un film métallique est inséré entre la couche active et la couche arrière et formant le point froid.
Selon une autre caractéristique, elfe comporte un film métallique inséré entre la couche avant et la couche de matériau actif et formant le point
3 froid, et un circuit imprimé et un film isolant insérés entre la couche de matériau actif et la couche arrière.
Selon une autre caractéristique, l'anténne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprend un empilement formé
d'au moins une couche avant de protection, d'au moins une couche de matériau actif et d'au moins une couche arrière formant réflecteur, la couche est constituée d'une plaque en mousse métallique à cellules ouvertes remplie d'un matériau réalisant l'adaptation acoustique, la couche avant est collée à la couche de matériau actif par l'intermédiaire d'un film métallique 1 o formant le point froid, et elle comporte un circuit imprimé inséré entre la couche de matériau actif la couche arrière.
Selon une autre caractéristique, la couche arrière est constituée d'une mousse thermiquement conductrice.
Selon une autre caractéristique, l'antenne acoustique constitue ~5 l'antenne d'émission ou l'antenne d'émission/réception d'un sonar d'imagerie sous-marine.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent 20 - la figure 1, le graphique puissance maximale/durée d'impulsion d'un transducteur de l'art connu; et - les figures 2 à 5, des vues en coupe de transducteurs suivant différentes formes de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe dans le plan 25 vertical d'un transducteur haute fréquence disposé pour former une antenne sonar selon l'invention. Cette antenne est formée de plusieurs colonnes de transducteurs juxtaposés (ici des cubes en céramique piézoélectrique).
Suivant une réalisation préférée de l'invention, la pièce arrière formant le "backing" de chaque colonne est constituée d'une plaque en 30 mousse métallique.
Une telle mousse est disponible dans le commerce sous forme de plaques. Dans un exemple de réalisation de l'invention, on utilise un produit référencé DUOCEL 10 PPI , disponible chez la société ERG (USA). Cette mousses à cellules ouvertes est à base d'Aluminium et possède les 35 caractéristiques suivantes
Selon une autre caractéristique, l'anténne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprend un empilement formé
d'au moins une couche avant de protection, d'au moins une couche de matériau actif et d'au moins une couche arrière formant réflecteur, la couche est constituée d'une plaque en mousse métallique à cellules ouvertes remplie d'un matériau réalisant l'adaptation acoustique, la couche avant est collée à la couche de matériau actif par l'intermédiaire d'un film métallique 1 o formant le point froid, et elle comporte un circuit imprimé inséré entre la couche de matériau actif la couche arrière.
Selon une autre caractéristique, la couche arrière est constituée d'une mousse thermiquement conductrice.
Selon une autre caractéristique, l'antenne acoustique constitue ~5 l'antenne d'émission ou l'antenne d'émission/réception d'un sonar d'imagerie sous-marine.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent 20 - la figure 1, le graphique puissance maximale/durée d'impulsion d'un transducteur de l'art connu; et - les figures 2 à 5, des vues en coupe de transducteurs suivant différentes formes de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe dans le plan 25 vertical d'un transducteur haute fréquence disposé pour former une antenne sonar selon l'invention. Cette antenne est formée de plusieurs colonnes de transducteurs juxtaposés (ici des cubes en céramique piézoélectrique).
Suivant une réalisation préférée de l'invention, la pièce arrière formant le "backing" de chaque colonne est constituée d'une plaque en 30 mousse métallique.
Une telle mousse est disponible dans le commerce sous forme de plaques. Dans un exemple de réalisation de l'invention, on utilise un produit référencé DUOCEL 10 PPI , disponible chez la société ERG (USA). Cette mousses à cellules ouvertes est à base d'Aluminium et possède les 35 caractéristiques suivantes
4 densité : 0,21 g/cm3 épaisseur habituelle des plaques : 13 mm diamètre des cellules : - 0.6 mm avec une porosité de 10 PPI
conductivité thermique des ligaments : 237 W/mK
s conductivité thermique de la mousse : 3.04 W/mK
La plaque sélectionnée est avantageusement compressée mécaniquement à froid de manière à obtenir la densité voulue. Ceci permet aussi d'augmenter sa résistance à la pression. Ainsi le backing 201 a été
obtenu dans un exemple de réalisation en réduisant l'épaisseur à 4 mm pour obtenir une densité de l'ordre de 0,7 g/cm3.
Dans la réalisation préférée, le backing constitue le point froid électrique. II est donc formé d'une seule pièce qui, après été mise aux dimensions, est collée sur les colonnes de céramique 202 au moyen d'une colle époxy, par l'intermédiaire d'un film métallique 203 formant le plan de ~s masse. L'antenne proprement dite est ensuite complétée par la ou les couches avant 204 mises en place sur les colonnes de céramiques par l'intermédiaire d'un circuit imprimé 205 muni de pistes permettant, selon une technique connue, d'alimenter électriquement chaque colonne de transducteurs.
2o Comme représenté sur la figure 2, l'ensemble est placé dans un support en métal 206. Ainsi la chaleur est évacuée dans l'eau via le backing qui est mis en contact direct avec ce support. Avantageusement une pâte favorisant les échanges thermiques est insérée entre la mousse et le support. Sur la figure 2 le flux thermique est indiqué par des flèches 207.
25 Suivant une deuxième forme de réalisation, représentée en figure 3, le point froid est mis côté des couches) avant, le point chaud se trouvant côté backing. Dans cette variante, le circuit imprimé 205 muni de pistes est inséré entre les colonnes de céramiques 202 et la mousse 201. De plus un film mince 208, électriquement isolant, est placé entre le circuit imprimé et la 3o mousse, l'épaisseur et le matériau de ce film étant choisis de manière à
laisser passer le flux thermique. Entre les couches avant 204 et les colonnes de céramique 203 est inséré le film métallique 203 formant le plan de masse.
Suivant une troisième forme de réalisation, représentée en figure 4, seules la (les) couches) avant sont constituées d'une mousse 304 en s5 matériau conducteur. Cette mousse est avantageusement métallique à
cellules ouvertes, de manière à être imprégnée du matériau généralement utilisé pour les couches avant, polyuréthanne ou élastomère dans le cas d'une membrane, résine expoxy chargée au non dans le cas de lames d'adaptation. La mousse sert alors de squelette métallique permettant de
conductivité thermique des ligaments : 237 W/mK
s conductivité thermique de la mousse : 3.04 W/mK
La plaque sélectionnée est avantageusement compressée mécaniquement à froid de manière à obtenir la densité voulue. Ceci permet aussi d'augmenter sa résistance à la pression. Ainsi le backing 201 a été
obtenu dans un exemple de réalisation en réduisant l'épaisseur à 4 mm pour obtenir une densité de l'ordre de 0,7 g/cm3.
Dans la réalisation préférée, le backing constitue le point froid électrique. II est donc formé d'une seule pièce qui, après été mise aux dimensions, est collée sur les colonnes de céramique 202 au moyen d'une colle époxy, par l'intermédiaire d'un film métallique 203 formant le plan de ~s masse. L'antenne proprement dite est ensuite complétée par la ou les couches avant 204 mises en place sur les colonnes de céramiques par l'intermédiaire d'un circuit imprimé 205 muni de pistes permettant, selon une technique connue, d'alimenter électriquement chaque colonne de transducteurs.
2o Comme représenté sur la figure 2, l'ensemble est placé dans un support en métal 206. Ainsi la chaleur est évacuée dans l'eau via le backing qui est mis en contact direct avec ce support. Avantageusement une pâte favorisant les échanges thermiques est insérée entre la mousse et le support. Sur la figure 2 le flux thermique est indiqué par des flèches 207.
25 Suivant une deuxième forme de réalisation, représentée en figure 3, le point froid est mis côté des couches) avant, le point chaud se trouvant côté backing. Dans cette variante, le circuit imprimé 205 muni de pistes est inséré entre les colonnes de céramiques 202 et la mousse 201. De plus un film mince 208, électriquement isolant, est placé entre le circuit imprimé et la 3o mousse, l'épaisseur et le matériau de ce film étant choisis de manière à
laisser passer le flux thermique. Entre les couches avant 204 et les colonnes de céramique 203 est inséré le film métallique 203 formant le plan de masse.
Suivant une troisième forme de réalisation, représentée en figure 4, seules la (les) couches) avant sont constituées d'une mousse 304 en s5 matériau conducteur. Cette mousse est avantageusement métallique à
cellules ouvertes, de manière à être imprégnée du matériau généralement utilisé pour les couches avant, polyuréthanne ou élastomère dans le cas d'une membrane, résine expoxy chargée au non dans le cas de lames d'adaptation. La mousse sert alors de squelette métallique permettant de
5 rendre les lames conductrices thermiquement.
La densité voulue est ajustée à l'aide du matériau de remplissage et la mousse n'a donc pas besoin d'être compressée pour cette fonction.
Toutefois elle peut avantageusement être préalablement compressée pour augmenter les échanges thermiques. De telles mousses chargées sont 1o connues et entre autres du brevet US 3 707 401 déposé le 26.12.1972.
Dans cette forme de réalisation, seul un circuit imprimé 205 est inséré entre les colonnes de céramiques et le backing 301, lequel est réalisé
d'une seule pièce en matériau classique permettant d'obtenir l'adaptation d'impédance, par exemple en matériau alvéolaire de densité faible.
~5 Comme dans la deuxième forme de réalisation un film métallique 203 est inséré entre la (les) couches) avant et les colonnes de céramiques.
Suivant une quatrième forme de réalisation, représentée en figure 5, le backing 201 et la (les) couches) avant 304 sont réalisés en matériau conducteur, préférentiellement en mousse métallique pour le backing et en 2o mousse métallique remplie pour les couches avant.
Suivant une variante, on supprime les films métalliques insérés, soit entre le backing et les colonnes de céramiques, soit entre les couches avant et les colonnes de céramiques, en profitant du caractère conducteur des mousses métalliques.
25 Dans la réalisation préférée, la céramique atteint la température de 65° C pour une densité de puissance électrique de 110 W/cm2, contre seulement 60 W/cm2 à la même température pour un backing en matériau non conducteur thermiquement.
II est alors possible avec l'invention d'augmenter de près d'un 3o facteur 2 la durée de l'impulsion, qui est émise à un niveau de puissance constant proche de la valeur maximale admissible.
Sans sortir du cadre de l'invention, les réalisations correspondant aux figures 4 et 5 peuvent faire l'objet de variantes consistant à inverser les points chaud et froid. Dans ce cas, un film métallique sépare le backing des colonnes de transducteurs, et la (les) couches) avant sont alors isolées électriquement entre chaque colonne.
La densité voulue est ajustée à l'aide du matériau de remplissage et la mousse n'a donc pas besoin d'être compressée pour cette fonction.
Toutefois elle peut avantageusement être préalablement compressée pour augmenter les échanges thermiques. De telles mousses chargées sont 1o connues et entre autres du brevet US 3 707 401 déposé le 26.12.1972.
Dans cette forme de réalisation, seul un circuit imprimé 205 est inséré entre les colonnes de céramiques et le backing 301, lequel est réalisé
d'une seule pièce en matériau classique permettant d'obtenir l'adaptation d'impédance, par exemple en matériau alvéolaire de densité faible.
~5 Comme dans la deuxième forme de réalisation un film métallique 203 est inséré entre la (les) couches) avant et les colonnes de céramiques.
Suivant une quatrième forme de réalisation, représentée en figure 5, le backing 201 et la (les) couches) avant 304 sont réalisés en matériau conducteur, préférentiellement en mousse métallique pour le backing et en 2o mousse métallique remplie pour les couches avant.
Suivant une variante, on supprime les films métalliques insérés, soit entre le backing et les colonnes de céramiques, soit entre les couches avant et les colonnes de céramiques, en profitant du caractère conducteur des mousses métalliques.
25 Dans la réalisation préférée, la céramique atteint la température de 65° C pour une densité de puissance électrique de 110 W/cm2, contre seulement 60 W/cm2 à la même température pour un backing en matériau non conducteur thermiquement.
II est alors possible avec l'invention d'augmenter de près d'un 3o facteur 2 la durée de l'impulsion, qui est émise à un niveau de puissance constant proche de la valeur maximale admissible.
Sans sortir du cadre de l'invention, les réalisations correspondant aux figures 4 et 5 peuvent faire l'objet de variantes consistant à inverser les points chaud et froid. Dans ce cas, un film métallique sépare le backing des colonnes de transducteurs, et la (les) couches) avant sont alors isolées électriquement entre chaque colonne.
Claims (10)
1. - Antenne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprenant un empilement formé d'au moins une couche avant de protection (204), d'au moins une couche de matériau actif (202) et d'au moins une couche arrière (201) formant réflecteur, constitué d'une mousse métallique thermiquement conductrice, caractérisée en ce que l'impédance acoustique de la mousse métallique constituant la couche arrière (201) est adaptée par compression préalable la couche arrière (201) étant positionnée entre la couche de matériau actif (202) et un support métallique (206) en contact avec le milieu où est plongée l'antenne de façon à
réaliser une continuité thermique.
réaliser une continuité thermique.
2. - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche arrière (201) est collée sur une face à la couche de matériau actif et qu'elle est appliquée sur l'autre face à un support métallique (206) en contact avec le milieu où est plongée l'antenne.
3. - ~Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la couche de matériau actif (202) est formée de colonnes de céramique piézo électrique.
4. - ~Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche arrière (201) est formée de mousse métallique.
5. -~Antenne selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette mousse métallique est compressés.
6. - ~Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit imprimé de connexion électrique (205) inséré entre la couche avant (204) et la couche de matériau actif (202) et un film métallique inséré entre la couche active (202) et la couche arrière (201) et formant le point froid.
7 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un film métallique (203) inséré
entre la couche avant (204) et la couche de matériau actif (202) et formant le point froid, et un circuit imprimé (205) et un film isolant insérés entre la couche de matériau actif et la couche arrière.
entre la couche avant (204) et la couche de matériau actif (202) et formant le point froid, et un circuit imprimé (205) et un film isolant insérés entre la couche de matériau actif et la couche arrière.
8 - Antenne acoustique haute fréquence à grande puissance d'émission comprenant un empilement formé d'au moins une couche avant de protection (204), d'au moins une couche de matériau actif (202) et d'au moins une couche arrière (201) formant réflecteur, caractérisée en ce que la couche avant de protection (304) est constituée d'une plaque en mousse métallique à cellules ouvertes remplie d'un matériau l'adaptation acoustique, que la couche avant est collée à la couche de matériau actif (202) par l'intermédiate d'un film métallique (203) formant le point froid, et en ce qu'elle comporte un circuit imprimé
(205) inséré entre la couche de matériau actif la couche arrière.
(205) inséré entre la couche de matériau actif la couche arrière.
9 - Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la cruche arrière (201) est constituée d'une mousse thermiquement conductrice.
10 - Antenne acoustique selon les revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle constitue l'antenne d'émission ou l'antenne d'émission/réception d'un sonar d'imagerie sous-marine.
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