CH667356A5

CH667356A5 - Transducteur de vibration cylindrique du type a cintrage.

Info

Publication number: CH667356A5
Application number: CH1837/85A
Authority: CH
Inventors: Don J Shirley; Thomas E Owen
Original assignee: Southwest Res Inst
Priority date: 1983-10-11
Filing date: 1985-04-30
Publication date: 1988-09-30
Also published as: JPS61253998A; AU4087685A; GB8508831D0; AU579360B2; SE8501829L; GB2173670B; GB2173670A; FR2581282A1; JPH0511477B2; FR2581282B1; SE8501829D0; DE3513215A1; US4525645A; SE452687B

Description

DESCRIPTION

La présente invention est relative aux transducteurs électromécaniques et elle concerne plus particulièrement un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage. L'objet de la présente invention comprend un cylindre creux ayant deux couches qui sont liées ensemble, c'est-à-dire qu'un cylindre se trouve à l'intérieur d'un cylindre. Au moins un des cylindres est fait d'un matériau piézoélectrique polarisé dans la direction d'épaisseur. Par l'utilisation du cylindre à l'intérieur d'un cylindre, on n'obtient essentiellement aucune vibration dans la direction longitudinale, le long de l'axe du cylindre, tandis que des vibrations symétriques sont reçues ou transmises radialement par rapport à l'axe cylindrique. Ce type de configuration permet une très grande sensibilité. Par ailleurs, la fréquence de résonance mécanique peut se situer plus bas que celle d'un dispositif piézo-électrique cylindrique conventionnel ayant une longueur et un diamètre similaires. L'utilisation de deux composants cylindriques permet aussi que la même fréquence de résonance mécanique de la configuration à vibration de cintrage (ou vibration latérale de paroi de cylindre) soit spécifiée pour différentes dimensions de cylindre.

Dans une variante d'exécution utilisant un arrangement du type douves de tonneau, le fonctionnement du transducteur peut être décalé et/ou commandé par la façon dont les éléments piézoélectriques à l'intérieur du transducteur sont connectés électriquement ou sont excités.

Egalement par l'adjonction de capuchons ou capsules d'extrémité, le nœud de vibration peut être modifié, cela amenant une diminution de la fréquence de résonance.

Des transducteurs électromécaniques fonctionnant selon les principes piézoélectriques ont été utilisés dans de nombreuses formes depuis de nombreuses années. Les transducteurs bimorphiques consistent en deux plaques ou couches séparées de matériau piézo-électrique. Les deux couches sont physiquement disposées et électriquement excitées de façon qu'une couche se dilate tandis que l'autre couche se contracte. Le résultat en est la production de contraintes agissant en sens contraires dans le matériau, ce qui amène la structure composite à fléchir. La même action peut être obtenue, à un degré plus faible, si une seule couche de matériau piézo-électrique est liée à une couche ou plaque non piézo-électrique. Des transducteurs composites de ce type sont communément désignés comme étant des transducteurs à fléchissement (ou cintrage) plats en forme de plaque. Quelques-unes des configurations les plus communes de transducteurs à fléchissement comprennent: (1) les plaques rectangulaires longues qui fléchissent dans le mode de longueur; (2) les plaques carrées dans lesquelles le centre se déplace relativement aux quatre coins; et (3) les plaques circulaires dans lesquelles le centre se meut relativement au bord périphérique. Toutes ces configurations ont une structure planaire. L'exposé de brevet US N° 4 220 887, Kompa-

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nek, propose un transducteur à couche généralement cylindrique, mais une fente longitudinale empêche les vibrations symétriques. De plus, les bandes 20 limitent la vibration radiale du transducteur, laquelle est le mode primaire de fonctionnement de l'objet de la présente invention. Le transducteur de Kompanek est configuré pour limiter les mouvements circonférentiels, ce qui est contraire aux objectifs de la présente invention.

L'exposé du brevet US N° 3 215 078, Stec, divulgue le pompage d'un fluide entre des cristaux piézoélectriques 11 et 13. Il n'y a pas de liaison rigide entre la première et la seconde couche d'un cylindre creux, comme cela est revendiqué dans la présente invention. Le dispositif Stec n'a pas de vibrations symétriques (radiales) comme cela est revendiqué ici et, selon Stec, chaque cristal est apte à s'étendre et à se contracter indépendamment, même sur toute sa longueur. Dans l'objet de la présente invention, les modifications de longueur entre les couches sont opposées en interaction du fait qu'elles sont rigidement liées. Cela a pour résultat les nœuds de vibrations discutés dans cette description.

Aucun des exposés de brevets trouvés par le déposant, dont les plus relevants sont cités précédememnt, ne propose ou divulgue l'idée d'un transducteur cylindrique à double paroi avec des couches rigidement liées, fonctionnant selon le mode de flexion (en l'occurrence un cintrage). De plus, aucune des publications antérieures trouvées ne montre des vibrations symétriques autour de l'axe du cylindre.

La présente invention propose un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage.

La présente invention propose un transducteur électromécanique piézo-électrique tel que défini dans la revendication 1. On remarquera qu'il est formé d'un cylindre à deux couches, dans lequel au moins une des deux couches est faite d'un matériau piézo-électrique polarisé dans la direction de l'épaisseur, des électrodes étant liées aux faces intérieure et extérieure du matériau piézo-électrique soit pour recevoir soit pour transmettre des signaux électriques.

Le matériau piézo-électrique comprend dès électrodes liées à ses faces intérieure et extérieure soit pour transmettre des signaux électriques au matériau piézo-électrique, soit pour émettre des signaux depuis le matériau piézo-électrique. Le transducteur vibre seulement dans la direction radiale, autour de l'axe cylindrique, pour fournir des vibrations de type symétrique, cela résultant de la liaison rigide et des différences quant aux extensions ou contractions longitudinales.

Le cylindre extérieur peut être de métal ou d'un autre matériau non piézo-électrique disponible. Le cylindre extérieur empêche le matériau piézo-électrique polarisé interne de vibrer selon son axe longitudinal, du fait que la liaison rigide entre les deux cylindres transforme les mouvements longitudinaux en mouvement de flexion (cintrage). Les cylindres intérieur et extérieur suppriment les vibrations le long de l'axe longitudinal.

L'avantage de cette méthode de construction sur d'autres méthodes de construction de type cylindrique de transducteurs acoustiques consiste en ce que le mode de fonctionnement de flexion, ou cintrage, fournit un transducteur présentant une sensibilité plus élevée et une fréquence de résonance plus basse dans un dispositif présentant des dimensions physiques relativement petites.

Lors de l'utilisation en tant que transducteur-source, un signal électrique d'amplitude et de fréquence appropriées est connecté aux électrodes de la couche céramique piézo-électrique active (ou des deux couches céramiques piézoélectriques, s'il en est deux) de façon à exciter les deux couches, ce qui amène le cylindre composite à s'étendre (se gonfler) et se contracter radialement. Lors de l'utilisation en récepteur, le signal acoustique détecté applique une onde de pression ou une autre forme d'excitation de vibration sur l'extérieur du cylindre, amenant celui-ci à se resserrer (se contracter) et à s'étendre mécaniquement en réponse à l'excitation appliquée. L'expansion et la contraction du cylindre produisent un signal électrique correspondant, lequel est disponible sur les électrodes se trouvant sur la couche céramique piézo-électrique, ou les couches céramiques piézoélectriques. Des capuchons (bouchons, capsules) d'extrémité rigides peuvent être appliqués aux extrémités du cylindre, pour restreindre le déplacement à ces extrémités et par là augmenter le déplacement au centre du cylindre.

Dans une autre variante d'exécution, soit l'une des couches soit les deux couches de matériau céramique piézo-électrique peuvent être «segmentées» d'une manière similaire à des douves de tonneau, chacun des segments ayant ses propres électrodes.

Par l'utilisation d'une configuration en segments, un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage à multi-sections peut être construit, pour former un long transducteur cylindrique. Cela surmonte les difficultés antérieures dans la construction et la polarisation d'éléments céramiques piézoélectriques longs et fins ayant des dimensions dépassant approximativement six pouces en longueur. Chaque section active d'une longue structure cylindrique peut être formée par un arrangement de segments autour de l'axe cylindrique. Ces sections peuvent être disposées en rangées ordonnées ou elles peuvent être réparties pour éliminer tout mode de vibration axial. Un dispositif à flexion (cintrage) cylindrique de toute longueur désirée peut être construit en sections sans la nécessité d'utiliser pour cela des éléments de segments céramiques actifs ayant la longueur totale.

Dans une autre variante d'exécution, une série de transducteurs cylindriques à cintrage séparés peut être disposée le long d'un axe commun, de manière à pomper des liquides incompressibles.

Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, des formes d'exécution de l'objet de l'invention. Dans ce dessin:

la fig. 1 est une vue en perspective d'un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage,

la fig. 2 est une vue en coupe par la ligne 2-2 de la fig. 1, illustrant en traits pointillés la vibration des parois cylindriques,

la fig. 3 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie de là paroi cylindrique représenté à la fig. 2,

la fig. 4 est une vue en coupe d'une variante de forme d'exécution d'un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage, des lignes en traits pointillés représentant les vibrations des parois cylindriques,

la fig. 5 est un schéma-bloc illustratif d'un dispositif utilisant le transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage aussi bien comme source que comme récepteur,

la fig. 6 est une vue en perspective «éclatée» d'une variante de forme d'exécution d'un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage utilisant un arrangement du type à douves de tonneau pour le matériau piézoélectrique, le transducteur étant en mode de fonctionnement en récepteur,

la fig. 7 est une vue en coupe le long de la ligne 7-7 de la fig. 6, la fig. 8 est une vue en coupe à échelle agrandie selon la ligne 8-8 de la fig. 7, et la fig. 9 est une vue en coupe correspondant à la fig. 6, similaire à la vue en coupe montrée à la fig. 7, mais illustrant les connexions électriques pour un fonctionnement selon le mode de projecteur.

Considérant la fig. 1, on voit qu'elle illustre un transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage, désigné d'une façon générale par le signe de référence 10. Le cylindre 10 consiste en deux couches 12 et 14, la couche intérieure 12 étant liée à la couche extérieure 14 pour former le cylindre en un corps 10. Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 1, les deux couches 12 et 14 sont faites d'un matériau céramique piézo-électrique et elles sont polarisés de façon opposée dans la direction de l'épaisseur, comme cela est représenté par les flèches A et B, repectivement.

La fig. 2 est une vue en coupe correspondant à la fig. 1. Une meilleure compréhension de la construction du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10, tel que représenté en perspective à la fig. 1 et en section droite à la fig. 2, peut être obtenue en considérant la vue en coupe à échelle agrandie d'une portion de la paroi de cylindre, montrée à la fig. 3. La couche de céramique piézoélectrique intérieure 12 est rigidement liée à la couche de céramique piézoélectrique extérieure 14 à l'aide d'un agent d'adhésion adéquat

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16. L'agent de liaison, ou d'adhésion, 16 peut être un époxy adhésif ou un autre élément approprié. Un époxy rempli d'argent est proposé pour assurer une bonne connexion électrique entre les surfaces adjacentes des couches 12 et 14. Des électrodes 18 et 20 sont déposées électriquement sur les surfaces intérieure et extérieure des parois cylindriques du transducteur cylindrique 10, comme le montre la fig. 3. Les électrodes 18 et 20 sont faites d'un matériau conducteur adéquat, soit pour transmettre des signaux électriques aux couches céramiques piézo-électriques 12 et 14, soit pour recevoir des signaux électriques de ces couches 12 et 14. Ni l'agent de liaison 16, ni les électrodes 18 ou 20 ne sont d'une épaisseur suffisamment importante pour interférer avec les vibrations du transducteur cylindrique 10. Du fait que l'épaisseur des couches de l'agent adhésif 16 et des électrodes 18 et 20 est aussi faible, ces couches n'ont pas été illustrées aux fig. 1 et 2, tandis que leur épaisseur a été exagérée à la fig. 3 pour des raisons d'illustration.

Considérant maintenant la fig. 2 en combinaison avec la fig. 3, on constate que, si un signal électrique d'amplitude et de fréquence convenables est appliqué aux électrodes 18 et 20, les parois cylindriques vont vibrer par contractions et dilatations autour des nœuds 22 et 24. Les contractions et dilatations sont illustrées par les lignes en traits pointillés 26. La position des nœuds 22 et 24 est établie approximativement à Vt de la distance depuis les extrémités respectives 28 et 30 du transducteur cylindrique 10. Dans la pratique réelle, la position des nœuds 22 et 24 peut être de 1 ou 2% de moins que le quart de la distance des extrémités respectives 28 et 30, respectivement.

Le transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10 justement décrit en liaison avec les fig. 1-3 est un transducteur acoustique apte à être utilisé soit comme générateur soit comme détecteur d'ondes acoustiques dans un milieu fluide. Les deux couches 12 et 14 sont construites de façon telle que la couche 12 est assemblée en engagement de proximité immédiate avec la couche 14 et est d'une longueur égale ou légèrement plus courte. La longueur, l'épaisseur de paroi et le diamètre du transducteur cylindrique 10 affectent le domaine de fréquences de fonctionnement et la sensibilité du transducteur 10.

La polarisation du cylindre céramique peut soit être dans des directions opposées, comme illustré aux fig. 1 et 2, soit être dans la même direction. Si la polarisation est dans les directions opposées, la connexion électrique est faite à l'électrode intérieure 18 de la couche 12 et à l'électrode extérieure 20 de la couche 14 (voir fig. 3). Si la polarisation est dans la même direction, une connexion électrique est faite à l'électrode 18 et à l'électrode 20, et l'autre connexion électrique est faite à une électrode (non représentée) contenue dans l'agent adhésif 16. Dans le premier cas, où les directions de polarisation sont opposées, la connexion du transducteur cylindrique 10 peut être représentée comme étant une connexion électrique-série. Dans le second cas, où la polarisation est dans la même direction, les connexions peuvent être représentées comme étant une connexion électrique en parallèle.

Dans une variante de forme d'exécution, soit la couche 12 soit la couche 14 peut être remplacée par un matériau inactif, tel qu'un métal, une céramique non polarisée, ou un verre. Une des formes d'exécution les plus appréciées se présente lorsque la couche extérieure 14 est remplacée par un cylindre de métal qui peut fournir un blindage à l'égard des champs électriques dispersés extérieurs, et pourvoit en même temps à un assemblage mécanique robuste. Cela est particulièrement vrai si des capuchons d'extrémité 32 et 34 sont placés sur chaque extrémité 28 et 30, respectivement, du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10, comme le montre la fig. 4. Il faut noter en particulier que la couche 14, précédemment expliquée en liaison avec les fig. 1-3, a été remplacée par la couche 36 de matériau métallique. La fig. 4 représente également les expansions et les contractions des parois cylindriques, cela étant illustrati-vement représenté par les lignes en traits pointillés 38 dans le cas où les capuchons d'extrémité 32 et 34 sont attachés au transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10. Il faut bien comprendre que les lignes en traits pointillés 38 (et également les lignes en traits pointillés 26 de la fig. 2) exhibent une notable exagération du mouvement des parois cylindriques aux fins d'une meilleure illustration.

La disposition des capuchons d'extrémité 32 et 34 sur chacune des extrémités 28 et 30, respectivement, du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10, déplace les nœuds 22 et 24 de vibration, tels qu'ils sont illustrés à la fig. 2, vers l'endroit immédiatement adjacent aux bouchons d'extrémité 32 et 34, les nouveaux nœuds étant représentés par les signes de référence 40 et 42, respectivement. Comme on peut le voir en comparant la fig. 2 avec la fig. 4, l'amplitude de l'expansion et de la contraction en direction radiale, par rapport à l'axe du transducteur cylindrique 10, est accrue par l'utilisation des bouchons ou capuchons d'extrémité 32 et 34. Aussi bien dans la forme d'exécution selon les fig. 1-3 que dans la forme d'exécution selon la fig. 4, il n'y a essentiellement aucune vibration longitudinale, le long de l'axe du transducteur cylindrique 10. Le cintrage de flexion provoqué par les forces piézo-électriques dans les couches respectives 12 et 14 (ou couches 12 et 36 de la fig. 4) tend à produire d'une façon prédominante une expansion et une contraction symétriques et radiales du cylindre. Du fait que les première et seconde couches sont rigidement liées l'une à l'autre, des modifications de longueur dans une couche sont opposées aux modifications de longueur dans l'autre couche. Cela provoque une vibration plus grande entre les points nodaux.

En remplaçant la couche céramique piézo-électrique 14 par la couche métallique 36, comme cela est montré à la fig. 4, la fréquence de résonance du transducteur cylindrique 10 diminue, du fait de la rigidité plus faible du métal. Cela se présente en admettant que les couches 14 et 36 auraient une épaisseur égale. Dans une forme d'exécution typique utilisée par le déposant, la couche 36 avait approximativement 1,6 mm d'épaisseur et la couche 12 avait approximativement 1,25 mm d'épaisseur.

L'épaisseur de l'agent de liaison 16 de même que l'épaisseur des électrodes 18 et 20 sont négligeables. Dans une forme d'exécution utilisée par le déposant, le diamètre du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage était d'approximativement 2 pouces et la longueur était d'approximativment 4 pouces. Avec ces dimensions-là, la fréquence de résonance était de 18 kHz.

Dans un arrangement typique tel que celui de la fig. 1, l'utilisation de deux cylindres piézo-électriques de la même épaisseur (telles les couches 12 et 14) donnerait une fréquence de résonance plus haute que l'utilisation d'un cylindre piézo-électrique et d'un cylindre métallique de la même épaisseur (comme les couches 12 et 36)

comme montré à la fig. 4. L'addition des bouchons d'extrémité 32 et 34 abaisse la fréquence de résonance.

Pour avoir un bon blindage électrique du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10, les capuchons d'extrémité 32 et 34, tels que représentés à la fig. 4, devraient être en contact électrique avec la couche métallique 36. Egalement, la couche céramique piézo-électrique 12 devrait être légèrement plus courte de façon qu'elle ne fasse pas électriquement contact avec les bouchons d'extrémité 32 et 34. De plus, l'agent adhésif 16, disposé entre les couches 12 et 36 de la fig. 4, devrait être fait d'un matériau non conducteur. L'agent adhésif 16 peut également s'étendre entre les extrémités de la couche 12 et les capuchons d'extrémité 32 et 34 pour assurer l'isolation électrique. Les électrodes 18 et 20 devraient être déposées électriquement sur les deux côtés de la couche 12, mais ni l'électrode 18 ni l'électrode 20 ne se trouvera en contact électrique avec le métal soit de la couche 36 soit des capuchons d'extrémité 32 et 34. Il est évident qu'une connexion adéquate devra être établie à l'un des capuchons d'extrémité 32 ou 34 pour établir la connexion électrique avec les électrodes 18 et 20.

On considérera maintenant la fig. 5, qui est un schéma-bloc typique d'un dispositif de mesure acoustique utilisant un transducteur de vibration cylindrique, du type à cintrage, blindé, tel que montré à la fig. 4. Un générateur d'ondes sinusoïdales, commandé par effet de portes à fréquence variable, fournit un signal à un amplificateur de puissance 46. L'amplificateur de puissance 46 aura une

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impédance de sortie tyique d'approximativement 1 kß. Dans l'amplificateur de puissance 46, l'onde sinusoïdale provenant du générateur d'ondes 44 commandé par effet de portes à fréquence variable est amplifiée puis amenée au transducteur blindé de source (ou projecteur). Le blindage, tel qu'il est représenté par les lignes en traits pointillés 50, est effectivement fourni par les capuchons d'extrémité métalliques 32 et 34 et par la couche métallique 36, comme précédemment décrit en liaison avec la fig. 4. La vibration des parois du cylindre (comme cela a été décrit en liaison avec la fig. 4) amène les ondes de vibration à être transmises sur un milieu acoustique 54. Un tel milieu acoustique typique 54 serait typiquement l'eau.

Les ondes vibrantes 52 sont reçues par le transducteur-récepteur blindé 56, le blindage étant représenté par les lignes en traits pointillés 58. A nouveau, le blindage 58 peut être fourni par des capuchons d'extrémité 32 et 34 du type métallique et par la couche 36, comme cela a été précédemment décrit en liaison avec la fig. 4. Un préamplificateur 60 est également contenu à l'intérieur du blindage 58, ce préamplificateur ayant une impédance d'entrée typique d'approximativement 10 MÎ2. Le préamplificateur 60 amplifie le signal avant sa transmission, à l'aide d'une connexion adéquate, par l'un des capuchons d'extrémité 32 et 34, jusqu'à un dispositif d'affichage adéquat 62.

Un arrangement typique dans lequel les déposants ont utilisé la forme d'exécution illustrée aux fig. 4 et 5 a été établi pour mesurer les vibrations dans une formation souterraine par la création d'une perturbation dans des trous de perçage, tels que ceux que l'on a lors du forage pour un puits de pétrole. Si elles sont adéquatement commandées par effet de portes, les ondes réfléchies peuvent être mesurées pour fournir une idée concernant les caractéristiques de la formation souterraine. Une autre forme d'exécution typique selon laquelle le système représenté à la fig. 5 peut être utilisé est prévue pour la détection ou la transmission sous-marine de signaux acoustiques, tels qu'ils se produisent dans l'océan ou dans d'autres étendues d'eau.

Selon un autre aspect (ou une autre forme d'exécution) du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage tel que montré à la fig. 4, la région intérieure du transducteur de vibration cylindrique est remplie d'un fluide incompressible 64. Lorsqu'un signal d'excitation est appliqué, les contractions radiales et les vibrations, illustrées par les lignes en traits pointillés 38, amènent le fluide incompressible 64 à être partiellement expulsé du cylindre ou au contraire tiré à l'intérieur du cylindre, de façon à produire une onde acoustique rayon-née. Du fait de la nature incompressible du fluide 64, les portions de centre des capuchons d'extrémité 32 et 34 s'incurvent vers l'intérieur ou vers l'extérieur en réponse aux contractions et expansions des parois du cylindre (la flexion des bouchons d'extrémité 32 et 34 n'a pas été illustrée à la fig. 4). Par l'utilisation de cette configuration particulière, si une vibration a été reçue le long de l'axe du cylindre, elle amènera le capuchon d'extrémité 32 ou 34 à vibrer dans sa partie médiane, vibration qui sera à son tour transmise aux parois du cylindre par la nature incompressible du fluide 64. Cela permet qu'une vibration acoustique soit reçue soit radialement soit selon l'axe du cylindre. Tandis que les parois du cylindre ne se dilatent et ne se contractent pas en direction longitudinale, les vibrations acoustiques seront reçues soit par l'intermédiaire des capuchons d'extrémité 32 ou 34, soit par l'intermédiaire des parois du cylindre, les vibrations étant représentées par les lignes en traits pointillés 38.

Egalement par l'application de signaux électriques au transducteur, des vibrations peuvent être créées dans un milieu acoustique qui rayonne aussi bien radialement, par des vibrations 38 représentées à la fig. 4, que selon l'axe du transducteur cylindrique 10, par la vibration des capsules d'extrémité 32 et 34 (non représentée à la fig. 4).

On considérera maintenant, en liaison avec les fig. 6, 7 et 8 combinées, une version modifiée du transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage 10, tel qu'il est illustré. La couche extérieure de matériau métallique 36 et les capsules ou capuchons d'extrémité 32 et 34 restent les mêmes que cela a été précédemment expliqué en liaison avec la fig. 4. On note que le capuchon d'extrémité 32 comprend une ouverture de blindage adéquate 66 à travers laquelle les connexions électriques sont faites, en partant du câble 38. Toutefois, la couche intérieure 12 de matériau céramique, telle qu'elle était précédemment décrite en liaison avec les fig. 1-4, a maintenant été remplacée par des barrettes de céramique piézo-électrique 70 qui sont disposées en un arrangement du type «en douves de tonneau». On considérera la fig. 8, qui se rapporte aux fig. 6 et 7, et qui illustre, à échelle agrandie, la section droite de l'une des douves de tonneau, et de la paroi cylindrique. La barrette de céramique piézo-électrique 70 est polarisée dans la direction représentée par la flèche, à la fig. 8. Les électrodes 72 et 74 sont déposées sur les deux côtés de la barrette céramique piézo-électrique 70. Cette barrette, avec les électrodes 70 et 72, est liée à la couche métallique 36 par l'agent de liaison 76. L'épaisseur des électrodes 72 et 74 et de l'agent adhésif 76 a été exagérée pour la commodité de l'illustration.

En revenant aux fig. 6 et 7, considérées ensemble, on voit qu'elles illustrent la manière dont sont faites les connexions des électrodes 72 et 74 des barrettes piézo-électriques respectives 70. Le préamplificateur 60 (précédemment décrit en liaison avec la fig. 5) est connecté à deux des électrodes 72 et 74, par des fils conducteurs 78. La connexion entre les électrodes séparées 72 ou 74 des barrettes céramiques piézo-électriques séparées 70 est montrée par le dessin des fig. 6 et 7, et l'on voit que les barrettes piézo-électriques individuelles 70, avec leurs électrodes respectives 72 et 74, sont connectées en série au moyen de fils conducteurs 84. Le préamplificateur 60 est connecté au câble 38 par des fils conducteurs 80.

La configuration représentée aux fig. 6 et 7 convient de façon idéale en tant que transducteur-récepteur de signaux acoustiques. Par la connexion en série, une impédance électrique d'entrée élevée est établie conjointement à une sensibilité en tension plus élevée à l'égard des signaux reçus, par exemple les ondes de vibration 52 représentées à la fig. 5. Une sensibilité en tension élevée est des plus désirables pour un transducteur-récepteur.

En considérant la fig. 9, on voit que le même type de transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage, à douves de tonneau, est représenté similairement à ce qui a été précédemment expliqué en liaison avec les fig. 6-8, à l'exception du fait que la connexion des barrettes céramiques piézo-électriques a maintenant été modifiée pour s'établir en un arrangement parallèle, à l'aide des fils 86 et 88, le préamplificateur n'étant plus présent. On note que l'arrangement parallèle est à nouveau connecté à un câble extérieur par l'intermédiaire de fils 82. La forme d'exécution représentée à la fig. 9 sera un transducteur-projecteur blindé, tel que ce qui est représenté par le signe de référence 48 à la fig. 5, le blindage correspondant au blindage 50 de la fig. 5. La connexion telle que représentée à la fig. 9, qui réalise un branchement parallèle, est des plus désirables pour un transducteur-source, du fait de son impédance électrique basse. Lors de l'utilisation d'un nombre élevé de transducteurs électro-mécaniques, il est désirable d'adapter l'impédance mécanique du transducteur avec l'impédance mécanique du milieu acoustique transmis. Il est également désirable d'adapter l'impédance électrique du transducteur avec les impédances de leur circuit respectif d'excitation et de réception. Par l'utilisation de la configuration décrite ci-dessus, et en particulier par l'arrangement en douves de tonneau représenté aux fig. 6-9, aussi bien l'impédance mécanique que l'impédance électrique d'un transducteur cylindrique du type à cintrage (ou à flexion) peuvent être établies pour correspondre à une variété de milieux acoustiques, une fréquence de résonance mécanique donnée pouvant aussi être spécifiée. Une combinaison de connexions parallèles et séries peut être utilisée pour réaliser l'impédance électrique voulue des circuits électriques. Des méthodes d'adaptation d'impédance mécanique peuvent être utilisées, faisant par exemple usage de différents matériaux, de différentes épaisseurs, différentes longueurs, etc., pour le transducteur de vibration cylindrique du type à cintrage. Lorsque l'impédance mécanique du transducteur-source est adaptée à celle du milieu, un maximum de rendement et de transfert d'énergie est obtenu.

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Une autre variante d'exécution de l'arrangement du type à douves de tonneau expliqué en liaison avec les fig. 6 à 9 comprend l'utilisation d'un cylindre extérieur beaucoup plus long. Les barrettes céramiques piézo-électriques peuvent soit être disposées uniformément, comme illustré à la fig. 6, avec plusieurs rangées qui s'étendent sur toute la longueur du long cylindre extérieur, soit être échelonnées autour du long cylindre, les barrettes céramiques piézo-électriques étant en aboutement extrémité à extrémité jusqu'à ce que la portion interne du cylindre soit entièrement couverte par l'arrangement du type douves de tonneau. Enfin, dans une autre variante d'exécution de la présente invention, une série de cylindres (sans capuchon d'extrémité 32 et 34) peuvent être disposés selon un arrangement de dispositifs séparés connectés en série de façon qu'ils multiplient l'effet de chaque dispositif individuel, de même que l'on peut prévoir un seul cylindre avec les arrangements du type douves de tonneau disposés en cascade en direction longitudinale. Dans un tel arrangement, par l'utilisation d'orifices restrictifs à l'une de ses extrémités, une vibration peut être amenée à démarrer à une extrémité de l'arrangement en cascade, et, par une séquence (timing) adéquate s des vibrations subséquentes le long du transducteur de vibration cylindrique allongé, du type à cintrage, un mouvement d'ondes fluides peut être créé et des fluides peuvent être pompés le long du cylindre allongé. Cela est particulièrement utile dans le pompage des fluides biologiques, tels que le sang, processus dans lesquels il est préférable io de ne pas battre le fluide biologique avec des éléments de poussage, ou piston, pour obtenir l'action de pompage. Avec une séquence (timing) appropriée, la séquence d'ondes telle que créée à une extrémité de l'arrangement en cascade est mue à travers toute la longueur du cylindre allongé, les ondes subséquentes étant similairement pro-15 pagées, en une action du type du pompage.

R

3 feuilles dessins

Claims

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REVENDICATIONS

1. Transducteur électromécanique comprenant :

un cylindre creux avec des parois formées d'une première et d'une seconde couche, au moins une desdites première et seconde couches étant un matériau piézo-électrique polarisé dans la dimension de l'épaisseur pour amener ce matériau piézo-électrique à s'étendre ou à se contracter en une direction longitudinale sous l'effet de signaux électriques qui lui sont appliqués;

des électrodes de métal liées aux faces intérieure et extérieure dudit matériau piézo-électrique, ladite première couche étant rigidement liée à ladite seconde couche par un agent de liaison;

des fils connectés auxdites électrodes de métal pour recevoir ou produire lesdits signaux électriques, ledit matériau piézo-électrique allant, lorsque lesdites électrodes de métal reçoivent lesdits signaux électriques, s'étendre ou se contracter en une direction longitudinale pour provoquer des vibrations symétriques dudit cylindre creux uniquement en direction radiale par rapport à l'axe longitudinal dudit cylindre creux, tandis que, lorsque des signaux acoustiques sont reçus, ils font vibrer symétriquement ledit cylindre creux en une direction radiale pour amener ledit matériau piézo-électrique à s'étendre ou à se contracter en direction longitudinale de façon que ledit matériau piézo-électrique engendre lesdits signaux électriques en tant que signaux transmis par lesdites électrodes de métal;

lesdites première et seconde couches étant dimensionnées pour donner approximativement des signaux électriques ou des signaux acoustiques maximum, des nœuds ou ventres étant formés par lesdites vibrations symétriques;

lesdites vibrations symétriques étant provoquées par ladite liaison rigide entre ladite première couche et ladite seconde couche et les différences quant aux extensions ou contractions longitudinales de ces couches.
2. Transducteur électromécanique selon la revendication 1, comprenant de plus des capuchons d'extrémité liés sur chaque extrémité dudit cylindre creux, ces capuchons d'extrémité déplaçant les nœuds de ladite vibration en direction de chacun desdits capuchons d'extrémité.
3. Transducteur électromécanique selon la revendication 1, dans lequel au moins une desdites première et seconde couches est un matériau métallique, ce matériau métallique se situant à l'extérieur dudit matériau piézo-électrique, ladite liaison entre ladite première et ladite seconde couche étant en un agent de liaison électriquement non conducteur pour prévenir une circulation de courant entre les couches.
4. Transducteur électromécanique selon la revendication 2, ce transducteur étant rempli d'un fluide relativement incompressible de façon que les signaux acoustiques reçus sur lesdits capuchons d'extrémité amènent ceux-ci à vibrer selon ledit axe, ce qui à son tour amène lesdites parois dudit cylindre à vibrer symétriquement en direction radiale par rapport audit axe, ou vice versa.
5. Transducteur électromécanique selon la revendication 1, dans lequel une série d'éléments transducteurs se trouve en relation d'aboutement le long d'un axe central avec un fluide logé à l'intérieur, cette série de transducteurs étant en un arrangement en cascade et étant commandée en temps pour créer un mouvement d'ondes à l'intérieur de façon à pomper ledit fluide à travers lui, avec un mouvement rythmique analogue à une onde, par contractions et dilatations de ladite série de transducteurs.
6. Transducteur électromécanique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ledit matériau piézo-électrique est divisé en segments selon le type de douves de tonneau, en un arrangement avec lequel chaque dit segment se trouve lié à la couche extérieure parmi lesdites première et seconde couches dudit cylindre creux, chaque dit segment ayant de façon séparée lesdites électrodes de métal liées par adhésion sur lesdites faces intérieure et extérieure dudit matériau piézo-électrique.
7. Transducteur électromécanique selon la revendication 6, dans lequel lesdits segments de matériau piézo-électrique sont câblés en parallèle pour une efficacité maximale en tant que transducteur-source.
8. Transducteur électromécanique selon la revendication 6, dans lequel lesdits segments de matériau piézo-électrique sont câblés en série pour une efficacité maximale en tant que récepteur.
9. Transducteur électromécanique selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits fils permettent un câblage desdits segments de matériau piézo-électrique en une quelconque de plusieurs manières, série, parallèle, combinaison série/parallèle, pour équilibrer l'impédance électrique du transducteur avec l'impédance électrique de circuits de source ou de circuits récepteurs.
10. Transducteur électromécanique selon la revendication 6,

dans lequel celle desdites première et seconde couches qui se trouve à l'extérieur est en un métal électriquement conducteur, des capuchons d'extrémité, liés par adhésion à chaque extrémité dudit cylindre creux, étant en un métal électriquement conducteur, ces capuchons d'extrémité étant électriquement connectés à ladite couche extérieure pour blinder l'intérieur dudit cylindre creux.