EP0596763A1 - Procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques basse fréquence dans un liquide en immersion illimitée - Google Patents
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- B06B1/0618—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
Definitions
- the present invention relates to methods for emitting low frequency acoustic waves in a liquid in unlimited immersion, and transducers which allow the implementation of such methods.
- the technical sector of the invention is that of the production of electro-acoustic transducers.
- the main application of the invention is the possibility of emitting acoustic waves at low frequencies and at very great depth.
- Immersible electro-acoustic transducers and in particular piezoelectric transducers, are known which comprise a rigid cylindrical housing, hollow and open at its two axial ends, and inside which two motors are arranged coaxially with it.
- identical electro-acoustics placed on either side of a central counter-mass, and whose opposite ends are surrounded by a flag.
- Said electroacoustic motors can be produced by two stacks of aligned piezoelectric plates.
- the external faces of the two flags are located in the plane of the axial ends of the housing, so that they are in contact with the liquid, in which the housing is immersed, and the external perimeter of these flags comes as close as possible to the edge. open axial ends of said housing.
- these external faces emit acoustic waves into the liquid when the electro-acoustic motors are electronically excited: these transducers are used in particular to emit low-frequency acoustic waves in water in a determined direction.
- the second category of solution overcomes the above mechanical and / or pneumatic problems, as described in the patent application FR. 2.665.998 OF 05 May 1988 filed by the French State General Delegate for Armaments: it consists in using a rigid case, but not waterproof, making it possible to delimit a cavity filled with ambient liquid behind the pavilions, in which closed elastic tubes, sealed and filled with gas, are placed such that the Helmholtz resonance frequency of the cavity is close to the fundamental frequency of the axial vibrations of the vibrating assembly.
- the problem is to be able to emit waves acoustics of low frequencies in a liquid, without limitation of depth and without weighing down or increasing the volume and / or the complexity of realization of the transducers.
- each of the two edges of said opening is associated with a crown of material resistant to pressure and then forming an integral part of said housing of which they are integral.
- the result is new transducers and methods for emitting low frequency acoustic waves into a liquid at great depth.
- this resonant frequency in the previous patent application is obtained by combining the elasticity of tubes located in said housing and the body of water located in the opening made in the rigid cylinder constituting said housing, while in the present invention, the cylinder is no longer rigid but on the contrary must be elastic, allowing thus have the same function and therefore eliminate the presence of the tubes required in the above patent application; the mass or inertia function of the previous patent application is always obtained, but increased in the present invention by the presence, of a greater mass of water in the mouth of the opening thanks to the possibility of add crowns around the openings, which was not previously possible because of the presence of the tubes.
- Similar effects are obtained overall, even if the performance is less good, this makes it possible to precisely meet the needs of great and therefore even unlimited depths of the present invention. This is therefore new and different from the characteristics of all patent applications and existing equipment.
- the present invention is the elasticity of the housing by coupling with the mass of water located in the opening made in said housing which, by breaking the impedance, stops the rear waves emitted by the rear faces of the pavilions.
- this elasticity is improved on the one hand and, on the other hand, the importance of said body of water by preferably adding circular plates or crowns to the ends of the edges of said opening: thus by changing the characteristics of said housing by modifying its elasticity and its dimensions and / or those of said crowns, the mass of water located in the opening is increased and the inertia is changed of this said housing, which allows the emission of even lower frequencies.
- the attached single figure is an axial sectional view of a transducer according to the present invention.
- the transducer as shown in section in this figure comprises, in a known manner, two electro-acoustic motors 1, aligned along an axis xx ', placed on either side of a central counterweight 2, and coaxially inside a cylindrical housing 5, covering all of said motors 1 up to the pavilion 3 at the end thereof, the cavity 7 thus delimited by the rear of said pavilions and said housing being filled with said liquid 4 .
- Said electro-acoustic motors 1 can be of the piezoelectric type, but also magnetostrictive cylinders surrounded by an excitation coil.
- Such electro-acoustic transducers with double motors are also called double Tonpilz.
- said electro-acoustic motors and the intermediate mass 2 are shown assembled assembled by means of different connecting parts 11, themselves connected to different fixing parts 12, connecting said electro-acoustic motors to the housing 5 thanks to all fixing means and allowing freedom of movement of the end flags 3 relative to said housing, but determining an internal cavity 7 almost closed between the respective edges 13 of said flags and said housing.
- the power supply of said electro-acoustic motors 1 is supplied by any power cable 10, fixed to said connecting parts 11 by an electrical connector 14.
- the production of such a transducer and all of the various parts constituting it are of the field known and achievable by any person skilled in the art.
- said housing 5 is made of elastic material resistant to immersion pressure; in addition, it has a circular peripheral opening 6 in the vicinity of its median plane and the dimensions of said opening 6 as well as the characteristics of the material constituting said housing, in particular its elasticity characteristics, and the dimensions of this determining the inertial mass of this assembly are such that by coupling the elasticity of the housing 5 with the mass of the liquid 4 located in said opening 6, the Helmholtz frequency of the cavity 7 determined by the housing is close to the fundamental frequency of the vibrations axial of the assembly formed by said electro-acoustic motors 1, said counterweight 2 and said pavilions 3.
- said Helmholtz frequency of cavity 7 is determined such that it is less than said fundamental frequency.
- said edges of said opening 6 are each associated with a crown 8 of material resistant to pressure and which can therefore be of the same material as that of said cylinder 5 to which it is integral and forms an integral part.
- Said crowns 8 are circular plates preferably located inside said housing 5, so as not to increase its size, but they could be located on either side of said opening or even only outside.
- this opening 6 is symmetrical relative to the median plane perpendicular to the axis xx 'of the transducer.
- the material used for the production of said housing 5 and said rings or circular plates 8 can be metal or composite fiber such as carbon fiber.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
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Abstract
Description
- La présente invention a pour objet des procédés pour émettre des ondes acoustiques basse fréquence dans un liquide en immersion illimitée, et des transducteurs qui permettent la mise en oeuvre de tels procédés.
- Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation de transducteurs électro-acoustiques.
- L'application principale de l'invention est la possibilité d'émettre des ondes acoustiques à basses fréquences et à très grande profondeur.
- On connaît en effet des transducteurs électro-acoustiques immergeables, et en particulier piézo-électriques, qui comportent un boîtier cylindrique rigide, creux et ouvert à ses deux extrémités axiales, et à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement avec celui-ci, deux moteurs électro-acoustiques identiques, placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale, et dont les extrémités opposées sont entourées d'un pavillon. Lesdits moteurs électroacoustiques peuvent être réalisés par deux empilements de plaquettes piézo-électriques alignés. Les faces externes des deux pavillons sont situées dans le plan des extrémités axiales du boîtier, de telle sorte qu'elles sont en contact avec le liquide, dans lequel le boîtier est plongé, et le périmètre externe de ces pavillons vient au plus près du bord des extrémités axiales ouvertes dudit boîtier.
- Ainsi, ces faces externes émettent dans le liquide des ondes acoustiques lorsque les moteurs électro-acoustiques sont excités électroniquement : ces transducteurs sont utilisés notamment pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques basse-fréquence dans une direction déterminée.
- Cependant, un des problèmes posés par ce type de transducteur est la propagation des ondes acoustiques émises par les faces arrière des pavillons, à l'intérieur du boîtier si celui-ci est également plein de liquide et qui sont alors retransmises dans le milieu ambiant malgré la rigidité dudit boîtier.
- Diverses solutions ont été envisagées et proposées par des fabricants et/ou utilisateurs, tel que par exemple l'utilisation de boîtiers étanches remplis de gaz, mais nécessitant que le boîtier résiste aux pressions d'immersion dans le liquide, ce qui alourdit considérablement le poids du transducteur quand la profondeur d'immersion est très importante.
- Une autre solution est de placer à l'arrière des pavillons entourant les extrémités des moteurs électro-acoustiques des masses ou des amortisseurs statiques tel que de la mousse, qui absorbe alors le rayonnement arrière et constitue avec lesdits pavillons, ce que l'on appelle des "baffles". Cette solution est également limitée dans ses applications en immersion profonde, puisque lesdites masses ou amortisseurs doivent pouvoir résister à la pression, à moins de conjuguer cette solution avec la solution précédente, avec un boîtier rigide, mais cela alourdit d'autant plus le système.
- En fait, les deux solutions précédentes ne sont que des extrapolations de solutions retenues pour l'émission des ondes dans l'air.
- Aussi, pour les profondeurs d'immersion assez importantes, deux autres types de solutions ont été développés et ont même fait l'objet de divers brevets.
- Une première catégorie de solutions consiste à utiliser la possibilité de compenser la pression externe par une augmentation de la pression interne de différentes façons, afin de ne pas faire supporter à un boîtier étanche les efforts de résistance à la pression externe : on note pour cela en particulier, la demande FR. 2.361.033 déposée par l'Etat Français le 03 Août 1976 sur des transducteurs piézo-électriques et antennes immergeables à grande profondeur, dans laquelle lesdits moteurs sont disposés radialement contre la paroi interne d'un anneau constituant alors avec lesdits moteurs un transducteur, et plusieurs de ces transducteurs étant empilés coaxialement, de façon à constituer une antenne, dont l'enveloppe renferme un canal cylindrique contenant un piston et un matériau solide élastomère, qui par l'existence d'un faible jeu entre les parois de l'enveloppe, permet d'absorber les différentes déformations de celles-ci.
- Une autre demande de brevet No. FR. 2.634.292 de Monsieur Gilles GROSSO et intitulé "procédé et dispositif pour maintenir le gaz contenu dans une enceinte immergée en équilibre de pression avec l'extérieur" déposée le 15 Juillet 1988, consiste à associer à ladite enceinte immergée tel que le boîtier d'un transducteur piézo-électrique, plusieurs bouteilles contenant chacune une poche déformable prégonflée, à des pressions différentes, et permettant ainsi de compenser la pression hydrostatique à différentes profondeurs d'immersion.
- On peut enfin noter la demande de brevet FR. 2.665.814 du 10 Août 1990 de la société THOMSON sur des "transducteurs électroacoustiques destinés à être immergés", et comportant un système de compensation automatique de la pression d'immersion grâce à des chambres remplies de gaz et de volumes réduits, de manière à ne compenser que les efforts axiaux s'exerçant sur le pilier central de céramique de transducteur.
- On pourrait citer d'autres demandes de brevets utilisant des systèmes pneumatiques de compensation de la pression extérieure d'immersion, mais comprenant toutes des moyens mécaniques et/ou d'alimentation de gaz ou de stockage assez volumineux et/ou compliqués.
- La deuxième catégorie de solution permet de s'affranchir des problèmes mécaniques et/ou pneumatiques ci-dessus, telle que décrite dans la demande de brevet FR. 2.665.998 DU 05 Mai 1988 déposée par l'Etat Français Délégué Général pour l'Armement : elle consiste à utiliser un boîtier rigide, mais non étanche, permettant de délimiter une cavité remplie du liquide ambiant à l'arrière des pavillons, dans laquelle on place des tubes élastiques fermés, étanches et remplis de gaz, et tel que la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble vibrant.
- On reporte ainsi le problème de la résistance à la pression du boîtier extérieur à la résistance desdits tubes élastiques, qui étant de diamètres plus faibles, permettent d'avoir un ensemble moins lourd.
- Cependant, pour des grandes profondeurs, il est obligatoire d'augmenter de toutes façons la résistance desdits tubes, ce qui limite leur élasticité et ainsi ne permet pas d'obtenir des émetteurs de très basses fréquences, et alourdit quand même l'ensemble du transducteur.
- Le problème posé est en effet de pouvoir émettre des ondes acoustiques de basses fréquences dans un liquide, sans limitation de profondeur et sans alourdir ou augmenter le volume et/ou la complexité de réalisation des transducteurs.
- Une solution au problème posé est un procédé pour émettre des ondes acoustiques de basses fréquences dans un liquide, au moyen d'un transducteur comportant deux moteurs électro-acoustiques alignés sur un axe, placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier cylindrique creux, recouvrant l'ensemble desdits moteurs jusqu'aux pavillons d'extrémité de ceux-ci, et rempli dudit liquide, dans lequel :
- on réalise le boîtier en matériau élastique et résistant à la pression avec une ouverture périphérique circulaire au voisinage de son plan médian;
- on détermine les dimensions de ladite ouverture et les caractéristiques dudit; boîtier,- de telle façon que par couplage de l'élasticité de ce boîtier avec la masse de liquide située dans ladite ouverture, la fréquence de Helmholtz de la cavité déterminée par le boîtier, soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électroacoustiques, ladite contre-masse et lesdits pavillons.
- De préférence, on associe à chacun des deux bords de ladite ouverture une couronne de matériau résistant à la pression et faisant partie alors intégralement dudit boîtier dont elles sont solidaires.
- Le résultat est de nouveaux transducteurs et procédés d'émission d'ondes acoustiques basses fréquences, dans un liquide en grande profondeur.
- En effet, ces procédés et les transducteurs appliquant ledit procédé répondent aux divers inconvénients cités précédemment, tout en répondant au problème posé. Le principe retenu dans la présente invention est le même que celui utilisé dans l'invention précédente citée dans l'art antérieur ci-dessus, soit la demande de brevet FR. 2.665.998, et qui utilise la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité située à l'intérieur du boîtier, de telle façon que celle-ci soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble vibrant.
- Cependant, cette fréquence de résonance dans la demande de brevet précédente, est obtenue par combinaison de l'élasticité de tubes situés dans ledit boîtier et de la masse d'eau située dans l'ouverture pratiquée dans le cylindre rigide constituant ledit boîtier, alors que dans la présente invention, le cylindre n'est plus rigide mais au contraire doit être élastique, permettant d'avoir ainsi la même fonction et donc de supprimer la présence des tubes nécessaires dans la demande de brevet ci-dessus ; la fonction de masse ou d'inertie de la précédente demande de brevet est toujours obtenue, mais augmentée dans la présente invention par la présence, d'une masse d'eau plus importante dans l'embouchure de l'ouverture grâce à la possibilité de rajouter des couronnes autour des ouvertures, ce qui n'était pas possible précédemment à cause de la présence des tubes. Ainsi on obtient globalement des effets similaires, même si les performances sont moins bonnes, cela permet de répondre justement aux besoins de profondeurs importantes et donc même illimitées de la présente invention. Celle-ci est donc nouvelle et différente des caractéristiques de toutes les demandes de brevets et d'équipements existants.
- Par exemple, la suppression des tubes décrits et revendiqués dans la demande ci-dessus, permet d'éviter leur fabrication assez complexe car leur section doit être elliptique, ce qui en plus risque de provoquer leurs ruptures par écrasement. Ainsi, en éliminant la nécessité soit d'un boîtier résistant, soit de tubes élastiques résistants, on n'est effectivement plus limité en immersion puisque l'ensemble du boîtier et de tous les volumes sont pleins d'eau : on peut immerger ainsi de tels transducteurs jusqu'à des profondeurs au moins de 2 à 3000 mètres, alors que jusqu'à ce jour, on était limité à des profondeurs de l'ordre de 500 mètres.
- Dans la présente invention, c'est l'élasticité du boîtier par couplage avec la masse d'eau située dans l'ouverture pratiquée dans ledit boîtier qui par rupture d'impédance, arrête les ondes arrière émises par les faces arrière des pavillons. De plus, on améliore d'une part, cette élasticité et, d'autre part, l'importance de ladite masse d'eau en rajoutant, de préférence, des plaques circulaires ou couronnes à l'extrémité des bords de ladite ouverture : ainsi en changeant les caractéristiques dudit boîtier par modification de son élasticité et de ses dimensions et/ou de celles desdites couronnes, on augmente la masse d'eau située dans l'ouverture et on change l'inertie de ce dit boîtier, ce qui permet l'émission de fréquences encore plus basses.
- On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en démontrer la nouveauté et l'intérêt.
- La description et la figure ci-après représentent un exemple de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de la présente invention.
- La figure unique ci-jointe est une vue en coupe axiale d'un transducteur suivant la présente invention.
- Le transducteur tel que représenté en coupe sur cette figure comporte, d'une manière connue, deux moteurs 1 électro-acoustiques, alignés suivant un axe xx', placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale 2, et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier 5 cylindrique, recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'au pavillon 3 d'extrémité de ceux-ci, la cavité 7 ainsi délimitée par l'arrière desdits pavillons et ledit boîtier étant remplie dudit liquide 4.
- Lesdits moteurs électro-acoustiques 1 peuvent être de type piézo-électriques, mais également des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation.
- De tels transducteurs électro-acoustiques à double moteurs sont dits également double Tonpilz.
- Sur la figure jointe, lesdits moteurs électro-acoustiques et la masse intermédiaire 2 sont représentés montés assemblés grâce à différentes pièces de liaison 11, reliées elles-mêmes à différentes pièces de fixation 12, reliant lesdits moteurs électro-acoustiques au boîtier 5 grâce à tout moyen de fixation et permettant une liberté de déplacement des pavillons 3 d'extrémité par rapport à ce dit boîtier, mais déterminant une cavité interne 7 quasiment fermée entre les bords respectifs 13 desdits pavillons et dudit boîtier.
- L'alimentation desdits moteurs électro-acoustiques 1 est fournie par tout câble d'alimentation 10, fixé sur lesdites pièces de liaison 11 par un connecteur électrique 14. La réalisation d'un tel transducteur et l'ensemble des différentes pièces le constituant sont du domaine connu et réalisables par tout homme du métier.
- La caractéristique principale du procédé de la présente invention et du transducteur suivant celui-ci est que ledit boîtier 5 est en matériau élastique résistant à la pression d'immersion; de plus, il comporte une ouverture périphérique 6 circulaire au voisinage de son plan médian et les dimensions de ladite ouverture 6 ainsi que les caractéristiques du matériau constituant ledit boîtier, en particulier ses caractéristiques d'élasticité, et les dimensions de celui-ci déterminant la masse inertielle de cet ensemble sont telles que par couplage de l'élasticité du boîtier 5 avec la masse du liquide 4 située dans ladite ouverture 6, la fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 déterminée par le boîtier soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques 1, ladite contre-masse 2 et lesdits pavillons 3.
- De préférence ladite fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 est déterminée telle qu'elle soit inférieure à ladite fréquence fondamentale.
- De façon à pouvoir d'une part augmenter la masse d'eau située dans l'ouverture 6 et d'autre part modifier l'inertie et l'élasticité dudit cylindre, lesdits bords de ladite ouverture 6 sont associés chacun à une couronne 8 de matériau résistant à la pression et qui peut donc être du même matériau que celui dudit cylindre 5 auquel il est solidaire et fait partie intégrante.
- Lesdites couronnes 8 sont des plaques circulaires situées de préférence à l'intérieur dudit boîtier 5, de façon à ne pas augmenter son encombrement, mais elles pourraient être situées de part et d'autre de ladite ouverture ou même uniquement à l'extérieur.
- De préférence, de façon à obtenir un meilleur effet de résonance, cette ouverture 6 est symétrique par rapport au plan médian perpendiculaire à l'axe xx' du transducteur.
- Le matériau utilisé pour la réalisation dudit boîtier 5 et desdites couronnes ou plaques circulaires 8 peut être du métal ou de la fibre composite tel que de la fibre de carbone.
Claims (8)
- Procédé pour émettre des ondes acoustiques basses fréquences dans un liquide (4), au moyen d'un transducteur comportant deux moteurs (1) électro-acoustiques alignés sur un axe (xx'), placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale (2) et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier (5) cylindrique creux, recouvrant l'ensemble desdits moteurs (1) jusqu'aux pavillons (3) d'extrémité de ceux-ci, et rempli dudit liquide (4), caractérisé en ce que :- on réalise le boîtier (5) en matériau élastique et résistant à la pression avec une ouverture périphérique (6) circulaire au voisinage de son plan médian;- on détermine les dimensions de ladite ouverture (6) et les caractéristiques dudit boîtier (5), de telle façon que par couplage de l'élasticité de ce boîtier avec la masse de liquide située dans ladite ouverture (6), la fréquence de Helmholtz de la cavité (7) déterminée par le boîtier, soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (1), ladite contre-masse (2) et lesdits pavillons (3).
- Procédé pour émettre des ondes acoustiques basses fréquences dans un liquide (4) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on associe à chacun des deux bords (9) de ladite ouverture (6) une couronne (8) de matériau résistant à la pression et faisant partie alors intégralement dudit boîtier (5) dont elles sont solidaires.
- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on augmente la masse d'eau située dans l'ouverture (6) et l'on change l'inertie dudit boîtier (5) en modifiant les dimensions de celui-ci pour permettre l'émission de fréquences plus basses.
- Transducteur comportant deux moteurs (1) électroacoustiques alignés sur un axe (xx'), placés de part et d'autre d'une contre-masse centrale (2) et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier (5) cylindrique creux, recouvrant l'ensemble desdits moteurs (1) jusqu'aux pavillons (3) d'extrémité de ceux-ci et rempli dudit liquide (4), caractérisé en ce que ledit boîtier (5) est en matériau résistant à la pression et élastique, et comporte une ouverture périphérique (6) circulaire au voisinage de son plan médian, et les dimensions de celle-ci, ainsi que les caractéristiques dudit boîtier sont déterminées telles que par couplage de l'élasticité du boîtier (5) avec la masse d'eau de liquide située dans ladite ouverture (6), la fréquence d'Helmholtz de la cavité (7) déterminée par le boîtier est voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (1), ladite contre-masse (2) et lesdits pavillons (3).
- Transducteur pour émettre des ondes acoustiques basses fréquences dans un liquide (4) suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits bords de ladite ouverture (6) sont associés chacun à une couronne (8) de matériau résistant à la pression et faisant partie intégralement du boîtier (5) dont elles sont solidaires.
- Transducteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits couronnes (8) sont des plaques circulaires situées entièrement à l'intérieur dudit boîtier (5).
- Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'ouverture (6) est symétrique par rapport au plan médian perpendiculaire à l'axe (xx') du transducteur.
- Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits moteurs (1) sont des cylindres magnétostrictifs, entourés d'une bobine d'excitation.
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