EP0684084B1 - Procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques à larges bandes et basses fréquences en profondeur d'immersion illimitée - Google Patents

Procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques à larges bandes et basses fréquences en profondeur d'immersion illimitée Download PDF

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EP0684084B1
EP0684084B1 EP95401229A EP95401229A EP0684084B1 EP 0684084 B1 EP0684084 B1 EP 0684084B1 EP 95401229 A EP95401229 A EP 95401229A EP 95401229 A EP95401229 A EP 95401229A EP 0684084 B1 EP0684084 B1 EP 0684084B1
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EP
European Patent Office
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liquid
transducer
cavity
housing
opening
Prior art date
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EP95401229A
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German (de)
English (en)
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EP0684084A1 (fr
Inventor
Didier Boucher
Yves Le Gall
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Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
Original Assignee
Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—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
    • B06B1/0607—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
    • B06B1/0611—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
    • 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 subject of the present invention is a method and transducer for transmitting wideband and low frequency acoustic waves in immersion depth unlimited.
  • the technical sector of the invention is that of the manufacture of transducers electro-acoustic for the emission of acoustic waves in a liquid.
  • the main application of the invention is the possibility of emitting waves acoustic at low frequencies, at very great depth and in a band of fairly wide frequencies.
  • immersible electro-acoustic transducers and particular piezoelectric, some of which for which the present invention is preferably intended for, but not limited to, include a cylindrical housing rigid, hollow and open at its two axial ends, and inside which are arranged coaxially therewith, two identical electro-acoustic motors, placed on either side of a central counterweight, and whose opposite ends are surrounded by a pavilion.
  • Said electro-acoustic motors can be produced by two stacks of aligned piezoelectric plates.
  • the external faces of two pavilions are located in the plane of the axial ends of the case, so that they are in contact with the liquid, in which the case is immersed, and the perimeter external of these pavilions comes closest to the edge of the open axial ends 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 acoustic waves into water low frequency in a specific direction.
  • a third category of solution makes it possible to overcome both the mechanical and / or pneumatic problems of the first solution and the strip corresponding frequency, as well as problems with falling water levels of emission and shift towards the high frequencies of the second solution: this category is described in the FR patent application. 2.665.998 OF 05 May 1988 registered 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 elastic tubes are placed closed, sealed and filled with gas, and such as the Helmholtz resonant frequency of the cavity is close to the fundamental frequency of the axial vibrations of the vibrating assembly; we then obtain a good fairly wide frequency range two peaks corresponding to natural frequencies, one related to mechanical vibrations from the transducer, and the other to the cavity, and with attenuation at most 5dB between the two peaks.
  • a fourth category of solution allowing not to imitate depth while keeping a fairly wide and low frequency band, and without complexity of construction, was developed with a housing made of material resistant to elastic pressure, and having an opening, the dimensions of which are determined so that by coupling the elasticity of the housing with the mass of the liquid located in this opening, the Helmholtz frequency of the cavity of the case is close to the fundamental frequency of vibrations of the whole transducer:
  • this category solution was especially developed for transducers such as those described in introduction to this description, comprising a cylindrical, rigid housing, and hollow open at its two axial ends, and inside which are arranged coaxially with it, two identical electroacoustic motors, placed on the side and on the other side of a central counter-mass, and whose opposite ends are surrounded a pavilion.
  • EP-A-0 596 763 also discloses a transducer to emit low frequency acoustic waves into a liquid in unlimited immersion, "double Tonpilz" type equipped with a waterproof case and a peripheral opening, whose dimensions are determined as well as characteristics of the case, so that by coupling elasticity of this case with the mass of liquid located in said opening, the Helmholtz frequency of the cavity determined by the case, or close to the frequency fundamental of the axial vibrations of the set by electro-acoustic motors.
  • the problem is therefore to be able to produce acoustic transducers low frequencies in a liquid, without limitation of depth, without weighing down or increase the volume and / or the complexity of production of these transducers, and with fairly wide transmission frequency bandwidth, with no significant drop level attenuation over the entire width of this strip.
  • At least one bladder is filled with a more compressible liquid than liquid; there is provided in said housing at least one opening allowing the passage of said bladder thus filled; said bladder is slid into said cavity by said opening, so that all or at least part of the volume of said cavity is occupied by at least said bladder.
  • transducer to emit low frequency acoustic waves in a liquid as defined above is comprising at least one electroacoustic motor vibrating any wall of emission of said waves, and a hollow box enclosing said motor, and delimiting, inter alia, with said vibrating wall, a cavity, which transducer comprises at at least one opening communicating said cavity with the surrounding environment, at least one flexible bladder occupying all or at least part of the entire volume of said cavity, which bladder being filled with a more compressible liquid that said liquid.
  • the compressibility of the liquid is less than 10 9 N / m 2
  • the viscosity of the liquid is at most equal to that of water, which has the value 10 -6 m 2 / second: preferably, the viscosity of the liquid is less than 6.5 x 10-7 m 2 / second.
  • silicone oil whose density is greater than 920 kg / m 3 , and the speed of propagation of the sound in this oil is greater than 1010 m / second, corresponding to a compressibility module greater than 0.954 x 10 9 N / m 2 .
  • such a method and transducer according to the invention allow in particular to combine the advantages mentioned above in the third and fourth category of solutions analyzed in the introduction, namely: that of a cavity filled with ambient liquid, in which elastic tubes are placed closed, allowing to obtain two resonance peaks determining a range of bands fairly wide frequencies, without loss or attenuation of more than 5dB between these two peaks ; and the solution of an opening of determined dimensions so that the frequency Helmholtz of the cavity is close to that fundamental of the vibrations of the whole mechanical, which makes it possible to go down in frequency, while resisting pressures unlimited.
  • the characteristics of the present invention are applicable to any type of transducers, having a cavity in communication with the ambient medium, such as those described above and taken as examples in the figure below, but also in flextensional type transducers: one can cite for example for this type of transducer the patent GN-8823245 of J.R.OSWIN which, in the cavity filled with water a classic flextensional transducer, adds a Helmholtz resonator; of compliant tubes can be inserted to increase compliance and therefore go down in frequency.
  • the interest of the present invention is maximum whenever it is desired to reduce loss of efficiency and frequency attenuation between two resonance peaks, one of which is linked to the mechanical resonance of the assembly, and the other to that of a cavity.
  • n / A not at all the same function as those used in the current prior art, which is actually either a transmission and pressure compensation fluid only external, i.e. a coolant, and whose choice, neither the arrangement, nor the criteria had not yet been determined to solve the problem posed in the present invention.
  • transducers according to the present invention is to be able to be used in the context of acoustic ocean tomography, to which must be able to immerse the transducers up to 2,000 meters of immersion on the one hand, and on the other hand, being able to transmit in frequency bands wide, and at the lowest possible frequencies, to have the most propagation far from the air: a publication of the journal "For Science" No.
  • the single figure is a sectional view of a particular type of transducer, equipped with the characteristic elements of the invention.
  • the transducer as shown in section in this figure, comprises of known manner, two electroacoustic motors 1, aligned along an axis xx ', placed on either side of a central counterweight 2, and coaxially inside a 5 cylindrical housing, covering all of said motors 1 to the roof 3 end thereof; the cavity 7 thus delimited by the rear of said pavilions and the housing is in communication with the external immersion liquid 4, thanks to openings 6 made in this housing 5.
  • Said electroacoustic motors 1 can be of the piezoelectric type, but also magnetostrictive cylinders surrounded by an excitation coil.
  • Such electroacoustic double motor transducers are also said to be double Tonpilz.
  • said electroacoustic motors 1 and the counterweight intermediate 2 are shown assembled assembled, thanks to different pieces of link 11, themselves connected to different fasteners 12, connecting said motor electroacoustic or box 5, thanks to any fixing means, and allowing freedom displacement of the pavilions 3 end relative to said housing, but determining an almost closed internal cavity 7 between the respective edges 13 of said pavilions and said housing.
  • the power of said electroacoustic motors 1 is supplied by any cable supply 10, fixed to said connecting pieces 11 by an electrical connector 14.
  • the main feature of the process of the present invention and the transducer according to this, is that it comprises at least one flexible bladder 8, occupying at least part if not all of the entire volume of said cavity 7, and filled of a liquid 9 which is more compressible than the ambient liquid 4.
  • the liquid 9 occupying the volumes delimited by the skin of said bladders 8, must fill at best and preferably practically the entire cavity, because its volume must in fact be greater than that of compliant tubes such as those described in the FR patent application. 2.665.998 of 05 May 1988, so as to have compressibility characteristics equivalent to that of said tubes as used at today in this type of transducer; indeed, the drop in emission level of frequencies in the range defined between the two peaks considered above, is linked precisely to the elasticity of the volume of this liquid included in the cavity, and whose role is also that of the compliant tubes of the patent cited above.
  • the compressibility of said liquid must in fact be less than 10 9 N / m 2 , defined by the product of its density f with the square of the speed of propagation of sound in this liquid C f .
  • volume of cavity 7 volume of liquid 9 + volume of residual water that may exist in cavity 7 .
  • overall system compliance (liquid volume / f x C f 2 liquid) + (water volume / 2.22 x 10 9 ).
  • said opening 6 is such that its dimensions are determined so that by coupling of the elasticity of the housing 5 with the mass of the liquid located in this opening 6, the Helmholtz frequency of the cavity 7 of the case is close to the frequency fundamental vibration of the transducer assembly.
  • a transducer comprises two electroacoustic motors 1 aligned on an axis xx 'placed on the side and on the other side of a central counterweight 2 and coaxially inside said housing 5 cylindrical and hollow, covering all of said motors 1 up to the vibrating walls 3 forming an end flag thereof, which opening 6 is made in said housing in the vicinity of its median plane.
  • said edges of said aperture 6 are each associated with a crown of pressure-resistant material and forming an integral part of the housing to which they are integral; said crown is not shown in the figure.

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Description

La présente invention a pour objet un procédé et transducteur pour émettre des ondes acoustiques à larges bandes et basses fréquences en profondeur d'immersion illimitée.
Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication de transducteurs électro-acoustiques pour l'émission d'ondes acoustiques dans un liquide.
L'application principale de l'invention est la possibilité d'émettre des ondes acoustiques à basses fréquences, à très grande profondeur et dans une bande de fréquences assez large.
On connaít en effet des transducteurs électro-acoustiques immergeables, et en particulier piézo-électriques, dont certains pour lesquels la présente invention est préférentiellement destinée, mais sans y être limitée, comportent un boítier 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 électro-acoustiques 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 boítier, de telle sorte qu'elles sont en contact avec le liquide, dans lequel le boítier est plongé, et le périmètre externe de ces pavillons vient au plus près du bord des extrémités axiales ouvertes dudit boítier.
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, a l'intérieur du boítier si celui-ci est également plein de liquide et qui sont alors retransmises dans le milieu ambiant malgré la rigidité dudit boítier, perturbant l'émission globale du transducteur, comme indiqué dans la deuxième solution décrite ci-après pour les transducteurs immergés à grande profondeur.
Diverses solutions ont été en effet envisagées et proposées par des fabricants et/ou utilisateurs, telles que par exemple l'utilisation de boítiers étanches remplis de gaz, mais nécessitant que le boítier 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 tels 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 boítier 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 et très importantes, quatre autres types de catégories 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 boítier étanche les efforts de résistance à la pression externe :
  • on note pour cela en particulier, la demande de brevet No. FR. 2.634.292 de Monsieur Gilles GROSSO, intitulée "procédé et dispositif pour maintenir le gaz contenu dans une enceinte immergée en équilibre de pression avec l'extérieur", déposée le 15 Juillet 1988, et qui consiste à associer à ladite enceinte immergée telle le boítier 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 également noter la demande de brevet FR. 2.665.814 du 10 Août 1990 de la société THOMSON sur des "transducteurs électro-acoustiques 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, tel que FR-A- 2 498 862, mais comprenant toutes des moyens mécaniques et/ou d'alimentation de gaz ou de stockage, soit assez volumineux et/ou compliqués ; de plus, ces divers dispositifs, s'ils évitent la propagation des ondes arrière, ne permettent pas d'émettre en basse fréquence sur une plage de fréquences assez large, car l'émission des ondes par les seuls pavillons a un spectre de fréquences assez étroit, passant par un pic maximum qui ne couvre pas suivant le type d'utilisation une bande passante suffisante.
Une deuxième catégorie de solution est de pas vouloir résister à la pression externe, en admettant celle-ci directement à l'intérieur du boítier, sans système complexe, tel que dans les demandes de brevets FR. 2.671.928 et 2.674.927 publiées le 24 Juillet 1992 et déposées par l'Etat Français, Délégation Générale pour l'Armement, et intitulées "transducteurs électroacoustiques directifs" : ceux-ci comportent un boítier à parois cylindriques et un fond, séparés par des fentes obturées par une membrane déformable, et fermé par un diagramme flexible qui délimite une cavité remplie d'huile ; ceci permet une transmission et un équilibre de la pression à l'intérieur, mais également du fait de la transparence des membranes souples aux ondes acoustiques, la retransmission dans le milieu ambiant des ondes arrière qui crée un pic de résonance de fréquences hautes, avec une chute de niveau d'émission entre celui-ci et celui des fréquences de base, diminuant la puissance, et donc la portée totale de l'émission.
Une troisième catégorie de solution permet de s'affranchir à la fois des problèmes mécaniques et/ou pneumatiques de la première solution et de la bande étroite de fréquence correspondante, ainsi que des problèmes des chutes de niveau d'émission et de décalage vers les hautes fréquences de la deuxième solution : cette catégorie est 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 boítier 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 obtient alors une bonne plage assez large de fréquences d'émission grâce à deux pics correspondant aux fréquences propres, l'une liée aux vibrations mécaniques du transducteur, et l'autre à la cavité, et avec une atténuation d'au plus de 5dB entre les deux pics.
Cependant, on reporte aussi le problème de la résistance à la pression d'immersion du boítier extérieur à la résistance desdits tubes élastiques, qui étant de diamètres plus faibles, permettent d'avoir un ensemble moins lourd ; mais 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.
Aussi et enfin, une quatrième catégorie de solution permettant de ne pas imiter la profondeur tout en gardant une bande de fréquences assez larges et basses, et sans complexité de réalisation, a été développée avec un boítier en matériau résistant à la pression élastique, et comportant une ouverture, dont les dimensions sont déterminées pour que par couplage de l'élasticité du boítier avec la masse du liquide située dans cette ouverture, la fréquence d'Helmholtz de la cavité du boítier est voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble du transducteur : cette catégorie de solution a été surtout développée pour les transducteurs tels que ceux décrits en introduction de la présente description, comportant un boítier cylindrique, rigide, et creux ouvert à ses deux extrémités axiales, et à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement avec celui-ci, deux moteurs électroacoustiques identiques, placés de part et d'autre d'une contre masse centrale, et dont les extrémités opposées sont entourées d'un pavillon.
Cependant, si une telle solution permet un bon décalage de la plage d'émission vers les basses fréquences par rapport à la deuxième catégorie de solutions précédentes, tout en conservant une plage assez large de fréquences entre les deux pics de résonance d'émission ainsi obtenus, on relève une atténuation de plus de 10dB entre ceux-ci, ce qui est pénalisant pour couvrir les plages d'émission voulues avec un niveau-de puissance suffisant sur toute la largeur de cette plage.
On connait également du document EP-A-0 596 763 un transducteur pour émettre des ondes acoustiques basse fréquence dans un liquide en immersion illimitée, de type "double Tonpilz" équipé d'un boítier étanche et d'une ouverture périphérique, dont on détermine les dimensions de même que les caractéristiques du boítier, de telle façon que par couplage de l'élasticité de ce boítier avec la masse de liquide située dans ladite ouverture, la fréquence de Helmholtz de la cavité déterminée par le boítier, soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble constitué par les moteurs électro-acoustiques.
Le problème posé est donc de pouvoir réaliser des transducteurs acoustiques de basses fréquences dans un liquide, sans limitation de profondeur, sans alourdir ou augmenter le volume et/ou la complexité de réalisation de ces transducteurs, et avec une largeur de bande de fréquences d'émission assez large, sans chute importante d'atténuation de niveau sur toute la largeur de cette bande.
Une solution au problème posé est un procédé pour émettre des ondes acoustiques à basses fréquences dans un liquide au moyen d'un transducteur comportant au moins un moteur électroacoustique mettant en vibration toute paroi d'émission desdites ondes et un boítier creux enfermant ledit moteur et délimitant, avec entre autres ladite paroi vibrante, une cavité, dans laquelle :
  • on réalise dans ledit boítier au moins une ouverture faisant communiquer la cavité avec le milieu ambiant;
  • on dispose dans tout ou au moins une partie du volume de ladite cavité au moins une vessie souple;
  • on remplit cette vessie d'un liquide plus compressible que le liquide.
Suivant un autre procédé de mise en oeuvre avec un transducteur du même type que précédemment, on remplit au moins une vessie d'un liquide plus compressible que le liquide ; on réalise dans ledit boítier au moins une ouverture permettant le passage de ladite vessie ainsi remplie ; on glisse ladite vessie dans ladite cavité par ladite ouverture, de telle façon que l'ensemble ou au moins une partie du volume de ladite cavité soit occupé par au moins ladite vessie.
Une autre solution au problème posé est un transducteur pour émettre des ondes acoustiques à basses fréquences dans un liquide tel que défini ci-dessus, soit comportant au moins un moteur électroacoustique mettant en vibration toute paroi d'émission desdites ondes, et un boítier creux enfermant ledit moteur, et délimitant, entre autres, avec ladite paroi vibrante, une cavité, lequel transducteur comporte au moins une ouverture faisant communiquer ladite cavité avec le milieu ambiant, au moins une vessie souple occupant tout ou au moins une partie de l'ensemble du volume de ladite cavité, laquelle vessie étant remplie d'un liquide plus compressible que ledit liquide.
Dans un mode préférentiel de réalisation, pour atteindre l'effet maximum des solutions ci-dessus, la compressibilité du liquide est inférieure à 109 N/m2, et la viscosité du liquide est au plus égale à celle de l'eau, qui a pour valeur 10-6 m2/seconde : de préférence, la viscosité du liquide est inférieure à 6,5 x 10-7 m2/seconde.
Un liquide répondant aux caractéristiques ci-dessus est choisi de préférence, comme étant un composé organique totalement fluoré, de type C8F18, obtenu par réaction de C8H18 + 18 HF : sa masse volumique
   est de 1.725 kg/m3, et la vitesse de propagation du son C dans un tel liquide de 570 mètres/seconde, ce qui correspond à une compressibilité définie par le produit :
   x C2 = 0,56 x 109 N/m2, soit 4 fois moins que l'eau, dont le module de compressibilité est égal à 2,22 x 109N/m2.
Il peut être utilisé également de l'huile siliconée, dont la masse volumique est supérieure à 920 kg/m3, et la vitesse de propagation du son dans cette huile est supérieure à 1010 m/seconde, correspondant à un module de compressibilité supérieur à 0,954 x 109N/m2.
Le résultat est de nouveaux procédés et transducteurs pour émettre des ondes acoustiques à large bande, de basses fréquences, en profondeur d'immersion illimitée, et répondant au problème posé ci-dessus, et aux inconvénients cités dans les dispositifs actuels.
En effet, un tel procédé et transducteur suivant l'invention, permettent en particulier de cumuler les avantages cités précédemment dans les troisième et quatrième catégories de solutions analysées en introduction, à savoir : celle d'une cavité remplie de liquide ambiant, et dans laquelle on place des tubes élastiques fermés, permettant d'obtenir deux pics de résonance déterminant une plage de bandes fréquences assez large, et sans perte ni atténuation de plus de 5dB entre ces deux pics ; et la solution d'une ouverture de dimensions déterminées pour que la fréquence d'Helmholtz de la cavité soit voisine de celle fondamentale des vibrations de l'ensemble mécanique, ce qui permet de descendre en fréquence, tout en résistant à des pressions illimitées.
Les caractéristiques de la présente invention sont applicables à tout type de transducteurs, ayant une cavité en communication avec le milieu ambiant, tel que ceux décrits précédemment et pris comme exemples dans la figure ci-après, mais également dans des transducteurs de type flextensional : on peut citer par exemple pour ce type de transducteur le brevet GN-8823245 de J.R.OSWIN qui, dans la cavité remplie d'eau d'un transducteur flextensional classique, rajoute un résonnateur de Helmholtz ; des tubes compliants peuvent y être insérés pour augmenter la compliance et donc descendre en fréquence.
L'intérêt de la présente invention est maximum chaque fois que l'on veut réduire la perte de rendement et d'atténuation de fréquences entre deux pics de résonance, dont l'un est lié à la résonance mécanique de l'ensemble, et l'autre à celle d'une cavité.
Le liquide compressible, situé, dans la présente invention, dans celle-ci, n'a pas du tout la même fonction que ceux utilisés dans l'art antérieur actuel, qui est en fait soit un liquide de transmission et de compensation uniquement de la pression extérieure, soit un liquide de refroidissement, et dont le choix, ni la disposition, ni les critères n'avaient été déterminés jusqu'à ce jour pour résoudre le problème posé dans la présente invention.
Une application intéressante des transducteurs suivant la présente invention est de pouvoir être utilisés dans le cadre de la tomographie acoustique de l'océan, pour laquelle il faut pouvoir immerger les transducteurs jusqu'à 2.000 mètres d'immersion d'une part, et d'autre part, pouvoir émettre dans des bandes de fréquences assez larges, et aux plus basses fréquences possibles, pour avoir une propagation la plus lointaine des ondes : une publication de la revue "Pour la Science" No. 158 de Décembre 1990, pages 66 et suivantes par Messieurs Robert SPINDEL et Peter WORCESTER enseigne l'intérêt d'une telle tomographie acoustique des océans, permettant d'engendrer des images à trois dimensions de la zone traversée par les ondes, et dont l'analyse du comportement, qui est parfaitement décrit et interprétable avec précision par les lois physiques, permet d'en tirer des informations nécessaires à la détermination de certaines propriétés des masses océaniques, telles qu'en particulier leur température, et leur courant.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, en particulier dans le cadre de l'application précédente à la tomographie acoustique, 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 cette invention, en particulier pour d'autres types de transducteurs.
La figure unique est une vue en coupe d'un type de transducteur particulier, équipé des éléments caractéristiques de l'invention.
Le transducteur tel que représenté en coupe sur cette figure, comporte d'une manière connue, deux moteurs 1 électroacoustiques, alignés suivant un axe xx', placés de part et d'autre d'une contre masse centrale 2, et coaxialement à l'intérieur d'un boítier 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 le boítier est en communication avec le liquide d'immersion extérieur 4, grâce à des ouvertures 6 réalisées dans ce boítier 5.
Lesdits moteurs électroacoustiques 1 peuvent être de type piézo-électrique, mais également des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation.
De tels transducteurs électroacoustiques à double moteur, sont dits également double Tonpilz.
Sur la figure jointe, lesdits moteurs électroacoustiques 1 et la contre masse intermédiaire 2 sont représentés montés assemblés, grâce à différentes pièces de liaison 11, reliées elles-mêmes à différentes pièces de fixation 12, reliant ledit moteur électroacoustique ou boítier 5, grâce à tout moyen de fixation, et permettant une liberté de déplacement des pavillons 3 d'extrémité par rapport à ce dit boítier, mais déterminant une cavité interne 7 quasiment fermée entre les bords respectifs 13 desdits pavillons et dudit boítier.
L'alimentation desdits moteurs électroacoustiques 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 de l'ensemble des différentes pièces le constituant est du domaine connu et réalisable par tout homme du métier.
La caractéristique principale du procédé de la présente invention et du transducteur suivant celui-ci, est qu'il comporte au moins une vessie 8 souple, occupant au moins une partie si ce n'est la totalité de tout le volume de ladite cavité 7, et remplie d'un liquide 9 plus compressible que le liquide 4 ambiant.
En fait, compte tenu de la présence des moteurs acoustiques 1 et des différentes pièces d'assemblage 11 et du câble d'alimentation 10, ainsi que des liaisons avec le boítier 12, il peut être de préférence, disposé :
  • soit plusieurs vessies indépendantes, qui sont glissées par les ouvertures 6 dans le boítier, après avoir été de préférence remplies :
  • soit une seule membrane occupant au moins une partie si ce n'est l'ensemble de la surface interne de la cavité du transducteur, et réalisée par une peau en élastomère par exemple, et que l'on remplit ensuite dudit liquide, mais la difficulté est alors de pouvoir assurer ce remplissage sans qu'il reste de bulles d'air qui compromettraient l'efficacité d'un tel dispositif, avec la profondeur.
En effet, le liquide 9 occupant les volumes délimités par la peau desdites vessies 8, doit remplir au mieux et de préférence pratiquement toute la cavité, car son volume doit être en fait supérieur à celui des tubes compliants tels que ceux décrits dans la demande de brevet FR. 2.665.998 du 05 Mai 1988, de façon à avoir des caractéristiques de compressibilité équivalentes à celle desdits tubes tels qu'utilisés à ce jour dans ce type de transducteur ; en effet, la chute de niveau d'émission des fréquences dans la plage définie entre les deux pics considérés précédemment, est liée justement à l'élasticité du volume de ce liquide compris dans la cavité, et dont le rôle est également celui des tubes compliants du brevet cité ci-dessus.
Pour cela, la compressibilité dudit liquide doit être en fait inférieure à 109N/m2, définie par le produit de sa masse volumique f avec le carré de la vitesse de propagation du son dans ce liquide Cf.
Pour avoir alors la valeur de la compliance globale de la cavité, on doit avoir à la fois : . volume de la cavité 7 = volume du liquide 9 + volume de l'eau résiduelle pouvant exister dans la cavité 7 . compliance globale du système = (volume du liquide/ f x Cf 2 du liquide) + (volume de l'eau/2,22 x 109) .
Des essais en simulation ont démontré qu'on obtient effectivement une équivalence de compliance globale entre dix tubes compliants de 0,84 litre disposés dans une cavité de 45 litres, et la même cavité de 45 litres mais remplie de 32 litres de liquide de la famille des composés organiques totalement fluorés de type C8H18.
De plus, afin de ne pas perdre en rendement au niveau de la puissance efficace acoustique émise, il est préférable de choisir un liquide dont la viscosité n'est pas trop élevée, soit inférieure à celle de l'eau, de préférence de 6,5 x 10-7 m2/seconde, qui est celle de l'huile silicone; et même avec un produit de la famille des composés organiques totalement fluorés tel que C8H18, la viscosité cinématique est de 4 x 10-7 m2/seconde : ce produit a en plus la caractéristique d'être stable, même aux températures assez basses, et aux températures ambiantes.
Pour renforcer la solution ci-dessus, et bénéficier en plus de l'effet déjà indiqué dans la quatrième catégorie de solutions indiquées précédemment en introduction, ladite ouverture 6 est telle que ses dimensions sont déterminées pour que par couplage de l'élasticité du boítier 5 avec la masse du liquide situé dans cette ouverture 6, la fréquence d'Helmholtz de la cavité 7 du boítier est voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble du transducteur.
Suivant l'exemple de la figure ci-jointe, un transducteur suivant l'invention comporte 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 dudit boítier 5 cylindrique et creux, recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'aux parois vibrantes 3 formant pavillon d'extrémité de ceux-ci, laquelle ouverture 6 est réalisée dans ledit boítier au voisinage de son plan médian.
Pour améliorer l'effet du dispositif suivant l'invention et tel qu'indiqué ci-dessus, dans le cadre de l'exemple de réalisation de la figure jointe, lesdits bords de ladite ouverture 6 sont associés chacun à une couronne de matériau résistant à la pression et faisant partie intégralement du boítier dont elles sont solidaires ; ladite couronne n'est pas représentée sur la figure.

Claims (10)

  1. Procédé pour émettre des ondes acoustiques à basses fréquences dans un liquide (4) au moyen d'un transducteur comportant au moins un moteur électroacoustique (1) mettant en vibration toute paroi (3) d'émission desdites ondes et un boítier (5) creux enfermant ledit moteur (1) et délimitant, avec entre autres ladite paroi vibrante (3), une cavité (7), caractérisé en ce que :
    on réalise dans ledit boítier (5) au moins une ouverture (6) faisant communiquer la cavité (7) avec le milieu ambiant (4);
    on dispose dans au moins une partie du volume de ladite cavité (7) au moins une vessie (8) souple ;
    on remplit cette vessie (8) d'un liquide plus compressible (9) que le liquide (4).
  2. Procédé pour émettre des ondes acoustiques à basses fréquences dans un liquide (4) au moyen d'un transducteur comportant au moins un moteur électroacoustique (1) mettant en vibration toute paroi (3) d'émission desdites ondes et un boítier (5) creux enfermant ledit moteur (1) et délimitant, avec entre autres ladite paroi vibrante (3), une cavité (7), caractérisé en ce que :
    on remplit au moins une vessie d'un liquide plus compressible (9) que le liquide (4) ;
    on réalise dans ledit boítier (5) au moins une ouverture permettant le passage de ladite vessie (8) ainsi remplie ;
    on glisse ladite vessie (8) dans ladite cavité (7) par ladite ouverture (6), de telle façon que au moins une partie du volume de ladite cavité (7) soit occupée par au moins ladite vessie (8).
  3. Transducteur pour émettre des ondes acoustiques à basses fréquences dans un liquide (4), comportant au moins un moteur électroacoustique (1) mettant en vibration toute paroi (3) d'émission desdites ondes, et un boítier (5) creux enfermant ledit moteur (1), et délimitant, avec entre autres ladite paroi vibrante (3), une cavité (7), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ouverture (6) faisant communiquer ladite cavité (7) avec le milieu ambiant (4), au moins une vessie (8) souple occupant au moins une partie du volume de ladite cavité (7), laquelle vessie étant remplie d'un liquide plus compressible (9) que ledit liquide (4).
  4. Transducteur pour émettre des ondes acoustiques suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit liquide (9) est de compressibilité inférieure à 109N/m2.
  5. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit liquide (9) est de viscosité au plus égale à celle de l'eau.
  6. Transducteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite viscosité du liquide est inférieure à 6,5 x 10-7 m2/seconde.
  7. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit liquide est un composé organique totalement fluoré de type C8F18.
  8. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les dimensions de ladite ouverture (6) sont déterminées pour que par couplage de l'élasticité du boítier (5) avec la masse du liquide (4) situé dans cette ouverture (6), la fréquence d'Helmholtz de la cavité (7) du boítier est voisine de la fréquence fondamentale des vibrations de l'ensemble du transducteur.
  9. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux moteurs (1) électroacoustiques alignés sur un axe (xx') placé de part et d'autre d'une contre masse centrale (2) et coaxialement à l'intérieur dudit boítier (5) cylindrique et creux, recouvrant l'ensemble desdits moteurs (1) jusqu'aux parois vibrantes (3) formant pavillon d'extrémité de ceux-ci, laquelle ouverture (6) est réalisée dans ledit boítier au voisinage de son plan médian.
  10. Transducteur suivant les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite ouverture (6) est périphérique et circulaire, et lesdits bords de celle-ci sont associés chacun à une couronne de matériaux résistant à la pression, et faisant partie intégralement du boítier (5) dont elles sont solidaires.
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