EP0728535A1 - Procédé et dispositif pour diminuer la fréquence de résonance des cavités des transducteurs immergeables - Google Patents

Procédé et dispositif pour diminuer la fréquence de résonance des cavités des transducteurs immergeables Download PDF

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EP0728535A1
EP0728535A1 EP96400364A EP96400364A EP0728535A1 EP 0728535 A1 EP0728535 A1 EP 0728535A1 EP 96400364 A EP96400364 A EP 96400364A EP 96400364 A EP96400364 A EP 96400364A EP 0728535 A1 EP0728535 A1 EP 0728535A1
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EP
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housing
orifice
cavity
pavilions
transducer
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EP96400364A
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German (de)
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EP0728535B1 (fr
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Yves Ripoll
Jacky Garcin
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Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
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Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
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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 present invention relates to methods and devices for reducing the resonance frequency of the cavities of the submersible transducers.
  • the technical sector of the invention is that of producing an electroacoustic submersible transducer.
  • the main application of the invention is to reduce this resonant frequency for so-called double "Tonpilz" transducers and in particular for those used to emit acoustic waves with high efficiency and around a given master plan and omnidirectionally following this plan.
  • Such immersible electroacoustic transducers and in particular piezoelectric transducers, are known, comprising a rigid cylindrical housing, hollow and open at its two axial ends, and inside which are arranged coaxially with the latter, two identical electro-acoustic motors, placed on either side of a central counterweight, and the opposite ends of which are surrounded by a flag.
  • Such transducers are called double "Tonpilz”.
  • Said electro-acoustic 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; for an application of this type of mono or double "Tonpilz" transducer to high power emissions, mention may be made of the application FR. 2,663,181 by Gilles GROSSO published on December 13, 1991, which describes additional devices to obtain increased power.
  • the main problem posed is therefore to be able to decrease the resonant frequency of the resonator, that is to say of the resonant cavities of a transducer of the type, in particular, double "Tonpilz" without increasing its dimensions and weight from a conventional transducer of the same type, and with at least the same sound power for at most the same power consumed .
  • a dynamic load integral with the latter partially closing its internal section and sharing said cavity interior in two rear and front parts communicating and the peripheral external edge of the pavilions of the internal wall of the housing is brought closer preferably at a distance of a few tenths of a millimeter.
  • said transducer thus produced is used in a frequency range surrounding that specific to the rear cavity thus delimited by said dynamic load: the definition and a type of embodiment thereof is given in the description below.
  • the presence of said dynamic load makes it possible in fact to indirectly increase the mass of the roof by association of a mass of liquid situated between the latter and said dynamic load; as the latter only partially closes the interior section of the housing, the liquid can however pass from the so-called front cavity to the so-called rear cavity but being braked according to the surface area ratio between the free surface of the conduit left by said dynamic load and the total internal surface of the housing: a virtual mass of the roof is thus obtained, the greater the higher this surface ratio.
  • said extension is extended rigid housing defined above, which is cylindrical with axis XX 'and encloses the two electroacoustic motors each associated with a horn, beyond these and in the axis XX'; two cavities are thus formed, each comprising an axial end orifice in front of the pavilions and the resonance of which is determined to correspond to the desired range of emission frequency; we are closing then completely the part of the housing located between the two said pavilions and enclosing a central cavity and the two end orifices of said housing are closed, each by a passive radiator.
  • one of the main applications of this latter embodiment is the possibility of emitting and / or receiving high-efficiency acoustic waves in horizontal planes to study the different properties, by layers or by slices, of the oceans, such as temperature, salinity, density, currents etc ..., both for understanding the phenomena and their fluctuation over time.
  • a technique known as “acoustic ocean tomography” has been developed for this to generate a three-dimensional image of the area crossed by sound waves, as is done in medicine with "X” beams, or in geology of the earth's crust with seismic waves: in the oceanic domain, low frequency acoustic waves are used.
  • these can enclose either closed, leaktight elastic tubes filled with gas, or at least one flexible bladder occupying part of its volume and filled with a more compressible fluid than the immersion liquid: the advantage of the presence of such so-called compliant tubes and / or of a bladder is also to reduce the loss of efficiency and attenuation of frequencies between the two resonance peaks specific to the transducer, one of which is linked to the mechanical resonance of the transducer assembly, and the other to that of its cavity.
  • Figure 1 is an axial sectional view of a transducer of the type indicated above with a central cavity open to the outside and defined below and equipped with a passive radiator according to the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a passive radiator according to Figure 1.
  • FIG. 3 represents comparative curves of sound power, between a conventional known transducer with double “Tonpilz” and a transducer of the same type equipped with a passive radiator, with respect to the frequency emitted.
  • Figure 4 is an axial sectional view of a half-transducer of the type indicated above, with three cavities, two of which are said to be front, each equipped with a passive radiator according to the invention.
  • the transducer as shown in section in this FIG. 1 therefore comprises, in a known manner, two electro-acoustic motors 1 aligned on an axis XX ', placed on either side of a central counterweight 2 and coaxially with the interior of a cylindrical housing 5, which can be called external covering all of said motors 1 up to the pavilions 3 at the end thereof, the cavity 7, thus delimited by said pavilions and said housing being filled with liquid 4 in which the entire transducer is immersed, such as sea water.
  • Said electro-acoustic motors 1 and the intermediate mass 2 are on the one hand, held together by a prestressing rod 9, also immobilizing by any means of assembly the two pavilions 3 on the ends of the pillar thus formed, and on the other part, assembled by means of different connecting pieces 11, themselves associated with different fixing pieces 12 to the external housing 5.
  • the various fixing means are such that they allow freedom of movement of the ends of the electro-acoustic motors on the side pavilions 3, which are integral with them and whose peripheral external edge 16, not connected and independent of the internal wall of the housing 5, can then vibrate freely so as to ensure the full emission of acoustic waves in the ambient environment.
  • An inner sleeve 13 isolates the preload rod from said motors 1, and an outer sealing envelope 8 ensures the insulation of these motors 1 and of the pavilions 3 with respect to the ambient medium 4.
  • the power of said electro-acoustic motors 1 is supplied by any power cable 10 fixed on said connecting parts 11 by an electrical connector 14.
  • the production of such a transducer and all of the various connecting parts constituting it are in the known field and can be carried out by any person skilled in the art: all the other elements making it possible in particular to obtain the Helmholtz resonance of the cavity as indicated in the introduction, as well as the various connecting elements making it possible to improve the mechanical production of the assembly are not shown here; some have been the subject of various other patent applications, such as those cited in particular in the introduction for so-called compliant tubes as shown in FIG. 4.
  • said external housing 5 comprises at least one opening 6 for communication with the outside, said opening possibly consisting of holes distributed around the cylindrical part of the housing or even consisting of a complete circular peripheral opening.
  • said opening or orifice 6, or also called vent is closed by a passive radiator 15 consisting of one or more solid plates of thickness "L", made of a material denser than said fluid 4, and suspended on the periphery of said orifice or vent by an elastic material 23 this or these plates constituting said passive radiator 15 preferably match the shape of the opening 6, 20 which they seal and that of the case 5 of which they then ensure continuity of surface.
  • the material of the plates of said passive radiator 15 may be metallic, of aluminum bronze or steel type, etc.: if the acoustic mass of the vent neck 20 thus closed is thus increased in a ratio of the order of eight, decreases the resonance frequency of the cavity as shown in Figure 3 and according to the equivalent acoustic mass thus obtained, one can also widen the range of this resonance frequency.
  • this acoustic mass is determined by the product of the density of the material multiplied by the height of the neck of the vent, that is to say in the present invention the thickness "L" of the plates constituting the passive radiator 15, and divided by the total area of the vent opening 20, if we increase the density of the material without changing the dimensions of the vent, we obtain actually a higher acoustic mass; conversely for the same acoustic mass, if the density is increased, the radiation area of this vent is increased and thus the impedance of the acoustic radiation.
  • said passive radiator 15 is made up of several independent plates or sectors 16 and connected together by elastic connections 17, as shown in perspective in FIG. 2, in which the total surface of the cylindrical vent or opening 6 is thus closed by eight sectors 16.
  • said transducer as shown in dotted lines on the left in FIG. 1 can comprise behind each pavilion 3 and inside the case 5 a dynamic load 22 associated with each of the pavilions, integral with said case 5 and partially closing its inner section by dividing the internal cavity 7 into two parts, rear 71 and front 72, communicating: in the representation of Figure 1, this in fact corresponds to dividing the entire internal cavity of the housing into three cavities, of which only one rear central 71 is median and two so-called "front" cavities 72 are each located behind each of the two pavilions 3.
  • this consists of a solid wall 27 conforming to the shape of the internal surface of the wall of the housing 5 of which it is integral, surrounding the engine pillar 1 and drilled in less than one orifice 26 through which the latter passes, which orifice carries a conduit 28 extending behind the wall 27 relative to the pavilion 3 and leaving a free peripheral passage around said driving pillar 1.
  • FIG 3 there is shown a curve 24 of acoustic power emission of a known transducer as shown in Figure 1 with a passive radiator according to the invention, while curve 25 represents the same transducer but not equipped of said passive radiator, said emission powers being noted with respect to the frequencies in herz: it is thus noted that the resonant frequency of approximately 580 Hz is reduced by more than 100 Hz for the same emission power. This was of course measured from a given type of transducer, but with other transducers, we would obtain equivalent results with always the same shift in reduction of the resonance and emission frequency.
  • the submersible electroacoustic transducer as shown in section in FIG. 4 comprises, in a manner known as that of FIG. 1, two electroacoustic motors 1, aligned along an axis XX ′, placed on either side 'other of a central countermass 2 and coaxially inside a rigid cylindrical casing 5 of the same axis XX', covering all of said motors 1 up to the pavilions 3 at the end thereof and open itself- even at its two ends; the cavity 7 thus delimited between and at the rear of said pavilions and by the housing itself is in communication with the external immersion liquid 10, by the only annular spaces "e” between the internal shape of said rigid housing 5 and the peripheral edges of the ends of the pavilions 3: this space "e” should be as small as possible, ie less than 0.5 mm to avoid pumping of the liquid between the front and the rear of said pavilions, as in the example of Figure 1 with dynamic load 27, although in this example this distance is less critical. No other communication or vent is made in the housing
  • said rigid housing 5 extends along its axis XX ′ beyond the two pavilions 3 and constitutes therewith two cavities 19 whose resonance corresponds to the desired emission frequency.
  • said cavities 16 may contain elastic tubes 18 closed, sealed and filled with gas, which are called compliant tubes, such as those described in the patent application FR. 2,665,998 of May 5, 1988.
  • the opening 20 of said cavities 19 on the outside are of a diameter d smaller than the internal diameter D of the rigid housing 5 a dimensional compromise must then be found between the total dimension of the cavity, the compliant tubes or other devices as described below, and the diameter of this opening.
  • said cavity 7 inside said housing 5 and located between the two pavilions 3 and in which said electroacoustic motors 1 are located can indeed also enclose elastic tubes 18, closed, sealed and filled with gas, called therefore compliant.
  • each orifice 20, or axial end opening or vent, of said front cavities 19 is closed by a passive radiator 15 constituted by a plate of a material of higher density than the medium 4: as indicated previously, it can be a metallic piece of steel or aluminum bronze; this plate is suspended at the periphery of the opening or vent by an elastic suspension 23, and can be of convex shape.
  • said compliant tubes 18 can be replaced in any one of the cavities 7, 19 by at least one flexible bladder occupying at least part if not all of the entire volume of the cavity concerned and filled with a more compressible fluid than the ambient liquid 4: this can be applied either for the cavity 7, or for the end cavities 19, or for all of said cavities.
  • the fluid occupying the volumes delimited by the skin of said bladders must fill at best and preferably practically the entire cavity, because its volume must in fact be greater than that of the compliant tubes 18 represented and as described above, so as to have compressibility characteristics equivalent to that of said tubes as used to date in other types of transducers.
  • the compressibility of said fluid must in fact be less than 10 9 N / m 2 , defined by the product of its density P f with the square of the speed of propagation of sound in this fluid C f .
  • a fluid from the family of fully fluorinated organic compounds of the C8H18 type is thus preferably chosen; in addition, the viscosity should not be too high, or lower than that of water, preferably less than 6.5 x 10 -7 m 2 per second which is the viscosity of silicone oil.

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Abstract

Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation d'un transducteur immergeable et électroacoustique pour lequel on veut diminuer la fréquence de résonance tel qu'en particulier pour les transducteurs dits à double "Tonpilz". Le dispositif suivant l'invention concerne des transducteurs comportant au moins un pavillon (3) solidaire de l'extrémité d'un pilier moteur (1), un boîtier rigide creux (5) entourant ledit pavillon et délimitant avec celui-ci ou moins une cavité (7, 19) qui communique par au moins un orifice (6, 20) avec ledit fluide externe (4) que remplit ladite cavité, et ayant des dimensions et un volume externe déterminés, lequel transducteur transmettant des ondes dans une plage de fréquence et à une puissance donnée ; un radiateur passif (15), constitué d'un matériau plus dense que ledit fluide (4), obture ledit orifice (6, 20) et est suspendu à la périphérie du bord dudit orifice (6, 20) par un matériau élastique (23). <IMAGE>

Description

  • La présente invention a pour objet des procédés et dispositifs pour diminuer la fréquence de résonance des cavités des transducteurs immergeables.
  • Le secteur technique de l'invention est celui de la réalisation d'un transducteur immergeable électroacoustique.
  • L'application principale de l'invention est de diminuer cette fréquence de résonance pour les transducteurs dits à double "Tonpilz" et en particulier pour ceux utilisés pour émettre des ondes acoustiques avec un rendement élevé et autour d'un plan directeur donné et omnidirectionnellement suivant ce plan.
  • On connaît de tels transducteurs électroacoustiques immergeables, et en particulier piézoélectriques, comportant 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. De tels transducteurs sont dits doubles "Tonpilz". 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 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 basses fréquences dans une direction déterminée; pour une application de ce type de transducteur mono ou double "Tonpilz" à des émissions de fortes puissances, on peut citer la demande FR. 2.663.181 de Monsieur Gilles GROSSO publiée le 13 Décembre 1991, qui décrit des dispositifs complémentaires pour obtenir une puissance accrue.
  • Pour éviter la propagation des ondes acoustiques émises par les faces arrières des pavillons, à l'intérieur du boîtier, surtout quand celui-ci est justement plein de liquide, et qui sont alors retransmises dans le milieu ambiant malgré la rigidité dudit boîtier, on place dans la cavité remplie du liquide ambiant à l'arrière des pavillons de tels boîtiers non étanches, divers moyens tels que des tubes élastiques fermés, étanches et remplis de gaz, et tels que la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité soit voisine de la fréquence fondamentale des vibrations axiales de l'ensemble vibrant; un tel dispositif est décrit dans la demande de brevet FR. 2.665.998 du 05 Mai 1988 déposée par l'Etat Français Délégué Général pour l'Armement. 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 : d'autres moyens peuvent être développés dans le même objectif et s'appliquer à la présente invention, sachant que ces dispositifs nécessitent de conserver une cavité, en arrière des pavillons, de dimensions suffisantes.
  • Par ailleurs, quand on veut diminuer suivant les objectifs de la présente invention la fréquence basse d'utilisation de tels transducteurs en dessous de 500 hz tout en augmentant si possible ou au moins en gardant le même rendement électroacoustique et la puissance réellement émise, il est nécessaire de diminuer les fréquences de résonance à la fois du moteur et du résonateur. Si d'autres moyens peuvent être développés et font l'objet du reste d'autres demandes de brevets, pour ce qui concerne la diminution de fréquence de résonance du moteur, les caractéristiques de ces moyens peuvent être cependant combinées avec celles essentielles principales de la présente invention tel qu'il sera décrit ci-après, pour la diminution de la fréquence de résonance du résonateur..
  • Pour cela, il serait certes possible et il est connu à ce jour, d'augmenter la masse des pavillons ainsi que les dimensions de la cavité arrière de ceux-ci et/ou le nombre de tubes compliants comme décrit et indiqué ci-dessus, mais de telles solutions alourdissent et augmentent le volume total du transducteur, nécessitant alors une puissance acoustique plus élevée. Suivant les applications, surtout pour celles où le volume de stockage d'énergie est critique et dont le transducteur doit être autonome pour de grandes périodes, de telles solutions ne sont alors pas satisfaisantes.
  • Le problème principal posé est donc de pouvoir diminuer la fréquence de résonance du résonateur, c'est-à-dire de la ou des cavités résonantes d'un transducteur de type, en particulier, double "Tonpilz" sans en augmenter les dimensions et le poids à partir d'un transducteur classique de même type, et avec au moins la même puissance acoustique pour au plus la même puissance consommée.
  • Une solution au problème posé est un procédé d'émission d'ondes acoustiques dans un fluide, à basse fréquence, à partir d'un transducteur comportant au moins un pavillon solidaire de l'extrémité d'un pilier moteur, un boîtier rigide creux entourant ledit pavillon et délimitant avec celui-ci au moins une cavité qui communique par au moins un orifice avec ledit fluide externe, qui peut ainsi la remplir également, et ayant des dimensions et un volume externe déterminés, lequel transducteur transmettant des ondes dans une plage de fréquence et à une puissance électroacoustique données le procédé suivant l'invention est alors tel que :
    • on obture ledit orifice par un radiateur passif dont la définition est explicitée ci-après, constitué d'un matériau plus dense que ledit fluide ;
    • on suspend ce dit radiateur passif à la périphérie du dit orifice par un matériau élastique ;
    • on émet des ondes acoustiques à des fréquences plus basses que celle de la plage de fréquence initiale donnée et au plus avec la même puissance consommée.
  • Dans un mode de réalisation pour un transducteur à double "Tonpilz", on réalise une ouverture périphérique dans la paroi dudit boîtier du transducteur entre ses deux dits pavillons, constituant ainsi un desdits orifices de communication entre ledit fluide externe et la cavité intérieure située entre ces pavillons ;
    • on obture cette ouverture par un radiateur passif constitué en plusieurs secteurs indépendants et reliés entre eux par des liaisons élastiques.
  • De plus, comme indiqué précédemment, si on veut diminuer également la fréquence de résonance du moteur du transducteur et ainsi pouvoir augmenter le rendement acoustique de celui-ci et permettre alors d'augmenter la puissance acoustique pour une même puissance consommée donnée, on place en arrière dudit pavillon à l'intérieur dudit boîtier une charge dynamique solidaire de celui-ci, fermant partiellement sa section intérieure et partageant ladite cavité intérieure en deux parties arrière et avant communiquant et on rapproche le bord externe périphérique des pavillons de la paroi interne du boîtier de préférence à une distance de quelques dixièmes de millimètres. De préférence, on utilise ledit transducteur ainsi réalisé dans une plage de fréquence entourant celle propre de la cavité arrière ainsi délimitée par ladite charge dynamique : la définition et un type de réalisation de celle-ci est donné dans la description ci-après.
  • Ainsi on a pu générer à partir d'un transducteur connu de type double "Tonpilz", sans cavité en avant des pavillons comme décrit ci-après, un signal sonore d'environ 200 db à la fréquence de 300 hz sans augmenter le volume de la cavité ni le nombre de tubes compliants dans celle-ci comme cela se faisait jusqu'à ce jour. De plus, en utilisant simultanément une charge dynamique qui diminue la fréquence du moteur sans augmenter non plus la masse des pavillons pour un même niveau sonore, les contraintes mécaniques appliquées sur les céramiques de ces moteurs sont diminuées et la puissance consommée également.
  • En effet, la présence de ladite charge dynamique permet en fait d'augmenter indirectement la masse du pavillon par association d'une masse de liquide située entre celui-ci et ladite charge dynamique ; comme cette dernière ne ferme que partiellement la section intérieure du boîtier, le liquide peuc cependant passer de la cavité dite avant vers la cavité dite arrière mais en étant freiné suivant le rapport de surface entre la surface libre du conduit laissé par ladite charge dynamique et la surface totale interne du boîtier : on obtient ainsi une masse virtuelle du pavillon d'autant plus importante que ce rapport de surface est élevé.
  • Dans un mode particulier de réalisation, quand on veut utiliser un transducteur suivant l'invention et de type double "Tonpilz" pour émettre également avec un rendement élevé et de préférence autour d'un plan directeur donné et omnidirectionnellement dans ce plan, on prolonge ledit boîtier rigide défini précédemment, qui est cylindrique d'axe XX' et enferme les deux moteurs électroacoustiques associés chacun à un pavillon, au-delà de ceux-ci et dans l'axe XX' ; on constitue ainsi deux cavités comportant chacune un orifice axial d'extrémité en avant des pavillons et dont on détermine la résonance pour correspondre à la plage de fréquence d'émission voulue ; on ferme alors complètement la partie du boîtier située entre les deux dits pavillons et enfermant une cavité centrale et on obture les deux orifices d'extrémité dudit boîtier, chacun par un radiateur passif.
  • Ainsi, une des applications principales de ce dernier mode de réalisation est la possibilité d'émettre et/ou de recevoir des ondes acoustiques à haut rendement dans des plans horizontaux pour étudier les différentes propriétés, par couches ou par tranches, des océans, telles que la température, la salinité, la densité, les courants etc..., tant pour la compréhension des phénomènes que de leur fluctuation au cours du temps.
  • Une publication de la revue "Pour la Science" No. 158 de Décembre 1990, pages 66 et suivantes et présentée par Messieurs Robert SPINDEL et Peter WORCESTER décrit une telle application, les équipements et les mesures obtenus à ce jour dans ce domaine.
  • Il a été mis au point pour cela une technique, dite "tomographie acoustique des océans" pour engendrer une image à trois dimensions de la zone traversée par des ondes sonores, comme cela se fait en médecine avec des faisceaux de rayons "X", ou en géologie de la croûte terrestre avec des ondes sismiques : dans le domaine océanique, on utilise des ondes acoustiques basses fréquences.
  • En adaptant la résonance desdites cavités ainsi créées dans ce mode de réalisation tel que décrit suivant la Figure 4 à celle des fréquences d'émission et cela grâce à divers modes de réalisation tels que décrits à partir des figures jointes, on peut obtenir un rendement de 90 à 95 % de la puissance consommée, surtout dans les basses fréquences de 100 à 500 hz, mais le rendement est également amélioré dans les hautes fréquences.
  • De plus, si on veut obtenir un bon effet de directivité, on prolonge ledit boîtier rigide pour que sa longueur totale soit de la moitié environ, à 20 % près, soit en fait de 0,8 à 1,2 fois la moitié de la longueur d'onde des ondes acoustiques émises par le transducteur. Plus on s'écartera de la demi-longueur d'onde exacte, plus on émettra des lobes importants d'émission dans l'axe du transducteur et non pas dans le plan directeur voulu, mais cette perte d'émission dans un axe inutile ne représente pas une puissance très importante si on reste dans les tolérances ci-dessus.
  • Pour obtenir la résonance voulue des cavités, telle que décrite plus précisément ci-après, celles-ci peuvent enfermer soit des tubes élastiques fermés, étanches et remplis de gaz, soit au moins une vessie souple occupant une partie de son volume et remplie d'un fluide plus compressible que le liquide d'immersion : l'intérêt de la présence de tels tubes dits compliants et/ou d'une vessie est de réduire également la perte de rendement et d'atténuation de fréquences entre les deux pics de résonance propres au transducteur, dont l'un est lié à la résonance mécanique de l'ensemble du transducteur, et l'autre à celle de sa cavité.
  • Le résultat est de nouveaux procédés et transducteurs pouvant être équipés de dispositifs suivant l'invention pour émettre des ondes acoustiques dans un liquide avec pour objectif principal de réduire la fréquence d'émission sans augmenter le volume et le poids de transducteurs connus dont on utilise les mêmes pavillons et les mêmes moteurs électroacoustiques : au-delà de cet objectif et suivant l'application recherchée, on peut également alors en combinant divers dispositifs suivant l'invention tel qu'indiqué ci-dessus et décrit ci-après, améliorer le rendement acoustique et obtenir une certaine directivité.
  • On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et les figures 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 de l'étendue de cette invention, en particulier en changeant la forme de la charge dynamique telle que représentée en pointillés à titre d'exemple à gauche dans la Figure 1.
  • La Figure 1 est une vue en coupe axiale d'un transducteur de type indiqué précédemment à cavité centrale ouverte sur l'extérieur et défini ci-après et équipé d'un radiateur passif suivant l'invention.
  • La Figure 2 est une vue en perspective d'un radiateur passif suivant la Figure 1.
  • La Figure 3 représente des courbes comparatives de puissance acoustique, entre un transducteur classique connu à double "Tonpilz" et un transducteur de même type équipé d'un radiateur passif, par rapport à la fréquence émise.
  • La Figure 4 est une vue en coupe axiale d'un demi-transducteur de type indiqué précédemment, à trois cavités dont deux dites avant sont équipées chacune d'un radiateur passif suivant l'invention.
  • Nous notons tout d'abord que la présente invention peut s'appliquer à tous types de transducteurs immergeables composés au moins d'un pavillon et d'un pilier moteur, même si dans les exemples cités ci-avant et ci-dessous, il n'est décrit, pour des questions de simplification de description et du fait qu'il s'agit des applications principales de l'invention, que des pavillons couplés à des moteurs électro-acoustiques de transducteurs type double "Tonpilz" de forme cylindrique de révolution.
  • Le transducteur tel que représenté en coupe sur cette figure 1 comporte donc d'une manière connue, 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, que l'on peut appeler externe recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'aux pavillons 3 d'extrémité de ceux-ci, la cavité 7, ainsi délimitée par lesdits pavillons et ledit boîtier étant rempli du liquide 4 dans lequel l'ensemble du transducteur est immergé, tel que l'eau de mer.
  • Lesdits moteurs électro-acoustiques 1 et la masse intermédiaire 2 sont d'une part, tenus ensemble par une tige de précontrainte 9, immobilisant également par tout moyen d'assemblage les deux pavillons 3 sur les extrémités du pilier ainsi constitués, et d'autre part, assemblés grâce à différentes pièces de liaison 11, associées elles-mêmes à différentes pièces de fixation 12 au boîtier externe 5. Les divers moyens de fixation sont tels qu'ils permettent une liberté de déplacement des extrémités des moteurs électro-acoustiques du côté des pavillons 3, qui leur sont solidaires et dont le bord externe périphérique 16, non relié et indépendant de la paroi interne du boîtier 5, peut alors vibrer librement de façon à assurer la pleine émission d'ondes acoustiques dans le milieu ambiant.
  • Un fourreau intérieur 13 isole la tige de précontrainte desdits moteurs 1, et une enveloppe d'étanchéité extérieure 8 assure l'isolation de ces moteurs 1 et des pavillons 3 par rapport au milieu ambiant 4.
  • 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 de liaison le constituant sont du domaine connu et réalisables par tout homme du métier : tous les autres éléments permettant en particulier d'obtenir la fréquence de résonance d'Helmholtz de la cavité telle qu'indiquée en introduction, ainsi que les différents éléments de liaison permettant d'améliorer la réalisation mécanique de l'ensemble sont non figurés ici ; certains ont fait l'objet de diverses autres demandes de brevets comme celles en particulier citées en introduction pour des tubes dits compliants tels que représentés sur la Figure 4.
  • Pour permettre le remplissage de la cavité 7 par ledit liquide 4, ledit boîtier externe 5 comporte au moins une ouverture 6 de communication avec l'extérieur, ladite ouverture pouvant être constituée de trous répartis autour de la partie cylindrique du boîtier ou même constituée d'une ouverture périphérique circulaire complète.
  • Selon la présente invention, ladite ouverture ou orifice 6, ou appelée encore évent, est obturée par un radiateur passif 15 constitué d'une ou de plusieurs plaques pleines d'épaisseur "L", réalisées dans un matériau plus dense que ledit fluide 4, et suspendu à la périphérie dudit orifice ou évent par un matériau élastique 23 cette ou ces plaques constituant ledit radiateur passif 15 épousent de préférence la forme de l'ouverture 6, 20 qu'elles obturent et celle du boîtier 5 dont elles assurent alors la continuité de surface. Le matériau des plaques dudit radiateur passif 15 peut être métallique de type bronze d'aluminium ou acier etc... : si on augmente ainsi dans un rapport de l'ordre de huit la masse acoustique du col de l'évent 20 ainsi obturé on diminue la fréquence de résonance de la cavité telle que représentée sur la Figure 3 et suivant la masse acoustique équivalente ainsi obtenue, on peut également élargir la plage de cette fréquence de résonance.
  • De plus, comme cette masse acoustique est déterminée par le produit de la densité du matériau multipliée par la hauteur du col de l'évent, c'est-à-dire dans la présente invention de l'épaisseur "L" des plaques constituant le radiateur passif 15, et divisée par la surface totale de l'ouverture d'évent 20, si on augmente la densité du matériau sans changer les dimensions de l'évent, on obtient effectivement une masse acoustique plus élevée ; réciproquement pour une même masse acoustique, si on augmente la densité, on augmente la surface de rayonnement de cet évent et ainsi l'impédance du rayonnement acoustique.
  • Dans le cas où cette ouverture 6, suivant le transducteur représenté sur la Figure 1, est périphérique et continue, ledit radiateur passif 15 est constitué en plusieurs plaques ou secteurs 16 indépendants et reliés entre eux par des liaisons élastiques 17, telles que représentées en perspective sur la Figure 2, sur laquelle la surface totale de l'évent ou ouverture 6 cylindrique de révolution est ainsi obturée par huit secteurs 16.
  • De plus, ledit transducteur tel que représenté en pointillés à gauche sur la Figure 1 peut comporter en arrière de chaque pavillon 3 et à l'intérieur du boîtier 5 une charge dynamique 22 associée à chacun des pavillons, solidaire dudit boîtier 5 et fermant partiellement sa section intérieure en partageant la cavité interne 7 en deux parties, arrière 71 et avant 72, communiquant : dans la représentation de la Figure 1, cela correspond en fait à partager l'ensemble de la cavité interne du boîtier en trois cavités, dont une seule centrale arrière 71 est médiane et deux cavités dites "avant" 72 sont situées chacune derrière chacun des deux pavillons 3.
  • Suivant la représentation de la charge dynamique à gauche de la figure, celle-ci est constituée d'une paroi pleine 27 épousant la forme de la surface interne de la paroi du boîtier 5 dont elle est solidaire, entourant le pilier moteur 1 et percé au moins d'un orifice 26 au travers duquel passe celui-ci, lequel orifice porte un conduit 28 s'étendant en arrière de la paroi 27 par rapport au pavillon 3 et laissant un passage périphérique libre autour dudit pilier moteur 1.
  • D'autres réalisations avec d'autres conduits et orifices répartis sur ladite cloison 27 autour du pilier moteur 1 sont possibles. Il est nécessaire, spécifiquement dans ce mode de réalisation, que la distance "e" entre le bord externe périphérique des pavillons 3 et la paroi interne du boîtier soit la plus réduite possible, de toute façon de moins d'1 mm et de préférence de quelques dixièmes de millimètres, afin que cet espace ne permette que peu de perte de fuite du liquide de la cavité 72 vers l'extérieur en cours de vibration, afin que cedit fluide sollicite surtout la charge dynamique 22 pour augmenter ainsi virtuellement la masse du pavillon 3, et diminuer ainsi, à poids et volume égaux de celui-ci, sa fréquence d'émission pour une même puissance consommée.
  • Sur la Figure 3, il est représenté une courbe 24 d'émission de puissance acoustique d'un transducteur connu tel que représenté sur la Figure 1 avec un radiateur passif suivant l'invention, alors que la courbe 25 représente le même transducteur mais non équipé dudit radiateur passif, lesdites puissances d'émission étant relevées par rapport aux fréquences en herz : on note ainsi que la fréquence de résonance de 580 hz environ de base est diminuée de plus de 100 hz pour une mème puissance d'émission. Ceci a été bien sûr mesuré à partir d'un type de transducteur donné, mais avec d'autres transducteurs, on obtiendrait des résultats équivalents avec toujours un même décalage de diminution de la fréquence de résonance et d'émission.
  • Dans un autre mode de réalisation, le transducteur électroacoustique immergeable tel que représenté en coupe sur la figure 4, comporte d'une manière connue comme celui de la Figure 1 deux moteurs 1 électroacoustiques, alignés suivant un axe XX', placés de part et d'autre d'une contremasse centrale 2 et coaxialement à l'intérieur d'un boîtier 5 rigide cylindrique de même axe XX', recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'aux pavillons 3 d'extrémité de ceux-ci et ouvert lui-même à ses deux extrémités ; la cavité 7 ainsi délimitée entre et à l'arrière desdits pavillons et par le boîtier lui-même est en communication avec le liquide d'immersion extérieur 10, par les seuls espaces annulaires "e" entre la forme intérieure dudit boîtier rigide 5 et les bords périphériques des extrémités des pavillons 3 : cet espace "e" devra être le plus réduit possible, soit inférieur à 0,5 mm pour éviter un pompage du liquide entre l'avant et l'arrière desdits pavillons, comme dans l'exemple de la Figure 1 avec la charge dynamique 27, bien que dans le présent exemple cette distance soit moins critique. Aucune autre communication ou évent n'est pratiqué dans le boîtier en dehors des trous nécessaires au passage de coque 10 d'alimentation et aux fixations 21 externes, mais alors fermés et étanchéifiés pour éviter toute perte acoustique.
  • Suivant ce mode de réalisation, ledit boîtier rigide 5 s'étend selon son axe XX' au-delà des deux pavillons 3 et constitue avec ceux-ci deux cavités 19 dont la résonance correspond à la fréquence d'émission voulue.
  • Pour cela, lesdites cavités 16 peuvent contenir des tubes élastiques 18 fermés, étanches et remplis de gaz, que l'on appelle tubes compliants, tels que ceux décrits dans la demande de brevet FR. 2.665.998 du 5 Mai 1988.
  • Par ailleurs, pour permettre un meilleur accord de la résonance des cavités avec la fréquence d'émission voulue, l'ouverture 20 desdites cavités 19 sur l'extérieur sont d'un diamètre d plus petit que le diamètre interne D du boîtier rigide 5 un compromis dimensionnel doit être alors trouvé entre la dimension totale de la cavité, les tubes compliants ou autres dispositifs tels que décrits ci-après, et le diamètre de cette ouverture.
  • Dans un mode de réalisation, ladite cavité 7 intérieure au dit boîtier 5 et située entre les deux pavillons 3 et dans laquelle se situent lesdits moteurs électroacoustiques 1, peut en effet également enfermer des tubes élastiques 18, fermés, étanches et remplis de gaz, appelés donc compliants.
  • 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 sans qu'il soit nécessaire d'en donner plus de détails de réalisation, tels qu'en particulier les fixations, les tubes compliants et les différentes pièces de liaison des éléments les uns par rapport aux autres.
  • Suivant la présente invention, chaque orifice 20, ou ouverture axiale d'extrémité ou évent, desdites cavités 19 avant est obturé par un radiateur passif 15 constitué par une plaque d'un matériau de densité plus élevée que le milieu 4 : comme indiqué précédemment, il peut s'agir d'une pièce métallique en acier ou en bronze d'aluminium ; cette plaque est suspendue à la périphérie de l'ouverture ou évent par une suspension élastique 23, et peut être de forme bombée.
  • Pour permettre une immersion plus importante de ce transducteur, lesdits tubes compliants 18 peuvent être remplacés dans l'une quelconque des cavités 7, 19 par au moins une vessie souple occupant au moins une partie si ce n'est la totalité de tout le volume de la cavité concernée et remplie d'un fluide plus compressible que le liquide 4 ambiant : ceci peut s'appliquer soit pour la cavité 7, soit pour les cavités 19 d'extrémité, soit pour l'ensemble desdites cavités.
  • En fait, compte tenu de la présence des moteurs acoustiques 1 et des différents pièces d'assemblage 12 et du câble d'alimentation 10, il peut être de préférence disposé dans la cavité centrale 7 :
    • soit plusieurs vessies indépendantes, qui sont glissées par des ouvertures dans le boîtier 5, après avoir été de préférence remplies, lesdites ouvertures devant être ensuite refermées pour assurer la continuité du boîtier rigide extérieur 5 au niveau de cette cavité centrale 7 ;
    • soit une seule membrane occupant au moins une partie si ce n'est l'ensemble de la surface interne de la cavité 7 du transducteur et réalisée par une peau en élastomère par exemple, et que l'on remplit ensuite dudit fluide, 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 fluide occupant les volumes délimités par la peau desdites vessies doit remplir au mieux et de préférence pratiquement toute la cavité, car son volume doit être en fait supérieur à celui des tubes compliants 18 représentés et tels que décrits précédemment, de façon à avoir des caractéristiques de compressibilité équivalentes à celle desdits tubes tels qu'utilisés à ce jour dans d'autres types de transducteurs.
  • Pour cela, la compressibilité dudit fluide doit être en fait inférieure à 109 N/m2, définie par le produit de sa masse volumique Pf avec le carré de la vitesse de propagation du son dans ce fluide Cf.
  • Pour avoir alors la valeur de la compliance globale de la cavité, on doit avoir à la fois :
    • . volume de la cavité 6 ou 16 = volume du fluide + volume de l'eau 10 résiduelle pouvant exister dans la cavité correspondante.
    • . compliance globale du système = (volume du fluide / Pf x Cf 2 du fluide) + (volume de l'eau / 2,22 x 109).
  • On choisit ainsi de préférence un fluide de la famille des composés organiques totalement fluoré de type C8H18 ; de plus, la viscosité ne doit pas être trop élevée, soit inférieure à celle de l'eau, de préférence moins de 6,5 x 10-7 m2 par seconde qui est la viscosité de l'huile silicone.

Claims (10)

  1. Procédé d'émission d'ondes acoustiques dans un fluide (4) à basse fréquence à partir d'un transducteur comportant au moins un pavillon (3) solidaire de l'extrémité d'un pilier moteur (1), un boîtier rigide (5) creux entourant ledit pavillon et délimitant avec celui-ci au moins une cavité (7, 19) qui communique par au moins un orifice (6, 20) avec ledit fluide (4) externe qui peut ainsi la remplir également et ayant des dimensions et un volume externe déterminés, lequel transducteur transmettant des ondes dans une plage de fréquence et à une puissance électroacoustique données, caractérisé en ce que :
    - on obture ledit orifice (6, 20) par un radiateur passif (15) constitué d'un matériau plus dense que ledit fluide (4) ;
    - on suspend ce dit radiateur passif (15) à la périphérie du dit orifice (6, 20) par un matériau élastique (23) ;
    - on émet des ondes acoustiques à des fréquences plus basses que celle de la plage de fréquence initiale donnée et au plus avec la même puissance consommée.
  2. Procédé d'émission d'ondes acoustiques suivant la revendication 1 à partir d'un transducteur dont le boîtier rigide (5) et cylindrique d'axe XX', entoure deux pavillons (3) et enferme deux moteurs électroacoustiques (1) associés chacun à l'un de ceux-ci, identiques et placés coaxialement de part et d'autre d'une contremasse centrale (2), caractérisé en ce que :
    - on prolonge ledit boîtier rigide (5) dans l'axe XX' au-delà des deux pavillons (3) et on constitue ainsi deux cavités (19) comportant chacune un orifice axial d'extrémité (20) et dont on détermine la résonance pour correspondre à la plage de fréquence d'émission voulue ;
    - on ferme complètement la partie du boîtier située entre les deux dits pavillons et enfermant une cavité centrale (7) ;
    - on obture les deux orifices d'extrémité (20) dudit boîtier (2), chacun par un radiateur passif (15).
  3. Procédé d'émission d'ondes acoustiques suivant la revendication 1 à partir d'un transducteur (2) dont le boîtier rigide (5) et cylindrique d'axe XX', entoure deux pavillons (3) et enferme deux moteurs électroacoustiques (1) associés chacun à l'un de ceux-ci, identiques et placés coaxialement de part et d'autre d'une contremasse centrale (2), caractérisé en ce que :
    - on réalise une ouverture périphérique (6) dans la paroi du boîtier (5) entre les deux dits pavillons constituant un desdits orifices de communication entre ledit fluide externe (4) et la cavité intérieure (7) située entre ces pavillons ;
    - on obture cette ouverture par un radiateur passif (15) constitué en plusieurs secteurs (16) indépendants et reliés entre eux par des liaisons élastiques (17).
  4. Dispositif pour diminuer la fréquence de résonance des cavités des transducteurs immergeables comportant au moins un pavillon (3) solidaire de l'extrémité d'un pilier moteur (1), un boîtier rigide creux (5) entourant ledit pavillon et délimitant avec celui-ci au moins une cavité (7, 19) qui communique par au moins un orifice (6, 20) avec ledit fluide externe (4) que remplit ladite cavité, et ayant des dimensions et un volume externe déterminés, lequel transducteur transmettant des ondes dans une plage de fréquence et à une puissance donnée, caractérisé en ce qu'il comporte un radiateur passif (15) constitué d'un matériau plus dense que ledit fluide (4), obturant ledit orifice (6, 20) et suspendu à la périphérie du bord dudit orifice (6, 20) par un matériau élastique (23).
  5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit boîtier (5) est cylindrique d'axe XX' et renferme deux moteurs électroacoustiques identiques (1) placés coaxialement dans ce boîtier de part et d'autre d'une contremasse centrale (2) et dont les extrémités opposées sont entourées chacune d'un pavillon (3), lequel boîtier (5) comporte entre les deux dits pavillons (3) une ouverture périphérique (6) constituant un orifice de communication entre la cavité intérieure (7) et le fluide externe (4), ladite ouverture étant obturée par un radiateur passif (15) constitué en plusieurs secteurs (16) indépendants et reliés entre eux par des liaisons élastiques (17).
  6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit transducteur comporte en arrière dudit pavillon (3) et à l'intérieur du boîtier (5) une charge dynamique (22) solidaire de celui-ci fermant partiellement sa section intérieure et partageant la cavité interne (7) en deux parties arrière (71) et avant (72) communiquant.
  7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite charge dynamique (22) est constituée d'une paroi pleine (27) épousant la forme de la surface interne du boîtier (5) dont elle est solidaire, entourant le pilier moteur (1) et percé au moins d'un orifice (26) au travers duquel passe celui-ci, lequel orifice comporte un conduit (28) s'étendant en arrière de la paroi (27) par rapport au pavillon (3) et laissant un passage périphérique libre autour dudit pilier moteur (1).
  8. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit boîtier (5) est cylindrique d'axe XX' et renferme deux moteurs électroacoustiques identiques (1) placés coaxialement dans ce boîtier de part et d'autre d'une contremasse centrale (2) et dont les extrémités opposées sont entourées chacune d'un pavillon (3), lequel boîtier rigide (5) s'étend dans l'axe XX' au-delà des deux pavillons (3) et constitue avec ceux-ci deux cavités (19) dont la résonance correspond à la fréquence d'émission voulue et comportant chacune un orifice (20) axial d'extrémité obturé chacun par un radiateur passif (15).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les cavités (7, 19) délimitées par les pavillons (3) et le boîtier (5) enferment des tubes élastiques (18) fermés, étanches et remplis de gaz.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les dites cavités (7, 19) enferment chacune au moins une vessie souple occupant au moins une partie du volume de la cavité qui la contient et remplie d'un fluide plus compressible que le liquide (4) d'immersion.
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