EP0769988B1 - Transducteur acoustique multifrequences a bandes larges - Google Patents

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EP0769988B1
EP0769988B1 EP95923401A EP95923401A EP0769988B1 EP 0769988 B1 EP0769988 B1 EP 0769988B1 EP 95923401 A EP95923401 A EP 95923401A EP 95923401 A EP95923401 A EP 95923401A EP 0769988 B1 EP0769988 B1 EP 0769988B1
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EP
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transducer
frequencies
frequency
impedance
acoustic
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Bertrand Le Verrier
Gérard ROUX
Bruno Tardy
Alphonse Ramos
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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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
    • B06B1/0614—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 for generating several frequencies
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    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element

Definitions

  • the present invention relates to acoustic transducers likely to operate on several transmission frequencies and / or reception with wide bandwidths around these frequencies. he allows underwater imagery to have a large range for a low frequency, but with low resolution, and high resolution for a high frequency, but with a short range. We then use in first operation at low frequency to identify the objects that we want to identify. The sonar boat equipped with this type of transducer then approaches the object thus detected, and when one is close enough, we use the high frequency, which allows to obtain a precise image of this object.
  • the invention provides a wideband multi-frequency acoustic transducer, of the type comprising a piezoelectric plate emitting impedance Z and resonating in ⁇ / 2 at a fundamental frequency F0, a rear plate of impedance Z3 and a support forming a reflector of the substantially zero impedance type, mainly characterized in that the rear plate resonates in ⁇ / 4 at the frequency F0 to allow two resonance frequencies FA and FB to be obtained from the assembled transducer, and in that this transducer further includes two front adapter blades whose impedances Z1 and Z2 are given by the formulas Z1 ⁇ Z0 3/5 xZ 2/5 Z2 ⁇ Z0 2/5 x Z 3/5 and whose thicknesses allow them to resonate substantially in ⁇ / 4 for each of the frequencies FA and FB respectively and to be substantially transparent for the frequencies not corresponding to their resonance; these thicknesses are optimized using a Mason type model.
  • the rear blade is formed of same material as the active blade
  • the material constituting the active layer and the rear plate is a ceramic of the PZT type for which Z is substantially equal to 21.10 6 acoustic ohms
  • the active blade has a thickness such that it resonates in ⁇ / 2 at a frequency of 250 kHz and that both emission frequencies for which the transducer is suitable are substantially equal to 350 kHz and 150 kHz.
  • the active element of the transducer is composed of a blade piezoelectric ceramic 201 which resonates in ⁇ / 2 at a frequency "natural" F0 when isolated.
  • This blade is fixed on a support 203 through a rear blade 202 which resonates itself in ⁇ / 4 to F0.
  • the support 203 itself constitutes a reflector of the impedance type substantially zero, known in particular by the Anglo-Saxon designation light backing, or soft reflector. To get such substantially zero impedance with a material strong enough to support the transducer, we use according to the known art a cellular material low density.
  • Z the impedance of the piezoelectric ceramic
  • Z0 the impedance of the external environment in which the acoustic waves are emitted
  • Z3 the impedance of the rear blade 202
  • the invention therefore proposes to use two adaptation blades before 204 and 205, in particular each blade for a frequency so that one of the blades adapts the device for one of the frequencies and the other blade for the other frequency.
  • these blades are superimposed, their behaviors interfere with each other, essentially to the extent where the slides are not completely transparent at frequencies for which they are not suitable.
  • the invention proposes that the thicknesses of the two blades before are close to a quarter of the wavelength of the frequencies FA and FB, and that their exact values are obtained from the use of a well-known model, based on equivalent schemes published by W.P. MASON in Physical Acoustics Principles and Methods 1964 - Academy Press.
  • a blade 202 made of piezoelectric ceramic of the PZT type was used, having an impedance substantially equal to 21 ⁇ 10 6 acoustic ohms.
  • the rear blade is designed to resonate in ⁇ / 4 at this same frequency, and the invention proposes by way of improvement to manufacture this blade with the same ceramic, PZT type, as that used for the blade active piezoelectric 201. This makes it possible to simplify in a large measures the manufacturing of the transducer.
  • the corresponding adaptation blade is of a thickness substantially equal to ⁇ / 4, which provides the desired adaptation, and that the other frequency, the thickness of the blades is close to ⁇ / 2 for one, and less than ⁇ / 8 for the other, which makes them substantially transparent to acoustic waves for the frequencies which they must not disturb.

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Description

La présente invention se rapporte aux transducteurs acoustiques susceptibles de fonctionner sur plusieurs fréquences d'émission et/ou de réception avec des bandes passantes larges autour de ces fréquences. Il permet en imagerie sous-marine d'avoir une grande portée pour une fréquence basse, mais avec une faible résolution, et une grande résolution pour une fréquence haute, mais avec une faible portée. On utilise alors dans un premier temps le fonctionnement en fréquence basse pour repérer les objets que l'on veut identifier. Le bateau porteur du sonar équipé de ce type de transducteur s'approche ensuite de l'objet ainsi détecté, et lorsque l'on est suffisamment près, on utilise la fréquence haute, qui permet d'obtenir une image précise de cet objet.
Il est connu de la demande de brevet français numéro 8707814, déposée par la demanderesse le 4 juin 1987 et délivré le 9 décembre 1988 sous le numéro 2616240, ainsi que de la demande de brevet européen numéro 0285 482 déposée le 11 mars 1988 par la demanderesse, de fabriquer un transducteur acoustique multifréquences essentiellement destiné à être utilisé dans des usages médicaux, en insérant entre la lame piézoélectrique active et le réflecteur d'une sonde ordinaire, une lame demionde à la fréquence de résonance naturelle de cette lame. On peut ainsi utiliser la sonde selon deux fréquences distinctes, dont l'une est sensiblement égale à la moitié de l'autre. Toutefois, ce système, s'il est bien adapté à l'imagerie médicale, en particulier pour utiliser une fréquence en imagerie et l'autre fréquence pour visualiser les flux sanguins, présente en imagerie sous-marine un certain nombre d'inconvénients. En particulier, la largeur de bande autour d'une des deux fréquences de résonance est relativement faible. Ceci n'est pas très important pour la fréquence utilisée pour visualiser les flux sanguins. En imagerie sous-marine, par contre, les traitements utilisés nécessitent d'avoir une grande largeur de bande pour les deux gammes de fréquence.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur acoustique multifréquences à bandes larges, du type comprenant une lame piézoélectrique éméttrice d'impédance Z et résonnant en λ/2 à une fréquence fondamentale F0, une lame arrière d'impédance Z3 et un support formant un réflecteur du type d'impédance sensiblement nulle, principalement caractérisé en ce que la lame arrière résonne en λ/4 à la fréquence F0 pour permettre d'obtenir deux fréquences de résonance FA et FB du transducteur assemblé, et en ce que ce transducteur comprend en outre deux lames adaptatrices avant dont les impédances Z1 et Z2 sont données par les formules Z1 ≅ Z03/5 xZ2/5 Z2 ≅ Z02/5 x Z3/5    et dont les épaisseurs leur permettent de résonner sensiblement en λ/4 pour respectivement chacune des fréquences FA et FB et d'être sensiblement transparentes pour les fréquences ne correspondant pas à leur résonnance; ces épaisseurs étant optimisées à l'aide d'un modèle de type Mason.
Selon une autre caractéristique, la lame arrière est formée du même matériau que la lame active
Selon une autre caractéristique, le matériau constituant la couche active et la lame arrière est une céramique du type PZT pour laquelle Z est sensiblement égale à 21.106ohms acoustiques, les lames d'adaptation ont respectivement pour impédance Z1 = 3,9.106ohms acoustiques et Z2=6.106ohms acoustiques, et les épaisseurs de ces lames sont respectivement égales à e1 = λ/2,16 et e2 = λ/3,37 pour la fréquence FA.
Selon une autre caractéristique, la lame active a une épaisseur telle qu'elle résonne en λ/2 à une fréquence de 250 kHz et que les deux fréquences d'émission pour lesquelles le transducteur est adapté sont sensiblement égales à 350 kHz et à 150 kHz.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaítront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent:
  • la Figure 1, une vue en coupe de la structure d'une antenne selon l'invention;
  • la Figure 2, une vue en perspective des différentes couches constituant cette antenne, éclatées les unes par rapport aux autres; et
  • la Figure 3, une vue en perspective d'un tel transducteur après découpe pour obtenir des colonnes nécessaires dans le cas d'une application à un sonar.
On a représenté sur la Figure 1, une coupe prise selon l'épaisseur d'un transducteur selon l'invention .
L'élément actif du transducteur est composé d'une lame de céramique piézoélectrique 201 qui résonne en λ/2 à une fréquence "naturelle" F0 lorsqu'elle est isolée. Cette lame est fixée sur un support 203 par l'intermédiaire d'une lame arrière 202 qui résonne elle même en λ/4 à F0. Le support 203 constitue lui-même un réflecteur du type à impédance sensiblement nulle, connu en particulier sous la dénomination anglo-saxonne de "backing" léger, ou de réflecteur mou. Pour obtenir une telle impédance sensiblement nulle avec un matériau suffisamment résistant pour soutenir le transducteur, on utilise selon l'art connu un matériau alvéolaire de densité faible.
L'addition à la lame en céramique piézoélectrique 201 de la lame arrière résonnante 202 permet d'obtenir pour l'ensemble deux fréquences de résonance FA et FB telles que FA est compris entre 1,5 FB et 3 FB. En outre (FA+FB)/2=F0.
Afin d'améliorer le comportement du transducteur, en particulier son adaptation par rapport au milieu, généralement de l'eau, dans lequel il doit émettre, ainsi que l'obtention de largeurs de bande suffisantes autour des deux fréquences de résonance FA et FB définies plus haut, on superpose sur la face avant émettrice de la lame 201 deux lames avant d'adaptation 204 et 205, chacune de type quart d'onde respectivement aux deux fréquences FA et FB.
En appelant Z l'impédance de la céramique piézoélectrique, Z0 l'impédance du milieu extérieur dans lequel les ondes acoustiques sont émises, et Z3 l'impédance de la lame arrière 202, on montre qu'un choix adéquat de l'impédance de la lame arrière, Z et Z0 étant en principe déterminées par des matériaux utilisés, permet de choisir le rapport de fréquences FA/FB Ainsi, pour couvrir une plage FA/FB allant de 1,5 à 3, on est amené à choisir Z3 entre Z/6,2 et Z x 4,6.
On ne savait dans l'art précédent adapter qu'une seule des deux fréquences en utilisant une seule lame d'adaptation avant, sauf dans certains cas numériques particuliers, par exemple lorsque FA/FB = 3.
Pour adapter les deux fréquences, l'invention propose donc d'utiliser deux lames d'adaptation avant 204 et 205, en particularisant chaque lame pour une fréquence de manière à ce que l'une des lames adapte le dispositif pour l'une des fréquences et l'autre lame pour l'autre fréquence. En fait, compte tenu de ce que ces lames sont superposées, leurs comportements interfèrent entre eux, essentiellement dans la mesure où les lames ne sont pas complétement transparentes aux fréquences pour lesquelles elles ne sont pas adaptées.
On souhaite donc répondre simultanément à plusieurs critères:
  • que chaque lame prise séparément réalise l'adaptation d'impédance à la fréquence qui lui est assignée;
  • que la transmission de l'énergie acoustique émise par la céramique piézoélectrique 201 soit optimisée vers le milieu avant.
Les recherches des inventeurs ont abouti à déterminer les impédances des deux lames selon les deux formules suivantes: Z1 ≅ Z03/5 xZ2/5 Z2 ≅ Z02/5 x Z3/5
En outre, l'invention propose que les épaisseurs des deux lames avant soient proches du quart de la longueur d'onde des fréquences FA et FB, et que leurs valeurs exactes soient obtenues à partir de l'utilisation d'un modèle bien connu, fondé sur les schémas équivalents publiés par W.P. MASON dans Physical Acoustics Principles and Methods 1964 - Academy Press.
A titre d'exemple de réalisation, on a utilisé une lame 202 en céramique piézoélectrique du type PZT présentant une impédance sensiblement égale à 21.106ohms acoustiques. L'épaisseur de la lame est choisie pour qu'elle résonne en λ/2 à une fréquence F0 = 250 kHz.
La lame arrière est prévue pour résonner en λ/4 à cette même fréquence, et l'invention propose à titre d'amélioration de fabriquer cette lame avec la même céramique, du type PZT, que celle utilisée pour la lame piézoélectrique active 201. Ceci permet de simplifier dans une grande mesure la fabrication du transducteur.
Dans ces conditions, on obtiendra pour les deux fréquences FA et FB, respectivement des valeurs sensiblement égales à 350 kHz et à 150 kHz. On constate bien que FO est sensiblement égale à (FA+FB)/2 et que en outre FA/FB est sensiblement égale à 2,33.
Les lames 204 et 205 sont réalisées, selon l'art connu, avec des matériaux dont la composition permet d'obtenir les impédances acoustiques souhaitées. Ces impédances seront choisies, conformément aux formules citées plus haut, pour avoir comme valeurs Z1 = 3,9.106ohms acoustiques et Z2 = 6.106ohms acoustiques.
L'utilisation du modèle du type Mason pour définir les épaisseurs de ces deux lames donne des résultats, exprimés en longueur d'onde, égaux à:
  • Pour FA=350kHz, e1 = λ/2,16 et e2 = λ/3,77
  • Pour FB=150kHz, e1 = λ/5,04 et e2 = λ/8,81
    • On constate donc qu'effectivement pour chacune des fréquences choisies, la lame d'adaptation correspondante est d'une épaisseur sensiblement égale à λ/4 , ce qui procure l'adaptation souhaitée, et qu'à l'autre fréquence, l'épaisseur des lame est proche de λ/2 pour l'une, et inférieur à λ/8 pour l'autre, ce qui les rend sensiblement transparentes aux ondes acoustiques pour les fréquences qu'elles ne doivent pas perturber.
    Les variations par rapport à λ/4 et à λ/2 proviennent justement de l'interaction entre les différentes couches, dont l'effet est modélisé par le modèle de type Mason.
    Les mesures effectuées sur un transducteur réalisé selon ces caractéristiques ont montré que les largeurs de bande obtenues étaient supérieures à 20% pour FA et supérieures à 50% pour FB, ce qui est tout à fait satisfaisant.
    Pour réaliser un transducteur à partir de cette structure, on empile, comme représenté sur la Figure 2, une succession de lames des matériaux choisis avec les épaisseurs ainsi déterminées, en interposant en outre entre la céramique 201 et la couche 204 d'une part, et entre cette céramique et la couche 202 d'autre part, des électrodes 211 et 221 formées d'une fine couche métallique conductrice qui ne perturbe pas le fonctionnement acoustique de l'ensemble. Ces électrodes 211 et 221 sortent du sandwich de manière à être accessibles pour pouvoir les relier aux connexions délivrant le signal destiné à exciter la céramique 201. Ces différentes lames sont collées entre elles, et le sandwich ainsi obtenu est ensuite découpé en colonnes comme représenté sur la Figure 3, afin d'obtenir la structure du transducteur nécessaire pour avoir une émission correcte des ondes acoustiques par la face avant, selon les techniques bien connues en sonar.

    Claims (4)

    1. Transducteur acoustique multifréquences à bandes larges, du type comprenant une lame piézoélectrique éméttrice (201) d'impédance Z et résonnant en λ/2 à une fréquence fondamentale F0, une lame arrière (202) d'impédance Z3 et un support (203) formant un réflecteur du type d'impédance sensiblement nulle, caractérisé en ce que la lame arrière (202) résonne en λ/4 à la fréquence F0 pour permettre d'obtenir deux fréquences de résonance FA et FB du transducteur assemblé, et en ce que ce transducteur comprend en outre deux lames adaptatrices avant (204, 205) dont les impédances Z1 et Z2 sont données par les formules Z1 ≅ Z03/5 xZ2/5 Z2 ≅ Z02/5 x Z3/5    et dont les épaisseurs leur permettent de résonner à des fréquences sensiblement en λ/4 pour respectivement chacune des fréquences FA et FB et d'être sensiblement transparentes pour les fréquences ne correspondant pas à leur résonnance; ces épaisseurs étant optimisées à l'aide d'un modèle de type Mason.
    2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame arrière (202) est formée du même matériau que la lame active (201).
    3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active (201) et la lame arrière (202) est une céramique du type PZT pour laquelle Z est sensiblement égale à 21.106ohms acoustiques, que les lames d'adaptation (204, 205) ont respectivement pour impédance Z1 = 3,9.106ohms acoustiques et Z2=6.106ohms acoustiques, et que les épaisseurs de ces lames sont respectivement égales à e1 = λ/2,16 et e2 = λ/3,37 pour la fréquence FA.
    4. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lame active (201) a une épaisseur telle qu'elle résonne en λ/2 à une fréquence de 250 kHz et que les deux fréquences d'émission pour lesquelles le transducteur est adapté sont sensiblement égales à 350 kHz et à 150 kHz.
    EP95923401A 1994-07-08 1995-06-16 Transducteur acoustique multifrequences a bandes larges Expired - Lifetime EP0769988B1 (fr)

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    EP0769988A1 EP0769988A1 (fr) 1997-05-02
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    US (1) US5706252A (fr)
    EP (1) EP0769988B1 (fr)
    JP (1) JP3321172B2 (fr)
    CA (1) CA2194605C (fr)
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    DK (1) DK0769988T3 (fr)
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