EP0785825B1 - Emetteur acoustique sous-marin pour grande immersion - Google Patents

Emetteur acoustique sous-marin pour grande immersion Download PDF

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EP0785825B1
EP0785825B1 EP95935491A EP95935491A EP0785825B1 EP 0785825 B1 EP0785825 B1 EP 0785825B1 EP 95935491 A EP95935491 A EP 95935491A EP 95935491 A EP95935491 A EP 95935491A EP 0785825 B1 EP0785825 B1 EP 0785825B1
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EP
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annuli
transmitter
rings
decoupling
tube
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Eric Sernit
Bernard Fromont
Pascal Bocquillon
Josette Adda
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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
    • B06B1/0644—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
    • B06B1/0662—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 with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0674—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 with an electrode on the sensitive surface and a low impedance backing, e.g. air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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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
    • B06B1/0607—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
    • B06B1/0622—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 on one surface
    • B06B1/0633—Cylindrical array

Definitions

  • the present invention relates to acoustic transmitters submarines used under significant immersions, up to example 1000 m. These acoustic transmitters can be used to perform underwater tracking using the sonar technique.
  • the ceramic rings of diameter R and thickness e are subjected to hydrostatic pressure, the radial component of which generates in the ceramic a stress itself amplified by a factor R / e .
  • this amplification factor is of the order of 10 for a depth of 1000 m and we therefore obtain a stress of radial origin of the order of 10 8 Pascals.
  • the invention proposes a transmitter underwater acoustics according to the appended claims.
  • the two piezoelectric ceramic rings 101 and 102 shown in Figure 1 are formed in this embodiment by segments 103 alternately polarized in one direction and in the other according to the circumference of the rings. These polarizations are represented by arrows 104. These segments comprise between them radial electrodes which are supplied by connections 105 so as to make them contract and expand according to the signals applied by these connections. Under these conditions, the ring widens and shrinks so radial to the rhythm of these signals. This radial movement is represented by arrows 106.
  • the invention proposes to separate these two rings by a ring intermediary 107, which rather presents in the case of the figure the form of a washer because its thickness in this embodiment is clearly narrower than its width.
  • Such a decoupling ring must have characteristics relatively contradictory mechanics. Indeed, it must resist the residual axial pressure so as not to crush excessively, this which normally corresponds to a relatively high hardness (the residual nature of this axial pressure will be explained later in the text). On the other hand, it must have a low shear impedance vis-à-vis the shear impedance of ceramic rings, so as to obtain an effective decoupling, which normally corresponds to relatively high elasticity, therefore at a rather low hardness.
  • the invention proposes to make the intermediate decoupling rings according to a three-layer structure shown in Figure 2.
  • This three-layer structure is formed by an internal layer 201 hard and rigid surrounded by two external layers 202 and 203 flexible and elastic. In this way, the inner layer opposes the crushing while the outer layers allow relatively free play of ceramic rings with respect to each other.
  • This characteristic is obtained, which corresponds to an impedance in low shear, by playing on the characteristics (modulus of shear, Poisson's ratio, losses) of the materials that constitute this ring and on the dimensions (thickness, height, diameter) of the three layers.
  • the characteristics module of shear, Poisson's ratio, losses
  • the materials that constitute this ring and on the dimensions (thickness, height, diameter) of the three layers.
  • we can dynamically optimize the characteristics of this intermediate ring by modeling it, in a manner known in the art, on a mass-spring principle in which the two external layers 202 and 203 act as springs providing the necessary compliance and inner layer plays the role of the mass providing the desired inert.
  • This transmitter therefore consists of a stack of rings in piezoelectric ceramic 101 separated by decoupling rings 301.
  • these rings have been shown in one piece for needs for simplification, while their structure is of course that of Figure 2.
  • the internal diameter of these decoupling rings is here more smaller than the internal diameter of the ceramic rings, which allows come to embed them in an external circular groove made in rubber centering rings 302.
  • the external diameter of these centering rings is equal to the internal diameter of the rings ceramic.
  • This assembly is then threaded onto an internal tube 303, the external diameter is equal to the internal diameter of the centering rings 302.
  • these rings 302 also make it possible to decouple the vibration of the ceramic rings from the tube 303.
  • This tube ends at its base with an external shoulder 304 on which installs the last decoupling ring and the last centering ring.
  • the tube also ends at the top with an internal shoulder 305.
  • top tape 307 which constitutes the top of the transmitter and which comes to rest on the shoulder internal 305 and on the first upper decoupling ring and the first upper centering ring.
  • the internal tube 303 supports most of the stresses due to the pressure exerted on the lower stages 306 and superior 307.
  • the force applied by these tapes on the rings of lower and upper end decoupling and therefore on the set of ceramic rings and other rings of decoupling is then considerably reduced and is essentially limited to the prestressing value obtained during assembly using the tube 303 as a prestressing rod for prestressing to a low value and control the stacking of ceramics, so as to obtain characteristics acoustic reproducible in air and water.
  • this tube internal 303 in a composite material formed of fibers wound with a very small angle of inclination relative to the vertical axis of this tube, as shown schematically in Figure 4.
  • These fibers will immobilized inside a holding matrix.
  • a carbon / resin type material which we know performances are currently among the best available.
  • the ceramic rings and the decoupling rings are identical.
  • the invention proposes to use decoupling rings whose height and possibly the constitution are variable from one to the other in order to modify the decoupling between the ceramic rings according to their position in the transmitter.
  • This decoupling modification allows modify the radial velocities of movement of ceramics, i.e. the relative amplitudes of emission of the acoustic waves from the rings relative to each other.
  • the shape of the radiation pattern of the transmitter depends a lot of this speed profile, especially when it comes to attenuation of the side lobes.
  • the profile thus obtained can therefore be adapted to the operational conditions in which one wishes to use the transmitter.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

La présente invention se rapporte aux émetteurs acoustiques sous-marins utilisés sous des immersions importantes, pouvant atteindre par exemple 1000 m. Ces émetteurs acoustiques peuvent être utilisés pour effectuer des repérages sous-marins selon la technique des sonars.
Il est connu de réaliser des émetteurs acoustiques sous-marins permettant d'obtenir un diagramme d'émission omnidirectionnel dans un plan, généralement en gisement. On utilise pour cela un empilement de céramiques piézo-électriques annulaires qui vibrent radialement. Pour obtenir un bon rendement acoustique on fixe la fréquence d'émission sensiblement à la fréquence de résonance des anneaux. Des valeurs opérationnelles courantes sont un diamètre de 20 cm environ pour une fréquence d'émission de l'ordre de 5 KHz.
Pour des immersions relativement faibles, correspondant par exemple à celles d'un sonar de coque, la pression hydrostatique de l'eau influence de manière négligeable le fonctionnement d'un tel émetteur.
Ainsi on connaít du brevet US 3, 444, 508 un récepteur acoustique sous-marin suspendu par un câble à une bouée. Il comporte un tube support terminé par deux tapes. En outre, il est uniquement récepteur.
On connait aussi du brevet US 5, 099, 460 l'usage de joints pour protéger des anneaux de céramique acoustique contre les chocs.
Lorsqu'on veut procéder à des explorations à de plus grandes profondeurs, en plaçant par exemple l'émetteur dans un poisson remorqué sous une immersion importante, l'influence de la pression hydrostatique sur cet émetteur devient de plus en plus importante et finit par perturber son fonctionnement d'une manière excessive. On peut même dans certains cas assister à un endommagement, voire à une destruction, de l'émetteur en raison de la superposition des contraintes hydrostatiques et des contraintes dynamiques provenant de la vibration nécessaire à l'émission de l'onde acoustique. Pour obtenir en effet une puissance d'émission acoustique suffisante, on est amené à solliciter la céramique piézo-électriques par un champ électrique important qui entraíne des contraintes internes qui peuvent être très fortes, au point de provoquer des fractures de la céramique, ce qui nécessite alors de limiter la puissance rayonnée.
A grande profondeur, les anneaux de céramique de diamètre R et d'épaisseur e sont soumis à une pression hydrostatique dont la composante radiale génère dans la céramique une contrainte elle-même amplifiée d'un facteur R / e. A titre d'exemple ce facteur d'amplification est de l'ordre de 10 pour une profondeur de 1000 m et on obtient donc une contrainte d'origine radiale de l'ordre de 108 Pascals.
En outre, la force axiale due à la pression hydrostatique sur les extrémités de l'émetteur atteint pour une profondeur de 1000 m et un émetteur de 20 cm de diamètre une valeur de 300 000 Newtons (30 tonnes). Cette force appliquée sur la tranche des anneaux de céramique engendre une autre contrainte supplémentaire de l'ordre de 600 000 hectopascals (600 bars). Outre les risques de fracture la résultante de ces deux contraintes supplémentaires entraíne des conséquences graves en modifiant les coefficients piézo-électriques des céramiques, d'où une dérive des performances sur le niveau sonore et sur les impédances de l'antenne. Ces dérives présentent au moins partiellement un caractère irréversible qui peut s'aggraver au fur et à mesure des immersions successives. La compensation de tous ces effets est sinon impossible tout au moins difficile et coûteuse à mettre en oeuvre.
En outre, pour des raisons proprement acoustiques bien connues, il est utile de découpler mécaniquement les uns des autres les anneaux de céramique empilés les uns sur les autres pour former l'antenne de manière à pouvoir obtenir les performances souhaitées sur le diagramme d'émission de l'émetteur acoustique. Des forces aussi importantes que celles citées plus haut dues à des immersions profondes rendent impossible, par des moyens utilisés habituellement, un tel découplage mécanique entre les anneaux de céramique.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un émetteur acoustique sous-marin selon les revendications annexées.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaítront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent :
  • la figure 1, une vue de dessus et de côté en coupe de deux anneaux piézo-électriques séparés par un anneau de découplage ;
  • la figure 2, une vue en coupe de l'anneau de découplage de la figure 1 ;
  • la figure 3, une vue en coupe verticale d'un émetteur selon l'invention ; et
  • la figure 4, une vue en coupe d'une partie du tube interne de l'émetteur de la figure 3.
Les deux anneaux de céramique piézo-électrique 101 et 102 représentés sur la figure 1 sont formés dans cet exemple de réalisation par des segments 103 polarisés alternativement dans un sens et dans l'autre selon la circonférence des anneaux. Ces polarisations sont représentées par les flèches 104. Ces segments comportent entre eux des électrodes radiales qui sont alimentées par des connexions 105 de manière à les faire se contracter et se dilater en fonction des signaux appliqués par ces connexions. Dans ces conditions, l'anneau s'élargit et se rétrécit de manière radiale au rythme de ces signaux. Ce mouvement radial est représenté par les flèches 106.
Pour découpler l'anneau 101 par rapport à l'anneau 102, l'invention propose de séparer ces deux anneaux par un anneau intermédiaire 107, qui présente plutôt dans le cas de la figure la forme d'une rondelle car son épaisseur dans cet exemple de réalisation est nettement plus faible que sa largeur.
Un tel anneau de découplage doit présenter des caractéristiques mécaniques relativement contradictoires. En effet, il doit résister à la pression axiale résiduelle pour ne pas s'écraser d'une manière excessive, ce qui correspond normalement à une dureté relativement importante (le caractère résiduel de cette pression axiale sera explicité plus loin dans le texte). D'autre part, il doit présenter une impédance en cisaillement faible vis-à-vis de l'impédance de cisaillement des anneaux de céramique, de manière à obtenir un découplage efficace, ce qui correspond normalement à une élasticité relativement grande, donc à une dureté plutôt faible.
Pour obtenir simultanément ces deux résultats, l'invention propose de réaliser les anneaux intermédiaires de découplage selon une structure tricouche représentée sur la figure 2.
Cette structure tricouche est formée d'une couche interne 201 dure et rigide entourée de deux couches externes 202 et 203 souples et élastiques. De cette manière, la couche interne s'oppose à l'écrasement alors que les couches externes permettent un jeu relativement libre des anneaux de céramiques les uns par rapport aux autres.
On obtient cette caractéristique, qui correspond à une impédance en cisaillement faible, en jouant sur les caractéristiques (module de cisaillement, coefficient de Poisson, pertes) des matériaux qui constituent cet anneau et sur les dimensions (épaisseur, hauteur, diamètre) des trois couches. Compte tenu de la bande de fréquence dans laquelle doit fonctionner l'émetteur, on peut optimiser dynamiquement les caractéristiques de cet anneau intermédiaire en le modélisant, de manière connue dans l'art, sur un principe masse-ressort dans lequel les deux couches externes 202 et 203 jouent le rôle de ressorts apportant la compliance nécessaire et la couche interne joue le rôle de la masse apportant l'inerte souhaitée.
Dans la pratique, et pour les dimensions et fréquences pré-citées, en utilisant une couche centrale en polyéthylène d'une épaisseur de l'ordre du millimètre entourée par deux couches externes en néoprène ayant sensiblement la même épaisseur, on obtient déjà un résultat très proche du résultat souhaité et l'on peut affiner ce résultat en modifiant expérimentalement les épaisseurs. L'optimisation est obtenue très rapidement après quelques essais.
On assemble alors les anneaux de céramique avec les autres éléments formant la structure de l'émetteur pour obtenir un émetteur complet tel que représenté sur la figure 3.
Cet émetteur est donc constitué d'un empilement d'anneaux en céramique piézo-électriques 101 séparés par des anneaux de découplage 301. Sur la figure, ces anneaux ont été représentés monoblocs pour des besoins de simplification, alors que leur structure est bien entendu celle de la figure 2.
Le diamètre interne de ces anneaux de découplage est ici plus petit que le diamètre interne des anneaux de céramique, ce qui permet de venir les encastrer dans une rainure circulaire externe ménagée dans des anneaux de caoutchouc de centrage 302. Le diamètre externe de ces anneaux de centrage est égal au diamètre interne des anneaux de céramique.
On enfile alors cet ensemble sur un tube interne 303 dont le diamètre externe est égal au diamètre interne des anneaux de centrage 302. Outre cette fonction de centrage, ces anneaux 302 permettent également de découpler la vibration des anneaux de céramique par rapport au tube 303. Ce tube se termine à sa base par un épaulement extérieur 304 sur lequel repose le dernier anneau de découplage et le dernier anneau de centrage. Le tube se termine également en haut par un épaulement intérieur 305.
On vient alors faire reposer l'épaulement externe 304 sur une tape inférieure 306 qui constitue la base de l'émetteur.
On ferme ensuite cet ensemble par une tape supérieure 307 qui constitue le sommet de l'émetteur et qui vient reposer sur l'épaulement interne 305 et sur le premier anneau de découplage supérieur et le premier anneau de centrage supérieur.
Au fur et à mesure de l'assemblage des différents anneaux sur le tube interne 303, on a fait passer les connexions 308 des anneaux de céramiques par des trous ménagés dans les anneaux de centrage. L'ensemble de ces connexions repasse à l'intérieur du tube interne par un trou ménagé dans celui-ci. Il ressort ensuite de l'émetteur par un passage étanche non représenté et ménagé par exemple dans la tape supérieure 307.
On termine l'assemblage en recouvrant la face extérieure des anneaux de céramiques et des anneaux de découplage par une chemise 309 en matériau acoustiquement transparent, du polyuréthanne par exemple.
Selon l'invention, le tube interne 303 supporte l'essentiel des efforts dus à la pression qui s'exerce sur les tapes inférieure 306 et supérieure 307. L'effort appliqué par ces tapes sur les anneaux de découplage d'extrémité inférieur et supérieur et par conséquent sur l'ensemble des anneaux de céramique et des autres anneaux de découplage est alors considérablement réduit et se limite essentiellement à la valeur de précontrainte obtenue à l'assemblage en utilisant le tube 303 comme tige de précontrainte pour précontraindre à une valeur faible et maítrisée l'empilage de céramiques, de façon à obtenir des caractéristiques acoustiques reproductibles dans l'air et dans l'eau.
Pour cela il est nécessaire d'utiliser un tube interne 303 dont le coefficient élastique soit le plus faible possible et qui ne présente pas de forme trop massive pour éviter d'alourdir à l'excès l'émetteur. Ceci permet en outre d'utiliser un tube creux dont le volume intérieur peut être utilisé pour loger au moins une partie de l'électronique de traitement des signaux appliqués aux céramiques.
Pour obtenir ces résultats, l'invention propose de réaliser ce tube interne 303 dans un matériau composite formé de fibres bobinées avec un angle d'inclinaison très faible par rapport à l'axe vertical de ce tube, comme représenté de manière schématique sur la figure 4. Ces fibres seront immobilisées à l'intérieur d'une matrice de maintien. A titre d'exemple on utilisera un matériau de type carbone/résine, dont on sait que les performances sont à l'heure actuelle parmi les meilleures disponibles.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, les anneaux de céramiques et les anneaux de découplage sont identiques. A titre de variante, l'invention propose d'utiliser des anneaux de découplage dont la hauteur et éventuellement la constitution sont variables de l'un à l'autre afin de modifier le découplage entre les anneaux de céramique selon leur position dans l'émetteur. Cette modification de découplage permet de modifier les vitesses radiales de déplacement des céramiques, c'est à dire les amplitudes relatives d'émission des ondes acoustiques des anneaux les uns par rapport aux autres. On obtient ainsi un profil de vitesse radiale sur toute la hauteur qu'on peut faire varier dans de grandes limites. Comme on le sait la forme du diagramme de rayonnement de l'émetteur dépend beaucoup de ce profil de vitesse, en particulier en ce qui concerne l'atténuation des lobes secondaires. Le profil ainsi obtenu peut donc être adapté aux conditions opérationnelles dans lesquelles on souhaite utiliser l'émetteur. On pourrait aussi faire varier la hauteur des anneaux de céramique piézo-électriques, ce qui donnerait un degré de liberté supplémentaire pour configurer l'émetteur.

Claims (5)

  1. Emetteur acoustique sous-marin pour grande immersion, du type comprenant un ensemble d'anneaux piézo-électriques (101,102) empilés pour former un cylindre émetteur, qui est enfilé sur un tube (303) supportant à ses deux extrémités des tapes (306,307), caractérisé en ce que le coefficient élastique du tube est beaucoup plus faible que celui de l'empilage d'anneaux piézo-électriques et que ses dimensions sont telles qu'il supporte l'essentiel des efforts dus à la pression qui s'exerce sur les tapes à ses extrémités pour protèger l'empilage des anneaux des efforts dus à la pression, et en ce qu'il comprend en outre un ensemble d'anneaux de découplage (301) insérés respectivement entre les anneaux piézo-électriques et dont l'efficacité provient de la réduction des contraintes axiales due au tube résistant (303).
  2. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les anneaux de découplage ont une structure tricouche comprenant une couche interne (201) dure et rigide et deux couches externes (202,203) souples et élastiques.
  3. Emetteur selon la revendications 2, caractérisé en ce la couche interne est en polyéthylène et la couche externe en néoprène.
  4. Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les épaisseurs des anneaux de découplage (301) sont différentes entre elles pour obtenir une pondération de l'émission des anneaux piézo-électriques (101) en fonction de leur emplacement selon la hauteur de l'antenne.
  5. Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube interne (303) est formé d'un composite carbone/résine.
EP95935491A 1994-10-14 1995-10-13 Emetteur acoustique sous-marin pour grande immersion Expired - Lifetime EP0785825B1 (fr)

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EP0785825A1 EP0785825A1 (fr) 1997-07-30
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EP (1) EP0785825B1 (fr)
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FR2725868B1 (fr) 1997-01-03
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FR2725868A1 (fr) 1996-04-19
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