EP1222653A1 - Transducteur acoustique sous-marin a large bande - Google Patents

Transducteur acoustique sous-marin a large bande

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EP1222653A1
EP1222653A1 EP00967997A EP00967997A EP1222653A1 EP 1222653 A1 EP1222653 A1 EP 1222653A1 EP 00967997 A EP00967997 A EP 00967997A EP 00967997 A EP00967997 A EP 00967997A EP 1222653 A1 EP1222653 A1 EP 1222653A1
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EP
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cover
transducer
cavity
transducer according
cylinder
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EP00967997A
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Yves Thomson-CSF Propriété Intellect. LAGIER
Vito Thomson-CSF Propriété Intellectuelle SUPPA
Gérard Thomson-CSF Propriété Intellectuelle ROUX
Gilles Thomson-CSF Propriété Intellect. LUBRANO
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Thales Underwater Systems SAS
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Thales Underwater Systems SAS
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general
    • G—PHYSICS
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    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/20—Sounding members

Definitions

  • the present invention relates to wideband underwater acoustic transducers which are essentially used as transmitters of acoustic signals in the active sonars of surface vessels. However, these transducers can also be used as receivers, as well as in sonar for submarines.
  • transmitter transducers are of the so-called "tonpilz" type. These transducers use a transmitting horn which is excited by a ceramic pillar which rests on a counter mass.
  • These “tonpilz” transmitters make it possible to obtain a good level of emission and a significant rear rejection, making it possible to perform channel formations at low level of secondary.
  • they can be used both for transmission and for reception.
  • they have the disadvantage of having a relatively small bandwidth, typically corresponding to an overvoltage coefficient Q ⁇ 3.5.
  • the transducer / housing junction is relatively fragile, which entails a risk of water entering at this level.
  • the frequencies that can be transmitted are strictly related to the dimensions of the pavilion, we can only go down in frequency by increasing these dimensions, which quickly becomes prohibitive.
  • the invention provides a wideband underwater acoustic transducer, comprising at least one piezoelectric blade operating in flexion, mainly characterized in that it further comprises a cylindrical cover closed at one end by a plate base and open at the other end to form a first cavity; the piezoelectric blade being fixed on the external face of the base plate and the first cavity of the cover being open freely towards the external environment in which the cover is immersed.
  • the cross section of the cover is circular.
  • the cross section of the cover is elliptical.
  • the first cavity is filled at least partially with an adaptation material whose acoustic characteristics are different from those of the external environment in which the transducer is immersed.
  • it further comprises a body comprising a second internal cavity closed by the cover so as to be isolated from the external medium with the piezoelectric blade enclosed in the second internal cavity and the first cavity being turned towards the outside.
  • it comprises two cover / piezoelectric blade assemblies fixed head to tail assembly.
  • the cover forms the front face of a transducer of known type "tonpilz".
  • FIG. 3 a longitudinal sectional view of a variant of the invention, in which the transducer is double.
  • the device according to the invention shown in longitudinal section in Figure 1 has a structure which is easily seen to be a complete break with the technology currently used, which is based on the structure "tonpilz" mentioned above.
  • This device comprises as active element a ceramic plate 101, which is preferably unique and which conventionally comprises a pair of electrodes 102 and 103 each fixed on one of the main faces of this plate. Preferably, these electrodes consist of silvering by deposition. These electrodes are connected by wires 104 to an amplifier which delivers an excitation signal at the desired frequency. Given the structure of the device, it would be entirely possible to limit these supply wires to a single wire connected to the electrode 103 which is isolated. The other electrode, which is connected to the ground of the device, would then be supplied via this ground.
  • the electrode 102 is fixed to the flat underside of a part 105 in the form of a cylinder closed at its base and open at its upper end. We will call this part "hood”.
  • the vibrations of the ceramic plate 101 are transmitted to the cover, the structure of which vibrates according to two main resonance modes.
  • the critical couplings of these two resonance modes then make it possible to obtain a large bandwidth, corresponding to approximately 60% of the central frequency.
  • the first mode of resonance is the natural mode of bending of the underside of the cover under the action of the ceramic working in mode 3.1.
  • the second mode comes from the action of the fluid filling the internal cavity 106 formed by the cover which is directly immersed in the external environment, sea water in general. In fact, in this cavity, the speed of the acoustic waves is lower than in the free space, because the walls of the cover are not infinitely rigid.
  • the invention also proposes that the lower wall 107 of the cover has a central excess thickness such that the cross section of this strip corresponds to the shape of a beam of equal resistance.
  • the stresses applied by the pressure of the external fluid on the ceramic blade 101 via the bottom 107 of the cover are uniformly distributed over this blade, which prevents it from bending under the action of this pressure. and therefore eliminates the risk of rupture of the ceramic blade under the effect of pressure.
  • the transducer is completed by a body, or "tape", 107 which has the shape of a cylinder concentric with the cover 105 and which has at its upper part a cavity 108 in which comes '' press the cover down.
  • This cover is fixed by its lateral external face to the body by welding, for example at the upper end of this body.
  • This attachment 109 is thicker inside the cavity 108 so as to provide a free space 1 10 between the inner wall of the cavity 108 and the outer wall of the cover 105, to avoid disturbing the vibration regime.
  • the power cables 104 exit from the body through an axial channel 111 which opens on one side into the cavity 108 and on the other side to the lower surface of the body.
  • This axial channel is blocked by means not shown, a screw cap for example, which allow both to ensure the connection of the wires 104 and the hermetic closure of the cavity 108/11 1. In this way, this cavity remains filled with air without outside water entering it, which allows the ceramic blade 101 to vibrate and also would short-circuit the electrodes 101.
  • FIG. 2 shows a curve of sensitivity to emission for such a transducer whose cover 105 has an outside diameter of 115 millimeters with a thickness of the side walls of 4 millimeters, and a total height of 46 millimeters with a central thickness of the underside of the cover equal to 14 millimeters.
  • this curve the widening of the frequency band.
  • this frequency band is shifted towards the low frequencies for a dimensioning which would correspond, for a conventional transducer of the "tonpilz" type, to a significantly higher emission frequency.
  • the invention also proposes to produce the cover 105 in the form of a cylinder with elliptical cross section instead of circular. This then makes it possible to obtain two distinct resonances at the level of the cavity 106, in addition to the resonance of the ceramic blade 101. In this way the bandwidth is further increased.
  • the cover 105 / ceramic blade 101 assembly can be used on its own, without adding the body 107 to it, but while ensuring the insulation of the electrodes 102 and 103 by an appropriate coating, a layer of waterproof paint by example.
  • This transducer which is then type known without the Anglo-Saxon expression "free flooded”, can be used without any immersion limit but with a lower yield due to the action of water on the back side of the ceramic.
  • the height of the cavity will advantageously be chosen to be equal to half the central wavelength of the transducer, in order to obtain a good adaptation by performing a reshaping between the waves emitted at the front and those which in this case are emitted at the rear.
  • the invention also proposes, as a variant, filling the cavity of the cover 105, possibly over a height which is not equal to that of the cover, with an adaptation material whose acoustic characteristics, in particular the speed of propagation of sound, are different from those of water. This allows you to modify the response curve, for example to make it flatter or to widen it even more.
  • FIG. 3 Another variant, represented in FIG. 3, consists in using two cover / ceramic assemblies, one 105/101 and the other 205/201, fixed head to tail on a cover 1 17 having the shape of an open cylinder. on both sides.
  • the connection wires 1 14 to the two ceramic blades then exit through a connector 21 1 fixed to the side wall of the body 1 17.
  • Such an arrangement makes it possible to obtain a transducer having a radiation of the dipolar type, characterized by a significant rejection according to its longitudinal axis.
  • an extension of the invention consists in arranging the transmission pavilion of a known transducer of the "tonpilz” type, so that it takes the form of the cover 105.
  • a broad "tonpilz” transducer is thus obtained strip which, compared to the basic embodiment of FIG. 1, makes it possible to obtain a higher emission power due to the stacking of ceramic characteristic of a "tonpilz".
  • this advantage comes at the cost of an increase in size and the return of the known problems of sealing the "tonpilz” system since it is then necessary to maintain the freedom of movement of the flag of the "tonpilz" relative to the body of it.
  • the invention makes it possible, compared with the technology currently used, to simultaneously obtain a widening of the transmitted frequency band, a shift of this band towards low frequencies without modifying the size of the device, an improvement in sealing the front face, and reducing the cost of the device by reducing the number of parts used to manufacture it.

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Abstract

L'invention concerne les transducteurs acoustiques sous-marins destinés à émettre un signal acoustique large bande à basse fréquence. Elle consiste à utiliser un capot (105) en forme de cylindre fermé d'un côté et ouvert de l'autre. Une lame piézoélectrique (101) fonctionnant en flexion est fixée sur la base de ce cylindre à l'extérieur de celui-ci. La cavité intérieure (106) définie par le cylindre est ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel les ondes acoustiques doivent être émises. Elle permet à dimensions identiques de diminuer la fréquence centrale d'émission et d'augmenter la largeur de bande.

Description

TRANSDUCTEUR ACOUSTIQUE SOUS-MARIN A LARGE BANDE.
La présente invention se rapporte aux transducteurs acoustiques sous-marins à large bande qui sont essentiellement utilisés comme émetteurs de signaux acoustiques dans les sonars actifs des bâtiments de surface. Toutefois ces transducteurs peuvent également être utilisés comme récepteurs, ainsi que dans les sonars pour sous-marins.
On sait que dans l'évolution des sonars on cherche à diminuer la fréquence de travail, afin entre autres d'augmenter la portée de ces sonars, ainsi que la puissance d'émission. On cherche aussi à avoir des transducteurs qui fonctionnent en large bande pour pouvoir, par un traitement adéquat, s'affranchir des phénomènes de réverbération, ainsi que pour pouvoir utiliser plusieurs sonars dans une même zone géographique, en réalisant ainsi une interopérabilité des systèmes.
Actuellement les transducteurs émetteurs les plus utilisés sont du type dit "tonpilz". Ces transducteurs utilisent un pavillon émetteur qui est excité par un pilier de céramique qui s'appuie sur une contre masse.
Ces émetteurs "tonpilz" permettent d'obtenir un bon niveau d'émission et une réjection arrière importante, permettant d'effectuer des formations de voies à faible niveau de secondaires. En outre ils sont utilisables aussi bien en émission qu'en réception. Par contre ils présentent le désavantage d'avoir une largeur de bande relativement faible, correspondant typiquement à un coefficient de surtension Q ≈ 3,5. Par ailleurs la jonction transducteur/boîtier est relativement fragile ce qui entraîne un risque d'entrée d'eau à ce niveau. Enfin les fréquences pouvant être émises étant strictement reliées aux dimensions du pavillon, on ne peut descendre en fréquence qu'en augmentant ces dimensions, ce qui devient rapidement prohibitif.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur acoustique sous-marin à large bande, comprenant au moins une lame piézoélectrique fonctionnant en flexion, principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capot cylindrique fermé à une extrémité par une plaque de base et ouvert à l'autre extrémité pour former une première cavité ; la lame piézoélectrique étant fixée sur la face extérieure de la plaque de base et la première cavité du capot étant ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel le capot est plongé. Selon une autre caractéristique, la section droite du capot est circulaire. Selon une autre caractéristique, la section droite du capot est elliptique. Selon une autre caractéristique, la première cavité est remplie au moins partiellement par un matériau d'adaptation dont les caractéristiques acoustiques sont différentes de celles du milieu extérieur dans lequel le transducteur est plongé.
Selon une autre caractéristique il comprend en outre un corps comportant une deuxième cavité intérieure fermée par le capot de manière à être isolée du milieu extérieur avec la lame piézoélectrique enfermée dans la deuxième cavité intérieure et la première cavité étant tournée vers l'extérieur.
Selon une autre caractéristique, il comprend deux ensembles capot/lame piézoélectrique fixés ensemble tête-bêche. Selon une autre caractéristique, le capot forme la face avant d'un transducteur de type connu "tonpilz".
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront 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 d'un transducteur selon l'invention ;
- la figure 2, un diagramme fréquence/amplitude de l'émission d'un tel transducteur ; et
- la figure 3, une vue en coupe longitudinale d'une variante de l'invention, dans laquelle le transducteur est double. Le dispositif selon l'invention représenté en coupe longitudinale sur la figure 1 présente une structure dont on constate aisément qu'elle est en rupture complète avec la technologie utilisée actuellement, qui repose sur la structure "tonpilz" citée plus haut.
Ce dispositif comporte comme élément actif une plaque de céramique 101 , qui est de préférence unique et qui comporte de manière classique une paire d'électrodes 102 et 103 fixées chacune sur l'une des faces principales de cette plaque. Préférentiellement ces électrodes sont constituées d'une argenture par dépôt. Ces électrodes sont reliées par des fils 104 à un amplificateur qui délivre un signal d'excitation à la fréquence désirée. Compte tenu de la structure de l'appareil, il serait tout à fait possible de limiter ces fils d'alimentation à un seul fil relié à l'électrode 103 qui est isolée. L'autre électrode, qui est reliée à la masse de l'appareil, serait alors alimentée par l'intermédiaire de cette masse.
L'électrode 102 est fixée sur la face inférieure plane d'une pièce 105 en forme de cylindre fermé à sa base et ouvert à son extrémité supérieure. Nous appellerons cette pièce "capot".
Les vibrations de la plaque de céramique 101 sont transmises au capot, dont la structure entre en vibration selon deux modes de résonance principaux. Les couplages critiques de ces deux modes de résonance permettent alors d'obtenir une grande largeur de bande, correspondant à environ 60% de la fréquence centrale.
Le premier mode de résonance est le mode naturel de flexion de la face inférieure du capot sous l'action de la céramique travaillant en mode 3.1. Le second mode provient de l'action du fluide remplissant la cavité intérieure 106 formée par le capot qui est directement plongé dans le milieu extérieur, l'eau de mer en général. En effet dans cette cavité la célérité des ondes acoustiques est plus basse que dans l'espace libre, car les parois du capot ne sont pas infiniment rigides. On obtient alors un mode de résonance correspondant à une lame λ/4. Plus la rigidité des parois augmente, plus la fréquence haute augmente. Plus la hauteur des parois augmente, plus la fréquence basse diminue.
Comme représenté sur la figure, l'invention propose également que la paroi inférieure 107 du capot présente une surépaisseur centrale telle que la section droite de cette lame correspond à la forme d'une poutre d'égale résistance. De cette manière, les contraintes appliquées par la pression du fluide extérieur sur la lame de céramique 101 par l'intermédiaire du fond 107 du capot sont uniformément réparties sur cette lame, ce qui l'empêche de se courber sous l'action de cette pression et donc élimine ainsi les risques de rupture de la lame de céramique sous l'effet de la pression.
Cette forme augmente d'un facteur 2 la surface de rayonnement dans le fluide. Au total on obtient ainsi une meilleure tenue de la céramique, un meilleur rendement mécanoacoustique et une diminution du seuil de cavitation par rapport à un transducteur de flexion standard. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, le transducteur est complété par un corps, ou "tape", 107 qui a la forme d'un cylindre concentrique au capot 105 et qui présente à sa partie supérieure une cavité 108 dans laquelle vient s'enfoncer le capot. Ce capot est fixé par sa face latérale extérieure au corps par soudure par exemple au niveau de l'extrémité supérieure de ce corps. Cette fixation 109 est en surépaisseur à l'intérieur de la cavité 108 de manière à ménager un espace libre 1 10 entre la paroi interne de la cavité 108 et la paroi externe du capot 105, pour éviter de perturber le régime vibratoire. Les câbles d'alimentation 104 sortent du corps par un canal axial 111 qui débouche d'un côté dans la cavité 108 et d'un autre côté à la surface inférieure du corps. Ce canal axial est bouché par des moyens non représentés, un bouchon à vis par exemple, qui permettent à la fois d'assurer la connexion des fils 104 et la fermeture hermétique de la cavité 108/11 1. De cette manière, cette cavité reste remplie d'air sans que l'eau extérieure y pénètre, ce qui permet à la lame de céramique 101 de vibrer et aussi mettrait en court circuit les électrodes 101.
Suivant un exemple de réalisation on a représenté sur la figure 2 une courbe de sensibilité à l'émission pour un tel transducteur dont le capot 105 présente un diamètre extérieur de 115 millimètres avec une épaisseur des parois latérales de 4 millimètres, et une hauteur totale de 46 millimètres avec une épaisseur centrale de la face inférieure du capot égale à 14 millimètres. On constate bien sur cette courbe l'élargissement de la bande de fréquence. En outre cette bande de fréquence est décalée vers les basses fréquences pour un dimensionnement qui correspondrait pour un transducteur classique du type "tonpilz" à une fréquence d'émission nettement plus élevée.
A titre de variante, l'invention propose également de réaliser le capot 105 sous la forme d'un cylindre à section droite elliptique au lieu de circulaire. Ceci permet d'obtenir alors deux résonances distinctes au niveau de la cavité 106, en plus de la résonance de la lame de céramique 101. De cette manière on augmente encore la largeur de bande.
Il est aussi possible d'utiliser l'ensemble capot 105/lame de céramique 101 tout seul, sans lui rajouter le corps 107, mais tout en assurant l'isolation des électrodes 102 et 103 par un revêtement approprié, une couche de peinture étanche par exemple. Ce transducteur, qui est alors du type connu sans l'expression anglo-saxonne "free flooded", peut être utilisé sans aucune limite d'immersion mais avec toutefois un rendement plus faible dû à l'action de l'eau sur la face arrière de la céramique. Dans ce cas la hauteur de la cavité sera avantageusement choisie pour être égale à la moitié de la longueur d'onde centrale de transducteur, afin d'obtenir une bonne adaptation en effectuant une remise en phase entre les ondes émises à l'avant et celles qui dans ce cas sont émises à l'arrière.
L'invention propose aussi, à titre de variante, de remplir la cavité du capot 105, éventuellement sur une hauteur qui ne soit pas égale à celle du capot, avec un matériau d'adaptation dont les caractéristiques acoustiques, en particulier la vitesse de propagation du son, sont différentes de celles de l'eau. Ceci permet de modifier la courbe de réponse, par exemple pour la rendre plus plate ou pour l'élargir encore plus.
Une autre variante, représentée sur la figure 3, consiste à utiliser deux ensembles capot/céramique, l'un 105/101 et l'autre 205/201 , fixés tête- bêche sur un capot 1 17 présentant la forme d'un cylindre ouvert des deux côtés. Les fils de connexion 1 14 aux deux lames de céramique sortent alors par un connecteur 21 1 fixé sur la paroi latérale du corps 1 17. Une telle disposition permet d'obtenir un transducteur présentant un rayonnement de type dipolaire, caractérisé par une rejection important selon son axe longitudinal.
Enfin une extension de l'invention consiste à aménager le pavillon d'émission d'un transducteur connu de type "tonpilz", de manière à ce qu'il prenne la forme du capot 105. On obtient ainsi un transducteur "tonpilz" à large bande qui, par rapport à la réalisation de base de la figure 1 , permet d'obtenir une puissance d'émission plus importante en raison de l'empilement de céramique caractéristique d'un "tonpilz". Toutefois cet avantage se fait au prix d'une augmentation de l'encombrement et du retour des problèmes connus d'étanchéité du système "tonpilz" puisqu'il est alors nécessaire de maintenir la liberté de débattement du pavillon du "tonpilz" par rapport au corps de celui-ci.
En résumé l'invention permet, par rapport à la technologie utilisée actuellement, d'obtenir simultanément un élargissement de la bande de fréquence émise, un décalage de cette bande vers les basses fréquences sans modification de l'encombrement du dispositif, une amélioration de l'étanchéité de la face avant, et la réduction du coût de l'appareil par diminution du nombre des pièces utilisées pour le fabriquer.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Transducteur acoustique sous-marin à large bande, comprenant au moins une lame piézoélectrique (101 ) fonctionnant en flexion, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capot cylindrique (105) fermé à une extrémité par une plaque de base (107) et ouvert à l'autre extrémité pour former une première cavité (106) ; la lame piézoélectrique (101 ) étant fixée sur la face extérieure de la plaque de base et la première cavité (106) du capot étant ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel le capot est plongé.
2. Transducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la section droite du capot (105) est circulaire.
3. Transducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la section droite du capot (105) est elliptique.
4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première cavité (106) est remplie au moins partiellement par un matériau d'adaptation dont les caractéristiques acoustiques sont différentes de celles du milieu extérieur dans lequel le transducteur est plongé.
5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un corps (107) comportant une deuxième cavité intérieure (108) fermée par le capot (105) de manière à être isolée du milieu extérieur avec la lame piézoélectrique (101 ) enfermée dans la deuxième cavité intérieure (108) et la première cavité (106) étant tournée vers l'extérieur.
6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles capot/lame piézoélectrique (105, 101 , 205, 201 ) fixés ensemble tête-bêche.
7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capot (105) forme la face avant d'un transducteur de type connu "tonpilz".
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