FR2517158A1 - Transducteur a electret comportant une plaque arriere metallisee selectivement - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TRANSDUCTEURS ACOUSTIQUES. UN TRANSDUCTEUR A ELECTRET COMPREND NOTAMMENT UNE MEMBRANE A ELECTRET 10 SUPERPOSEE DIRECTEMENT SUR UNE SURFACE RUGUEUSE 16 D'UNE PLAQUE ARRIERE 18 QUI EST METALLISEE SELECTIVEMENT. LA METALLISATION SELECTIVE EST OBTENUE PAR LE DEPOT D'UNE COUCHE DE METAL MINCE 20 DONT LE CONTOUR EST DEFINI PAR UNE RELATION PREDETERMINEE. LA SENSIBILITE DU TRANSDUCTEUR EN TOUT POINT DE CE DERNIER EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE A LA LARGEUR DE LA COUCHE DE METAL SUR LA PLAQUE ARRIERE. LA CARACTERISTIQUE DE REPONSE DU TRANSDUCTEUR COMPREND UN LOBE PRINCIPAL ET DES LOBES SECONDAIRES INFERIEURS A UN SEUIL PREDETERMINE. APPLICATION AUX MICROPHONES DIRECTIONNELS.

Description

La présente invention concerne les systèmes acousti-

ques et elle porte en particulier sur des transducteurs à élec-

tret destinés à donner une réponse directionnelle.

On peut utiliser des réseaux acoustiques comprenant un ensemble de microphones discrets pour produire des caracté- ristiques de réponse directionnelle,comme il est indiqué dans la demande de brevet FR 8026 672 Il est cependant nécessaire que chaque microphone d'un tel réseau soit placé avec précision

au moment de la fabrication du réseau Une mise en place impré-

1 C cise des microphones par rapport aux positions désirées entraîne

une dégradation notable de la caractéristique de réponse du ré-

seau. Les problèmes précités concernant une mise en place

imprécise des microphones au moment de la fabrication d'un ré-

seau acoustique, sont éliminés par l'utilisation d'un seul transducteur à électret en bande La caractéristique de réponse

que fournit le transducteur à électret comprend un lobe princi-

pal et un ensemble de lobes secondaires situés au-dessous d'tun

seuil prédéterminé, de façon très similaire au réseau de micr O-

phones décrit ci-dessus.

Conformément au mode de réalisation de l'invention qui est considéré à titre d'exemple, un transducteur à électret

comprend unemembrane à électret superposée sur une plaque ar-

rière métallisée sélectivement La membrane à électret, qui comprend une couche de métal et une couche de polymère chargée de façon électrostatique, est placée en contact direct avec la

surface métallisée sélectivement de la plaque arrière La mé-

tallisation sélective est obtenue par dépôt d'un métal sur une surface rugueuse de la plaque arrière,

La largeur de la couche métallisée varie sur la lon-

gueur de la plaque arrière selon une relation prédéterminée.

La sensibilité du transducteur à électret en n'importe quel

point sur sa longueur est directement proportionnelle à la lar-

geur en ce point La largeur de la couche de métal est symé-

trique par rapport au centre de la plaque arrière la largeur

de la couche de métal est constante au-delà d'une distance dé-

terminée empiriquement, par rapport au centre de la plaque ar-

rière, des deux c 8 tés de cette dernière.

Conformément au mode de réalisation préféré de l'in-

vention mentionné précédemment, la couche de métal de la mem-

brane à électret a cependant une largeur uniforme sur toute sa longueur. Conformément à un autre mode de réalisation de l'in- vention, la couche métallisée précitée de la plaque arrière a

une largeur uniforme sur toute la longueur de la plaque arriè-

re Cependant, la couche de métal de la membrane à électret a

une largeur qui varie conformément à la relation précitée.

Dans un autre mode de réalisation, la largeur de la ceuche de métal de l'électret comme la largeur de la couche métallisée de la plaque arrière varient sur leurs longueurs respectives. Conformément à encore un autre mode de réalisation de l'invention, une seconde membrane, comprenant une couche de métal et une couche de polymère, est suspendue au-dessus du transducteur précité On obtient dans ce mode de réalisation au moins deux combinaisons séparées Dans mune combinaison, la largeur de la couche de métal de la seconde membrane suspendue

varie conformément à la relation précitée, tandis que la lar-

geur des couches de métal de la membrane à électret superposée demeure constante On obtient l'autre combinaison en maintenant

constante la largeur de la couche de métal de la seconde mem-

brane suspendue et en faisant varier la largeur de la couche de métal en contact avec la membrane à électret superposée et avec

la plaque arrière.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre de modes de réalisation et en se ré-

férant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 montre un transducteur à électret à l'état démonté;

La figure 2 montre une plaque arrière métallisée sé-

lectivement qui est utilisée dans le transducteur à électret de la figure 1; La figure 3 montre une vue isométrique d'une partie du transducteur à électret de la figure 1 à l'état assemblé; La figure 4 montre une représentation agrandie du contact entre la membrane à électret et la plaque arrière dans le transducteur à électret de la figure 1 La figure 5 montre une caractéristique de réponse du transducteur à électret de la figure 3; La figure 6 montre un mode de réalisation différent du transducteur à électret de la figure 1; La figure 7 montre un transducteur à électret et est utile pour distinguer un espace d'air réel d'un espace d'air effectif;

les figures 8, 9 et 10 montrent des modes de réali-

sation de transducteurs à électret obtenus en faisant varier l'espace d'air réel;

Les figures 11, 12 et 13 montrent des modes de réa-

lisation de transducteurs à électret obtenus en faisant varier l'espace d'air effectif;

Les figures 14 et 15 montrent des modes de réalisa-

tion d'un transducteur à électret obtenus en faisant varier l'épaisseur de la membrane à électret; et les figures 16, 17 et 18 montrent des distributions de charges électrostatiques sur la surface de polymère de la

membrane à élactret de la figure 1.

On va maintenant considérer la figure 1 qui montre

un transducteur à électret avec ses éléments constitutifs sé-

parés On voit une membrane à électret 10 comprenant deux

couches: une couche supérieure de métal 12 et une couche in-

férieure de polymère 14 consistant en une résine synthétique (telle que la matière de la marque FEP TEFLON) La couche de polymère 14 est chargée de façon électrostatique à une valeur prédéterminée Dans une application, la charge électrostatique

est uniforme sur la région chargée et est de -275 + 3 volts.

Dans cette application, la couche de métal 12 mesure environ nm d'épaisseur et la couche de polymère mesure environ microns d'épaisseur De plus, dans l'application précitée, la membrane à électret mesure 21,5 cm de longueur et 2,5 cm

de largeur.

La surface à nu de la couche de polymère 14 de la membrane à électret 10 précitée est en contact direct avec la surface rugueuse 16 d'une plaque arrière 18 qui est métallisée

sélectivement La métallisation sélective est obtenue par dé-

pot d'une couche ( 20) de métal sur la surface naturellement rugueuse 16 de la plaque arrière 18, de façon aue la largeur, w, de la couche de métal varie sur la longueur de la plaque arrière 18 conformément à la relation: Jllj V (j_), ')/2 l W = Jilj (a-1-) <L (l_ 42)1/2 Jlii)ti l W = L <K,L lEl 1 ( 21 avec: J 1 = fonction de Bessel de première espèce; j = (-1)12; F= lnl r + (r 2 _ 1)1/2 l; r = rapport d'amplitude du lobe principal par rapport au niveau de seuil des lobes secondaires dans la caractéristique de réponse, qu'on décrira ci-après en relation avec la figure 5; = distance normalisée de n'importe quel point sur la

plaque arrière à partir du centre de cette derniè-

re; et L = distance normalisée sur la plaque arrière au-delà de laquelle la largeur de la couche de métal est une constante, K.

Pour une densité de charge constante, des espaces d'air cons-

tants et une épaisseur de membrane constante, la sensibilité

du transducteur à électret en n'importe quel point sur sa lon-

gueur est directement proportionnelle à la largeur de la cou-

che de métal 20 sur la plaque arrière du 18 en ce point.

Selon une variante, la couche 12 de la membrane à électret 10 précitée est métallisée sélectivement de façon que la largeur de la couche de métal varie sur la longueur de la mambrane à électret 10 conformément aux relations ( 1) et ( 2)

précitées Dans ce mode de réalisation de l'invention, la sur-

face de métal 20 de la plaque arrière 18 a une largeur unifor-

me sur toute la longueur de la plaque arrière 18 Pour une densité de charge constante, des espaces d'air constants et

une épaisseur de membrane constante, la sensibilité du trans-

ducteur à électret en n'importe quel point sur sa longueur est directement proportionnelle à la largeur de la couche de

métal 12 de la membrane à électret 10 en ce point La caracté-

ristique de réponse obtenue est pratiquement identique à la caractéristique de réponse précitée, représentée sur la figure 5. On considèrera brièvement la figure 5 qui montre la caractéristique de réponse globale du transducteur à électret

à 5067 Hz La caractéristique de réponse, déterminée expérimen-

talement, comprend un lobe principal 30 et un ensemble de lobes

secondaires 32, 34, 56, 38, 40, chacun d'eux se trouvant pra-

tiquement à 30 d B au-dessous du lobe principal 30 précitéo On peut obtenir d'autres configurations de lobes secondaires pour différentes fréquences Cependant, dans chaque cas, le ou les

lobes latéraux sont au seuil 35 ou au-dessous de ce dernier.

Les lignes en pointillés représentent la caractéristique de réponse correspondante déterminée par la théorie On utilise le rapport r entre l'amplitude du lobe principal 30 et le seuil

, c'est-à-dire l'amplitude des lobes secondaires, de la ma-

nière indiquée dans les relations ( 1) et ( 2) précitées, pour

déterminer la largeur de la couche de métal.

On va maintenant considérer brièvement la figure 2

qui montre une vue en plan de la plaque arrière 18 de la figu-

re 1 La surface rugueuse 16 précitée de la plaque arrière 18

est constituée par la couche de métal 20, déposée par évapora-

tion ou par un autre procédé approprié, sur la surface 16 de

la plaque arrière 18 la plaque arrière 18 peut être en matiè-

re pour piettedeeicuit, souvent traversée par des trous, ou

en une autre matière non conductrice de l'électricité.

La largeur de la couche de métal 20 est définie par les relations ( 1) et ( 2) précitées A des points situés sur la longueur de la couche de métal 20, équidistants du centre et situés de part et d'autre du centre, la largeur de la couche

de métal est la même Au-delà d'une longueur normalisée prédé-

terminée, L, de la couche de métal 20, la largeur demeure une

constante, K, à chaque extrémité de la couche de métal 20.

En retournant à la figure 1, on voit qu'une broche

de métal 24, en contact avec la couche de métal 20 sur la sur-

face 16 de la plaque arrière 18, constitue un conducteur élec-

trique positif allant vers un connecteur (non représenté) De fa-cn similaire, un conducteur 25, en contact avec la couche de métal ( 12) de la membrane à électret ( 10), constitue un

conducteur électrique neutre (ou de masse) allant vers le con-

necteur précité (non représenté) Par ce moyen, les signaux-

acoustiques qui arrivent sur le transducteur à électret préci- té sont convertis en signaux électriques convenant pour une

transmission électrique.

Ia broche 24 précitée s'adapte dans l'orifice 26 d'un élément de structure 28, en laiton dans une application,

destiné à supporter la plaque arrière 18 La membrane à élec-

tret 10 est superposée sur la plaque arrière 18, de facon que la couche de polymère 14 de la membrane à électret 10 soit en contact direct avec la surface rugueuse métallisée 16 de la plaque arrière 18 Les côtés longitudinaux 27 et 29 de la membrane à électret 10 sont respectivement appliqués contre les côtés 41 et 43 de l'élément de support de structure 28 par des plaques de serrage 42 et 44 Plusieurs vis de fixation 46, 48 maintiennent les plaques de serrage 42 et 44 en place De façon similaire, des plaquettes 50, 52 et des vis de fixation 54, 56 maintiernnent rigidement les extrémités 57, 59 de la

membrane à électret 10 contre l'élément de support de struc-

ture 28.

Le transducteur à électret assemblé peut être suppor-

té verticalement en faisant glisser l'extrémité 57 dans un piédestal (non représenté) Dans une autre configuration, le transducteur à électret peut être suspendu à un plafond par l'extrémité 57 ou 59, ou par les deux extrémités 57 et 59 Dans encore une autre configuration, le transducteur à électret peut

être placé sur un mur Dans chaque cas, le transducteur à élec-

tret est positionné d'une manière telle que le lobe principal

de la figure 5 couvre un emplacement visé.

Ia figure 3 montre une vue isométrique d'une partie

du transducteur à électret assemblé On utilise les mêmes ré-

férences que sur les figures 1 et 2 pour faciliter l'identifi-

cation.

On va maintenant considérer la figure 4 qui montre une représentation agrandie du contact entre la membrane à électret 10 et la plaque arrière 18 de la figure 1 La couche de polymère 14 de la membrane à électret 10 est en contact

direct avec la surface rugueuse 16 de la plaque arrière 18.

Du fait de la rugosité naturelle de la surface 16 de la pla-

que arrière 18, il y a sur celle-ci plusieurs arêtes naturel-

les qui établissent un contact direct avec la membrane 10, ce

qui empêche un mouvement résonnant dans la membrane 10 préci-

tée Il est nécessaire d'empocher un mouvement résonnant pour éviter des pics spectraux dans la caractéristique de réponse en fréquence du transducteur à électret La surface inégale 16 établit l'espace d'air nécessaire entre la plaque arrière

18 et la membrane à électret 10.

On va maintenant considérer la figure 6 qui repré-

sente un autre mode de réalisation de l'invention La membra-

ne à électret 10, comprenant la couche de polymère 14 et la

couche de métal 12, est en contact direct avec la plaque ar-

rière 18, comprenant une surface rugueuse métallisée 16 En outre, la couche de métal 12 est en contact direct avec la couche métallisée 16 Le couche de polymère 14 est chargée de façon électrostatique à un niveau de tension présélectionnéo Une seconde membrane 66, comprenant une couche de

métal 68 et une couche de polymère 70, est suspendue au-des-

sus de la membrane à électret 10 Au point de vue structurel, deux entretoises d'extrémité isolées 62 et 64 séparent la couche de polymère 70 de la seconde membrane 66 par rapport à la couche de polymère 14 de la membrane à électret 10 Deux variantes sont possibles, consistant à faire varier soit la largeur des couches de métal 16 et 12, soit la largeur de la

couche de métal 68, conformément aux relations ( 1) et ( 2) pré-

citées, tout en maintenant constante la largeur des couches

de métal restantes, sur la totalité de la longueur des couches.

Dans chaque cas, la caractéristique de réponse obtenue est

pratiquement la même que la caractéristique de réponse préci-

tée: un lobe principal et un ensemble de lobes secondaires à un niveau de seuil prédéterminé, bu au-dessous de ce niveau,

comme sur la figure 5 considérée précédemment.

Comme indiqué précédemment, la sensibilité du trans-

ducteur à électret en n'importe quel point sur sa longueur est directement proportionnelle à la largeur de la couche de métal variable du transducteur à électret en ce point La largeur de la couche de métal variable du transducteur à électret est donnée conformément à l'invention par les relations ( 1) et ( 2) précitéeso La sensibilité v (x) du transducteur à n'importe quelle distance du centre du transducteur à électret, sur la longueur de ce dernier, est donnée par la relation: 4 cr(x)S eff(x) S (x) w(x) (x) -= p OU l 4 o S(x) + 4stc X) ( 3) dans laquelle 51 e 6 (x) = sensibilité du transducteur à électret à une distance x du centre de ce dernier; (r(x) = distribution spatiale de charge; eff(x) = épaisseur effective de l'espace d'air,

envisagée ci-après de façon plus complè-

te;

Sl(x) = épaisseur réelle de l'espace d'air, envi-

sagée ci-après de façon plus complète; w(x) = largeur de la couche de métal, donnée par les relations ( 1) et ( 2) précitées; Po =pression atmosphérique;

A = aire de la surface plane 16 du transduc-

teur à électret sur la figure 2, envisa-

gée ci-dessus; ≤ permittivité de la membrane à électret; = permittivité de l'air; et

S(x) = épaisseur de la membrane à électret.

On calcule réponse précitée par de façon théorique la caractéristique de la relation: R(e) 1 ()ej kx Sin SD J 1 (x)dx ( 4) dans laquelle: 1 = longueur du transducteur à électret, du centre jusqu'à une extrémité; -l = longueur du transducteur à électret du centre jusqu'à l'autre extrémité; 6 (x) = sensibilité du transducteur à électret à une distance quelconque x à partir de son centre; k = nombre d'onde acoustique; et R(e) = réponse du transducteur à électret pour un angle queleonque e défini par l'angle entre une onde acoustique incidente et la surface

du transducteur.

En retournant à la figure 5, on note que la caracté-

ristique de réponse réellement mesurée est représentée par des lignes continues 30, 32 40 La caractéristique de réponse correspondante calculée de façon théorique, par la relation

( 4), est représentée en pointillés.

Comme l'indique la relation ( 3) ci-dessus, la sensi-

bilité du transducteur à électret est directement proportion-

nelle à la largeur de la couche de métal, à l'épaisseur de la membrane à électret, à l'épaisseur de l'espace d'air effectif et à la distribution spatiale de charge, c'est-à-dire à la

charge électrostatique sur la membrane à électret La sensibi-

lité du transducteur à électret est également inversement pro-

portionnelle à l'épaisseur de l'espace d'air réel Ainsi, en faisant varier un par un les paramètres précités, conformément à la relation ( 1) précitée, on obtient la caractéristique de

réponse désirée, représentée sur la figure 5.

On va maintenant considérer la figure 7 qui repré-

sente un dispositif utile à la compréhension des termes men-

tionnés précédemment: espace d'air réel et espace d'air ef-

fectif.

Une plaque arrière 72 ayant une épaisseur uniforme, t, repose sur un rebord 74 usiné dans un cylindre 78 de rayon

ro, à une distance h de la surface inférieure 80 de ce der-

o

nier La plaque arrière 78 est perforée par un ensemble d'ou-

vertures 82 ayant chacune un diamètre h 1 Une membrane à élec-

tret 84, d'épaisseur S, repose au sonmmet du cylindre 78, à une distance 51 de la surface supérieure de la plaque arrière 72 Du fait du poids de la membrane à électret 84 et du fait des vibrations produites par le son qui arrive sur la membrane 84,

la distance 51 de la membrane 84 par rapport à la plaque ar-

rière 72 présentera quelques variations insignifianteso L'espace d'air réel correspond au volume d'air 86 entre la membrane à électret 84 et la plaque arrière 72 Comme indiqué précédemment, du fait qu'il n'y a qu'une déformation insignifiante de la membrane à électret 84, l'épaisseur ou la

profondeur de l'espace d'air réel, Si, est pratiquement cons-

tante L'espace d'air réel affecte le comportement électrique du système Plus la membrane à électret 84 est proche de la plaque arrière 72, plus le signal de sortie produit par la

membrane à électret 84 est élevé.

L'espace d'air effectif est la somme du volume d'air dans la cavité arrière 88, du volume d'air dans l'ensemble des ouvertures 82 et de l'espace d'air réel 860 L'épaisseur ou la

profondeur de l'espace d'air effectif est dcnnée par la rela-

tion: h 2 n hi 1 t h + + 2 1 ( 5) 4 r dans laquelle: h O = profondeur du volume d'air dans la cavité arrière 88; n = nombre d'ouvertures 82; h 1 = diamètre de chacune des ouvertures 82; t = épaisseur de la plaque arrière 72; ro = rayon du cylindre 78; et

Si = épaisseur de l'espace d'air réel.

L'espace d'air effectif affecte le comportement mé-

canique du transducteur à électret Plus l'espace d'air effec-

tif est grand, plus la déviation de la membrane à électret 84,

pour la même pression acoustique incidente sur elle, est élevée.

Ainsi, l'espace d'air effectif détermine la raideur mécanique du transducteur à électret mais n'affecte pas les propriétés électriques de ce transducteuro Bien que la figure 7 montre un cylindre 88 pour expliquer la signification des termes: espace d'air réel et i 11 espace d'air effectif, les m Cmes principes s'appliquent au

transducteur à électret rectiligne de la figure 1.

On va maintenant considérer la figure 8 qui montre

un transducteur à électret fabriqué en faisant varier l'épais-

seur de l'espace d'air réel sur la longueur de ce transducteur. La variation précitée de l'épaisseur de l'espace d'air réel

est obtenue par l'utilisation d'un ensemble de tiges 90 desti-

nées à séparer la membrane à électret 92 par rapport à la pla-

que arrière 94 les tiges de l'ensemble de tiges 90 ont des hauteurs hp sur la longueur du transducteur à électret qui sont déterminées par les relations: hp = (w (x)) o ( 6) et hp = (K 11 l( 7 dans lesquelles: w(x) désigne la relation ( 1) précitée, et K désigne la relation ( 2) précitée,

Ainsi, la sensibilité en n'importe quel point le long du trans-

ducteur à électret est inversement proportionnelle à la hauteur des tiges en ce point A n'importe quel point sur la plaque arrière 94, les tiges ont la m 4 me hauteur sur la largeur de la plaque arrière 94 en ce point Selon une variante, les tiges sont remplacées par des nervures de hauteur constante qui sont

dirigées dans le sens de la largeur de la plaque arrière.

La plaque arrière 94 comporte, sur sa surface 96 faisant face à la membrane à électret 92, une couche de métal

mince de mdme largeur que la plaque arrière Selon une varian-

te, la plaque arrière est entièrement en métal Lia membrane à électret 92 comporte une couche de métal 91 et une couche de polymère 98, chargée de façon électrostatique la couche de

polymère 98 fait face à la plaque arrière Un conducteur néga-

tif 97 partant de la surface de métal 91 de la membrane à électret 92 et un conducteur positif 99 partant de la surface de métal 96 de la plaque arrière 94 se terminent au niveau

d'un connecteur 100.

La figure 9 montre une vue isométrique d'une partie du transducteur à électret de la figure 8, montrant les détails des tiges 90 sur la plaque arrière 94, avec une partie de la

membrane à électret 92 arrachée.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la couche de métal 91 de la membrane à électret 92 est fixée sur la couche de métal de la plaque arrière 96, de façon que les deux couches de métal soient en contact direct Une seconde

membrane (non représentée) est suspendue au-dessus de la mem-

brane à électret 92, et les deux membranes sont séparées par

les tiges 90 précitées.

On va maintenant considérer la figure 10 qui repré-

sente un autre mode de réalisation d'un transducteur à élec-

tret obtenu en faisant varier l'épaisseur de l'espace d'air réel L'épaisseur de l'espace d'air réel entre la membrane à électret 102 et la plaque arrière 104 est obtenue en faisant

varier l'épaisseur de la plaque arrière 104 Cependant, l'pais-

seur de la membrane à électret 102 demeure constante sur toute

sa longueur Par conséquent, les hauteurs de l'ensemble de ti-

ges 108 varient sur la longueur du transducteur à électret précité les tiges 108 procurent un support structural pour la membrane à électret 102 L'épaisseur de la plaque arrière 104 varie sur la longueur du transducteur à électret conformément

aux relations ( 6) et ( 7) précitées, c'est-à-dire que la sen-

sibilité du transducteur à électret en n'importe quel point de celui-ci est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la

plaque arrière en ce point.

La surface 110 de la plaque arrière 104 est revêtue d'une couche de métal qui s'étend sur toute la largeur de la plaque arrière 104 Selon une variante, la plaque arrière 104 est entièrement en métal la membrane à électret 102 comprend

deux couches: une couche de métal 101 et une couche de poly-

mère 112, chargée de façon électrostatique Un conducteur neu-

tre (ou de masse) 111, partant de la surface de métal 101 de

la membrane à électret 102, et un conducteur positif 113 par-

tant de la surface de métal 110 de la plaque arrière 104 se

terminent au niveau d'un connecteur 114.

Selon une variante, la couche de métal 101 de la membrane à électret 102 est fixée à la surface de métal 110

de la plaque arrière 104 de façon que les deux couches de mé-

tal soient en contact direct Une seconde membrane (non repré-

sentée) est suspendue au-dessus de la plaque arrière 104 Cet-

te seconde membrane est supportée par les tiges 108 précitées.

Pour chaquetransducteur à électret représenté sur les

figures 8, 9 et 10, la réponse obtenue est pratiquement simi-

laire à la caractéristique de réponse de la figure 5, envisa-

gée précédemment.

On va maintenant considérer les figures 11, 12 et 13 qui représentent trois modes de réalisation distincts de

transducteurs à électret, obtenus chaque fois en faisant va-

rier l'épaisseur de l'espace d'air effectif Dans chacun des trois modes de réalisation précités, une membrane à électret est superposée sur une plaque arrière, d'une manière similaire

à celle des transducteurs à électret des figures 1 et 4, envi-

sagés ci-dessus Du fait que l'invention réside essentielle-

ment dans la plaque arrière, on ne décrira que cette dernière.

En considérant plus particulièrement la figure 11,

on voit une membrane à électret 121 et une plaque arrière 116.

La membrane à électret 121 précitée est superposée directement sur la surface 118 de la plaque arrière, qui est naturellement

* rugueuse Un ensemble de trous 120 de même diamètre sont per-

cés jusqu'à diverses profondeurs dans la surface 118 de la plaque arrière 116 Du fait que la membrane à électret 121 précitée est placée directement sur la surface 118, l'épaisseur de l'espace d'air réel est pratiquement constante sur toute la

longueur de la plaque arrière 116 Par conséquent, en se repor-

tant à la relation ( 5) indiquée précédemment, on voit que

l'épaisseur de l'espace d'air effectif est directement propor-

tionnelle à la profondeur des trous 120.

En faisant varier les profondeurs des trous 120 pré-

cités, l'épaisseur de l'espace d'air effectif est donnée par les relations ( 1) et ( 2) précitées La sensibilité, A (x), à n'importe quel point le long du transducteur à électret,est directement proportionnelle à l'épaisseur de l'espace d'air effectif à ce point La sensibilité, A(x), est donnée par la

relation ( 3) précitée La caractéristique de réponse est cal-

culée, de façon théorique, par la relation ( 4) précitée La réponse calculée par la relation ( 4) et la réponse réellement mesurée sontpratiquement similaires aux caractéristiques de

réponse représentées sur la figure 5, envisagée ci-dessus.

zb figure 12 montre une membrane à électret 123 et une plaque arrière 122 comprenant un ensemble d'ouvertures 124 qui perforent cette plaque, et ces éléments sont utiles à la réalisation d'un autre transducteur à électret Les diamètres des ouvertures varient de façon que le volume d'air dans les ouvertures varie directement en proportion des relations ( 1) et ( 2) précitées, c'est-à-dire que l'épaisseur de l'espace d'air effective varie directement en proportion des relations

( 1) et ( 2) précitées.

Ia figure 13 représente une membrane à électret 127 et une plaque arrière 126 comprenant un ensemble d'ouvertures 128 de même diamètre qui perforent la plaque arrière 126 o On fait varier l'épaisseur de l'espace d'air effectif en faisant varier la densité des ouvertures 126, directement en prcportion

des relations ( 1) et ( 2) précitées.

Dans un autre mode de réalisation (non représenté) de l'invention, dans lequel l'espace d'air effectif varie sur la longueur du transducteur à électret, la couche de métal de la membrane à électret est placée en contact direct avec la couche de métal de la plaque arrière Une seconde membrane est suspendue au-dessus de la membrane à électret 121, 123 ou 127, en étant supportée par des éléments isolants, tels que les

éléments 62 et 64 représentés sur la figure 6 Dans trois for-

mes distinctes de ce mode de réalisation, on fait varier l'épaisseur de l'espace d'air effectif en faisant varier le diamètre, la densité ou la rofon Ideur des trous dans la plaque

arrière, comme il est représenté sur les figures 11, 12 et 13.

Selon une variante, les trous des figures 11, 12 et 13 sont remplacés par des rainures (non représentées) dont la largeur, la densité ou la profondeur -Tarie conformément aux relations ( 1) et ( 2) Ces rainures s'étendent parallèlement à la largeur

de la plaque arrière.

La figure 14 montre un transducteur à électret eom-

prenant mune plaque arrière 130 d'épaisseur uniforme et une membrane àélectret 132 dont l'épaisseur varie directement en proportion des relations ( 1) et ( 2) précitées La membrane à électret 132 comprend une couche de polymère 136 et une couche de métal 142 superposée sur la couche de polymère La couche

de polymère 136 comporte une surface plane 134 qui est direc-

tement superposée sur une surface naturellement rugueuse 138 de la plaque arrière 130 la surface 138 de la plaque arrière 130 porte un revêtement consistant en une couche de métal min- ce 137 Un conducteur neutre (ou de masse) 133 partant de la couche de métal 142 et un conducteur positif 131 partant de la couche de métal sur la surface 138 de la plaque arrière 130

se terminent au niveau d'un connecteur 140.

La sensibilité, O (x), du transducteur à électret de la figure 14, donnée par la relation ( 3) précitée, est en n'importe quel point directement proportionnelle à l'épaisseur de la membrane à électret 132 en ce point La réponse calculée de façon théorique à partir de la relation ( 4) précitée et la réponse mesurée sont pratiquement celles indiquées par les

caractéristiques de réponse de la figure 5, envisagée ci-des-

sus. la figure 15 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'épaisseur de la membrane à électret 154 varie sur la longueur du transducteur conformément aux relations ( 1) et ( 2) La couche de métal 158 de la membrane à électret 154 est en contact direct avec la surface de métal 152 de la plaque arrière 150 L'épaisseur (tb) de la plaque arrière 150 est déterminée par les relations: tb = 1 w(x) ( 8) tb = 1 ( 9) Une seconde membrane 168, comprenant une couche de

métal 167 et une couche de polymère 170, est suspendue au-des-

sus de la membrane à électret 154, en étant supportée par des éléments isolants 162 et 164 La distance entre la seconde

membrane 168 et la surface de polymère de la membrane à élec-

tret 156 est pratiquement constante sur toute la longueur et

la largeur du transducteur à électret Un conducteur électri-

que neutre (ou de masse) 153 est fixé sur la surface de métal 167 de la seconde membrane 168 et un conducteur positif 155

est fixé sur les couches de métal 158 et 152 qui sont en con-

tact Les conducteurs électriques 153 et 155 se terminent au

niveau d'un connecteur 166.

La sensibilité, c'est-à-dire U(x) du transducteur

à électret de la figure 15, exprimée par la relation ( 3) pré-

citée, en n'importe quel point sur la longueur du transduc

teur à électret, est directement proportionnelle à l'épais-

seur de la membrane à électret 154 en ce point Ia caracté-

ristique de réponse est pratiquement identique à celle repré-

sentée sur la figure 5 o

On obtient un autre mode de réalisation d'un trans-

ducteur à électret en faisan-t varier la charge électrostati-

que, par des procédés connus, sur la couche de polymère 14

de la membrane à électret 10 de la figure 4, envisagée précé-

demment, en proportion directe des relations ( 1) et ( 2) pré-

citéeso Cependant, la largeur de la couche de métal, sur la

surface rugueuse 16 de la plaque arrière 18, demeure constan-

te sur toute la longueur de cette plaque arrière Ainsi, au lieu de faire varier la largeur de la couche de métal 20, on peut faire varier la charge électrostatique sur la couche de

polymère 14 Selon une variante, on place la membrane à élec-

tret 10 en contact direct avec la plaque arrière 18, comme le

montre la figure 6, et on place une seconde membrane 66 au-

dessus de la membrane à électret Ia' sensibilité, X (x),du transducteur à électret, donnée par la relation ( 3) précitée,

en n'importe quel point du transducteur, est directement pro-

portionnelle à la charge électrostatique en ce point La ré-

ponse du transducteur à électret envisagé ci-dessus est pra-

tiquement similaire à la caractéristique de réponse qui est

représentée sur la figure 5, envisagée précédemment.

Comme indiqué précédemment, on sait comment procé-

der pour charger de façon électrostatique une membrane à élec-

treto Un tel procédé est décrit dans un article intitulé "Research in polymer Electrets" par G M Sessler et J E West, publié par la Society of Photographic Scientists and Engineers, the Second International Conference on Electrophotography,

pages 162-166 ( 1974).

Ia figure 16 représente une distribution de charge électrostatique sur la surface de polymère 14 d'une membrane à électret 10 de la figure 1 o La charge électrostatique est répartie uniformément sur toute la largeur de la surface 14 de la membrane à électret Cependant, la densité de charge varie sur la longueur de la membrane à électret conformément aux relations ( 1) et ( 2) précitées En outre, la sensibilité

du transducteur à électret, en n'importe quel point de celui-

ci, est directement proportionnelle à la charge électrostati- que sur la membrane à électret en ce point De plus, comme l'indique la relation ( 4) ci-dessus, la caractéristique de réponse, représentée sur la figure 5 envisagée précédemment,

dépend de la sensibilité du transducteur à électret.

La figure 17 montre une surface de polymère telle que la surface de polymère 14 de la membrane à électret 10

de la figure 1 envisagée ci-dessus, chargée de façon électros-

tatique par un autre procédé La charge électrostatique est répartie uniformémrenrt sur une largeur sélectionnée, comme sur la figure 6 envisagée ci-dessus, et la charge varie sur la longueur de la surface de polymère 14 Cependant, la largeur de la surface de polymère 14 chargée de façon électrostatique varie sur la longueur conformément aux relations ( 1) et ( 2)

précitées La largeur de la région chargée de façon électros-

tatique ne coïncide donc pas avec la largeur du polymèreo Ia caractéristique de réponse obtenue est pratiquement la méme

que précédemment.

La distribution de charge électrostatique décrite ci-dessus en relation avec les figures 16 et 17, concerne des charges de surface Dans chaque cas, on peut obtenir la m 9 me distribution de charge en déposant la charge électrostatique

à différentes profondeurs de la couche de polymère de la mem-

brane à électret 10 de la figure 1 La charge électrostatique à n'importe quel point est domnée par la relation: o 10) dl T-d dans laquelle: = densité de charge, = permittivité du polymère so = permittivité de l'air environnant, d 1 = profondeur de la charge électrostatique, d = épaisseur de la couche de polymère, et

V = tension électrostatique.

On va maintenant considérer la figure 18 qlui montre encore un autre procédé pour charger la surface de polymère considérée précédemment de la membrane à électret Comme sur la figure 17, une charge électrostatique négative comprise dans une région sélectionnée varie sur la longueur de la couche de

polymère conformément aux relations ( 1) et ( 2) précitées Ce-

pendant, contrairsmant à la figure 17, sur la figure 18 les espaces de la surface de polymère qui n'étaient pas chargés sont maintenant chargés positivement On charge la surface de polymère avec à la fois des charges négatives et des charges

positives dans le but de former une frontière nettement défi-

nie entre les delu régiono cbargéeso Ainsi, la sensibilité en i 5 n'importe quel point du transdutevr est définie de façon plus

précise, du fait qu'elle dépend directement de la charge élec-

trostatique en ce point La réponse est fortement directionnel-

le et, comme on l'a montré précédemment en relation avec la

figure 5, elle comprend un lobe principal et un ensemble de lo-

bes secondaires au-dessous d'un seuil présélectionné.

Dans trois des modes de réalisation précédents dans lesquels on fait varier la largeur de métal, on fait varier l'espace d'air réel ou on fait varier l'espace d'air effectif, on peut remplacer la membrane à électret par une membrane à laquelle est appliquée une polarisation continue Ainsi, au lieu de déposer une charge électrostatique sur la membrane,

on lui applique en permanence une polarisation continue prove-

nant d'une source de tension continue externe On peut en ou-

tre utiliser deux membranes distinctes: une membrane compre-

nant une couche de métal et une couche de polymère, ou une membrane entièrement en métal Cependant, lorsqu'on utilise une membrane comprenant une couche de polymère et une couche de métal, la couche de métal doit-9 tre placée du c 8 té de la

plaque arrière.

De plus, la membrane ne doit pas être placée direc-

tement sur la plaque arrière La membrane doit au contraire 4 tre suspendue sur la plaque arrière, comme par l'utilisation d'entretoises isolantes telles que les éléments 62, 64 sur la

figure 6.

Les conducteurs qui partent de la couche de métal de

la membrane et de la couche de métal de la plaque arribre peu-

vent etre permutés au niveau du branchement au connecteur.

Autrement dit la polarité des conducteurs n'a pas d'importance. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent Ctre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inventiono

Claims (6)

REVENDIOATIONS

1 Transducteur acoustique ayant un diagramme de ré-

ponse directionnel qui comprend un lobe principal et un ensem-

ble de lobes secondaires situés pratiquement à un niveau de seuil prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comporte une mem- brane à électret ( 10) superposée sur une plaque arrière ( 18), une partie au moins ( 16) de la plaque arrière faisant face à

la membrane à électret est rev 9 tue d'un métal ( 20) et la sen-

sibilité du transducteur acoustique sur la longueur de la mem-

brane à électret ( 10) est réglée pour faire en sorte que les lobes seccndaires soient inférieurs ou égaux au niveau de seuil. 2 Transducteur acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sensibilité est réglée en donnant à

la largeur, w, de la surface de métal ( 20) de la plaque arriè-

re ( 18) une valeur définie par la relation:

( 1- 2)1/ ' (J 1/ 1

w L dans laquelle: J 1 = fonction de Bessel de première espèce, j = (-1) 1/2 t = ln r +(r 2-1)1/2) r = rapport de l'amplitude du lobe principal au niveau de seuil des lobes secondaires, g = distance normalisée de n'importe quel point sur la plaque arrière, par rapport au centre de la plaque arrière; et I = distance normalisée sur la plaque arrière

au-delà de laquelle la largeur du rev 9 te-

ment métallique est une constante, Ko Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur de

la surface métallique ( 20) est pratiquement la même à des dis-

tances égales, de part et d'autre d'une ligne médiane parallè-

le au plus petit c 8 té de la plaque arrière ( 18), et les dis-

tances des deux bords de la surface métallique ( 20), de part et d'autre d'une seconde ligne médiane, parallèle au plus

grand c 6 té de la plaque arrière, sont pratiquement les mêmes.

4 Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la membrane à

électret ( 10) est placée en contact direct avec la plaque ar-

rière ( 18), et la surface ( 16) de cette plaque arrière est rugueuseo Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la membrane

à électret ( 10) comprend une première couche métallique ( 12)

et une seconde couche de polymère à électret ( 14), la premiè-

re couche et la seconde couches étant de forme rectangulaireo 6 Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la membrane

à électret ( 10) est cbargée de façon électrostatique à une va-

leur prédéterminée.

7 Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un premier

conducteur ( 25) partant de la membrane à électret ( 10) et un second conducteur ( 24) partant de la surface de métal ( 20) de la plaque arrière se terminent au niveau d'un connecteur, pour

transmettre les signaux entre ces éléments.

8 Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la plaque

arrière ( 18) consiste en une plaquette de circuit isolée et la surface de métal ( 20) est formée par revêtement sélectif d'une

face de la plaquette de circuit isolée, la largeur de la sur-

face rev 9 tue sélectivement varie sur lalongueur de la plaquet-

te de circuit isolée, et un élément en métal ( 28) supporte la

plaquette de circuit isolée.

9 Transducteur acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane à électret comprende une couche de métal ( 12) et une couche de polymère ( 14), la couche de polymère est en contact avec la surface de métal ( 20) de la plaque arrière ( 18), et la largeur de la couche de métal ( 12) de la membrane à électret varie de point en point conformément à une relation prédéterminée, sur une partie au moins de la

longueur de la membrane à électret, pour définir les lobes se-

condaireso Transducteur acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane è électret ( 10) comprend une couche de polymère ( 14) et une couche de métal ( 12), la membrane à électret est fixée sur la plaque arrière ( 18) de façon que la couche de métal ( 12) de la membrane à électret

se trouve face au revêtement métallique ( 20) de la plaque ar-

rière, une seconde membrane ( 66) est suspendue au-dessus de la membrane à électret ( 10), la seconde membrane à électret

( 66) comprend une seconde couche de polymère ( 70) et une troi-

sième couche de métal ( 68), et la largeur de la couche de mé-

tal ( 68) de la seconde membrane varie sur la longueur de cette dernière. 11 Transducteur acoustique selon l'une quelccnque

des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la couche de

métal ( 12) de la membrane à électret est fixée sur la surface de métal ( 20) de la plaque arrière ( 18), et la largeur des

deux couches de métal ( 12, 20) varie conformément à une rela-

tion prédéterminée sur la longueur de la plaque arrière.

12 Transducteur acoustique selon l'une quelconque

des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la plaque

arrière ( 18) est métallique, la membrane à électret est sus-

pendue au-dessus de la plaque arrière, et une couche de métal de la membrane est chargée en permanence par une polarisation

à courant continu.