FR2517159A1 - Transducteur a electret comportant une membrane a electret chargee de facon variable - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TRANSDUCTEURS ACOUSTIQUES. UN TRANSDUCTEUR A ELECTRET DESTINE A PRODUIRE UNE CARACTERISTIQUE DE REPONSE FORTEMENT DIRECTIONNELLE COMPREND NOTAMMENT UNE PLAQUE ARRIERE 18 ET UNE MEMBRANE A ELECTRET 10 CHARGEE DE FACON ELECTROSTATIQUE, QUI EST SUPERPOSEE SUR LA PLAQUE ARRIERE. LA CHARGE ELECTROSTATIQUE VARIE SELON UNE RELATION PREDETERMINEE. LA SENSIBILITE DU TRANSDUCTEUR EN N'IMPORTE QUEL POINT DE CELUI-CI EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE A LA CHARGE ELECTROSTATIQUE SUR LA MEMBRANE A ELECTRET EN CE POINT. APPLICATION AUX MICROPHONES DIRECTIONNELS.

Description

1 25 2517159

T 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 PR 80 26 672 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-

cide 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 mi:rophones 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'un

seuil prédéterminé, de façon très similaire au réseau de micro-

phones décrit ci-dessus.

Conformément au mode de réalisation de l'invention

considéré à titre d'exemple, un transducteur à électret com-

prend une plaque arrière métallisée et une membrane à électret, chargée de façon électrostatique, qui est superposée sur la plaque arrière La charge électrostatique varie sur la longueur

de la membrane à électret conformément à une relation prédéter-

minée La sensibilité de la membrane à électret, en n'importe quel point de celle-ci, est directement proportionnelle à la

charge électrostatique en ce point.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la membrane à électret précitée est fixée sur la surface de métal de la plaque arrière Une seconde membrane est suspendue sur la membrane à électret et elle est supportée au point de vue structural par des éléments isolants La charge électrostatique

de la seconde membrane à électret varie selon une relation pré-

déterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

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

fêrant aux dlessins a-nr xt 4 S -sur lesquels La figure 1 - rori -re unm transducteur -à electret

La figuire 2 im-ontre un-e plaqu e arrière métallisée se-

l Ectlement ui est utilisée dans le tran -sdu;cteur à -électret de la figure i Ia fi-'Ure 3 montre une vue isométrique i'une partie dm, transducteur à éiectret de la figure i à l'état assembolé la figure 4 montre une représentation ograndie du contact ent-re la, meirbrane -à électret e-It Ila plaque arrière dans

3 2517159

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 électret 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 TEFSON) 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-

p 8 t d'une couche ( 20) de métal sur la surface naturellement rugueuse 16 de la plaque arrière 18, de façon que la largeur, w, de la couche de métal varie sur la longueur de la plaque arrière 18 conformément à la relation: 3 G y ( 1)/2 l w J (V

w K, L 1.

avec J 1 = fonction de Bessel de première espèce; j = ( 1)1/2; i=n Er + (r 2 _ 1)î/23; 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 plaquearrière 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

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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 considerera brièvement la figure 5 Qui montre la caractéristique de réponse globale du transducteurà électret

à 5067 Hzo La caractéristique de réponse, déterminée expérimen-

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

secondaires 32, 34, 36, 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 correspondarte 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 180 La plaque arrière 18 peut 8 tre en matiè-

re pour plqettedecimuit, 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)o De

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

transmission électriaue.

La 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 façon que la couche de poltêre 14 de la membrane à électret 10 soit en ccntact direct avec la surface rugueuse métallisée 16 de la plaque arrière 18 Les côtés longitudinaux 27 et 29 de Ia mebrane à électret 10 sont respectivement appliqués contre les cotés 41 et 4, de 'élérlent de suyort de structure 28 par des claques 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 maintiennent 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

9 tre 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.

La 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

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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 emp 9 che 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 o 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 m Cme que la caractéristique de réponse préci-

tée: un lobe principal et un ensemble de lobes secondaires à un niveau de seuil prédéterminé,'ou 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

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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) précitées La sensibilité #X(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 Ta(x)l S efffx)S x)Sw(x) po; lOS (Xl + -<s 1 (Xl 3 dans laquelle X(x) = sensibilité du transducteur à électret à une distance x du centre de ce dernier; or(x) = distribution spatiale de charge; ff(X) = épaisseur effective de l'espace d'air,

envisagée ci-après de façon plus complè-

te;

51 (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; = pression atmosphérique; ( 31 Au A So(x) s(x) On caleul réponse précitée pa

= aire de la surface plane 16 du transduc-

teur à électret sur la figure 2, envisa-

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

= épaisseur de la membrane à électret.

Le de façon théorique la caractéristique de r la relation: -1 Xlxejkx si n Sdx Àóe) = -1 l (). ( 4) dans laquelle: 1 = longueur du transducteur à électret, du centre jusqu'à une extrémité; 51 E

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-1 = longueur du transducteur à électret du centre jusqu'à l'autre extrémité; (x) = sensibilité du transducteur à électret à une distance quelccnque x à partir de son centre; k = nombre d'onde acoustique; et R(e) = réponse du transducteur à électret pour un angle quelconque 6 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 héorie, par la relation

( 4)e est représentée en pointillés.

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

bilité du transducteur électret est directement proportion-

nelie 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 traneducteur 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-

fectifo 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 ho de la surface inférieure 80 de ce der-

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 sommet du cylindre 78, à une distance 51 de la surface supérieure de la plaque arrière 72 e Du fait du poids de la membrane à électret 84 et du fait des

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vibrations produites par le son oui arrive sur la membrane 84,

la distance 51 de la membrane 8 ' oar raort à la laque ar-

rière 72 présentera quelques variations i-nsignifiantes.

L'espace d'air réel corresor:d au volume d'air 56 entre la membrane à électret 84 et la placue arr-ère 72 Comme indiqué précédem=ent, du fait qu'il n'y a au'une déforma:ion insignifiante de la membrane à électret 84, l'épaisseur ou la

profondeur de l'espace d'air réel, 51, est ratiquee cons-

tante L'espace d'air réel affecte le comportement élec:ricue du système Plus la membrane à électret 84 est proche de la plaque arrière 72, -lus le signal de sortie ro dit na" r la

membrane à électret 84 est élevé.

espace d'air e Lfecuti L est la somme du volume a'air dans la caieté arrière 88 du volume d' ar dans ' ensem s uvert es 82 et de l'es'ace d'air réel 6 L''véaisseuz ou la

urofondeur de l'espace d'aer e _ectif est an e ar laz rela-

tion z:hz'

D'2 ( 5

h-a o 2 O dans laquelle ho = -ro fondeur du vol-me d'air dans la cavité artiere 88; n = hombre d'ouverturoes 82; h = dameètre de chacune des ouvertures 82; t = epasseur de la plaque arrière 72; r O = rayon du cylindre 78; et

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

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

canicue 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 1 1 espace d'air effectif, les m 9 mes 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 transducteuro 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)) ( 6) et hp = () ( 7) dans lesquelles: w(x) désigne la relation ( 1) précitée, et

K désigne la relation ( 2) précitée.

airsi, 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 même 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 même largeur que la plaque arrière Selon une varian-

te, la plaque arrière est entièrement en métal La membrane à électret 92 comporte une couche de métal 91 et une couche de polymère 98, chargée de façon électrostatiqueo 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 secornde membrane est supportée par les tiges 108 précitées.

Pour chaque tzsducteur 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 lois 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 placue arrière, d'ule manière similaire

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

sagés ci-dessuso Du fai que l'invention réside essentielle-

ment dans la rlague arrere, on ne décrira cue cette dernière.

En considérant -lus uarticulière ent la figure 11,

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

La membrane à électret 121 précitée est superposée directement sur la surface 118 de la' plaoue arriere, qui est naturellement

rugueuse Un ensemble de trous 120 de m Sme 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 pratiouement constante sur toute la

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

tant a 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, P(x), est donnée par la

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

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

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

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

0 ( 1) et ( 2) précitées.

a figure 13 rerésente une membrane à électret 127 et une plaue arri re 126 com-renant un ensemble 'ouvertures 28 de e diamèqtre oui er-oorent la rlacue arrière 126 On -ait varier l '= -isseu -e l'espace d'air eenec_ e fasan arr la densite es c s- ertues 126, iecte-et r rc or ior

des _rela tions ( 1) e ( 2) rêcitées.

Dan E a r aosvde oê e= réalisaion (non représen*té) d^e l'ietion, dans le e' l'espace d'air effectif varie sur d c-ge u trnsuce-r à électret, la couch_-e _e métal _e la membrne à élec-ret est placée en contact direct avec la couche de -étal de la pla^ue arrière Une seconde membrane est susendue au-dessus de la membrane à électret 121, 123 ou 127, en étant S _or-ée -ar des éléments isolants, tels que les

élée 7 erts 62 et 64 '-erénés sur la figure 6 Dans trois for-

mes distinctes de ce mode de réalisation, on fait varier éaisseur de l'espace d'air effectif en faisan L varier le diamètre, la densité ou la cordeur des trcus dans la claaue arrière, comme il est repr-sen-é sur les figures 11, 12 et 13.

Selon une variante, les trous des figures 11, 12 et 13 sont remplacés par des rainumes (non représentées) dont la largeur, la densité ou la prcfondeur varie 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 com-

prenant une plaque arrière 130 d'épaisseur uniforme et une membrane à électret 132 dont l'épaisseu-r 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 o 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, v(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 indiaquées 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 lorngueur 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 o 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 élec 6 tret 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 o La sensibilité, c'est-à-dire v(x) du transducteur

à électret de la figure 15, exprimée par la relation ( 5) pré-

citée, en n'importe auel 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.

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

ducteur à électret en faisant 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-

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

citées 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-

fret 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 o La sensibilité, (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-

tret 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).

L 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 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 uniformément sur une largeur sélectionnée, comme sur la figure 6 envisagée ci-dessus, et la charge varie sur la longueur de la su-face de polymère 14 Cependant, la largeur de la surface de polymère 14 chargée de facon électrostatique varie sur la longuetu conformeent aux relations ( 1) et ( 2)

précitéeso La large^r^ de la région chargée de façon électros-

tatique nrie coïncide donc pas avec la largeur du polymère La caractéristique de réponse obtenue est pratiquement la même

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 même 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 îà n'importe quel point est donnée par la relation:

V (

dl 8 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 qui 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 électrostaticque négative comprise dans une région sélectionnée varie sur la longueur de la couche de

polymère conformément a-ux relations ( 1) et ( 2) précitées Ce-

pendant, contrairement 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 chiarge la surface de polymère avec à la fois des charges négatives et des charges

positives dans le but de former u-e _rcntière netterent défi-

rie entre les deux: régcis crargéees Ainsi, l ' seni lié en he 'Les n'imorte uel poinest d rarsd e et d e façon plus

r-écise, du fait u'elle a-éend directement de la charge élec-

cstatioee N ce _oint _a rcrse est cer directiornel-

le et, come on l'a o é récéden e -m 'elat on avec la

fgvre 5, elle comu-renrd un loe pri -1 c-al et -nr ensemble de lo-

bes secondaires au-dessous d'u seuil orésélec'tonné.

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 pelâut re-_mplacer la membra- ne à électret car une membrane à lacuelle est applicuée -une polarisation Continue Ainsi, au lieu de déposer -une c:hare électrcstatiqcue sur la membrane,

on lui aptlique en zerman-ence une polarisation continue prove-

narint 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 être placée du côté de la

plaque arrière.

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

tement sur la plaque arrière La membrane doit au contraire être 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 arrière peu-

vent être 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 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir

du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Transducteur acoustique destiné à produire un

diagramme de réponse directionnel comprenant un lobe prin-

cipal et un ensemble de lobes secondaires situés pratiquement à un niveau de seuil prédéterminé, comprenant une plaque ar- rière et une membrane à électret, caractérisé en ce que la

charge électrostatique sur la membrane à électret ( 10) présen-

te une variation spatiale proportionnellement à une relation prédéterminée.

2 Transducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que la relation prédéterminée de la charge électros-

tatique est définie par: (l _ 2/2 i L)< K ' te | 4 | <L avec: tions 1 o arrière ( tions 1 à comprend et la cou, de la pla J 1 = fonction de Bessel de première espèce, j = (-1)1/2 l= in r +(r 2-1)1/2, r rapport de l'amplitude du lobe principal au niveau de seuil des lobes secondaires, distance normalisée de n'importe quel point sur la plaque arrière, par rapport au centre de la plaque arrière; et

L = Longueur normalisée de la plaque arrière au-

delà de laquelle la charge électrostatique est une constante, K.

3 Transducteur selon l'une quelconque des revendica-

u 2, caractérisé en ce qu'une surface de la plaque

18) porte un revêtement métallique( 20).

4 Transducteur selon l'une quelconque des revendica-

3, caractérisé en ce que la membrane à électret ( 10) une couche de métal ( 12) et une couche de polymère ( 14), che de polymère fait face à la surface métallique ( 20) que arrièreo Transducteur selon la revendication 4, caractérisé

en ce que la charge électrostatique est répartie sur la lon-

gueur de la couche de polymère ( 14) selon la relation prédé-

terminée.

6 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 4 ou 5, caractérisé en ce que la charge électrostati- que en n'importe quel point sur la longueur de la couche de

polymère ( 14) est uniforme sur la largeur de la couche de po-

lymère en ce point.

7 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 4 ou 5, caractérisé en ce que la charge électrostati-

que en n'importe quel point sur la longueur de la couche de polymère ( 14) n'est pas uniforme sur toute la largeur de la

couche de polymère en ce point.

S Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 4 à 7, caractérisé en ce que la charge électrostatique

en n'importe quel point sur la longueur de la couche de poly-

mère ( 14) est pratiquement la m 9 me à des distances égales de part et d'autre d'une ligne médiane parallèle au plus petit

côté de la couche de polymère.

9 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 8, caractérisé en ce que la membrane à électret est fixée à la plaque arrière ( 18) de façon que la couche de

métal ( 12) de la membrane à électret se trouve face au rev C-

tement métallique ( 20) de la plaque arrière ( 18), et une se-

conde membrane ( 66) comprenant une couche de polymère ( 70) et

une couche de métal ( 68) est suspendue au-dessus de la membra-

ne à électret.

Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 4 à 8, caractérisé en ce que la membrane à électret

est superposée directement sur la plaque arrière, une premiè-

re région de la couche de polymère est chargée de façon élec-

trostatique avec une charge négative, la largeur de la premiè-

re région varie sur la longueur de la couche de polymère et le

reste de la couche de polymère est chargé de façon électrosta-

tique avec une charge positive.