FR2517162A1

FR2517162A1 - Transducteur a electret comportant un espace d'air effectif variable

Info

Publication number: FR2517162A1
Application number: FR8219316A
Authority: FR
Inventors: Ilene Joy Busch-Vishniac; Robert Lee Wallace Jr; James Edward West
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1983-05-27
Also published as: NL8204513A; FR2517162B1; DE3242596A1; SE8206384L; JPS5896498A; SE453552B; CA1186046A; SE8206384D0; US4429193A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TRANSDUCTEURS ACOUSTIQUES. UN TRANSDUCTEUR DIRECTIONNEL COMPREND NOTAMMENT UNE MEMBRANE A ELECTRET 121 ET UNE PLAQUE ARRIERE METALLISEE 116, ET L'EPAISSEUR DE L'ESPACE D'AIR EFFECTIF ENTRE CES ELEMENTS VARIE SELON UNE RELATION PREDETERMINEE. LA SENSIBILITE DU TRANSDUCTEUR A ELECTRET EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE A L'EPAISSEUR DE L'ESPACE D'AIR EFFECTIF. ON PEUT FAIRE VARIER CETTE EPAISSEUR AU MOYEN D'UN ENSEMBLE DE TROUS DE MEME DIAMETRE PERCES JUSQU'A DES PROFONDEURS QUI VARIENT CONFORMEMENT A LA RELATION PREDETERMINEE. APPLICATION AUX MICROPHONES DIRECTIONNELS.

Description

t présente invention concerne les systèmes acousti-

ques et el c: porte en particulier sur des transducteurs à élec-

tret de Jti-ués à donner une réponse directionnelle.

On peut utiliser des réseaux acoustiques comprenant

un ensemble de microphones discrets pour produire des caracté-

ristiques de réponse directiornnelle,comme il est indiqué dans la demande de brevet FR 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-

cise des microphones par rapport aux positions désirées entraúne

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'un

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

0 phones décrit ci-dessus.

Conformément au mode de réalisation de l'invention

considéré à titre d'exemple, l'épaisseur de l'espace d'air ef-

fectif entre une membrane à électret chargée de façon électros-

tatique et une plaque arrière métallisée uniformément d'un

transducteur à électret varie selon une relation prédéterminée.

La variation précitée de l'épaisseur de l'espace

d'air effectif est obtenue selon l'une quelconque de trois ma-

nières Premièrement, on perce un ensemble de trous de même dia-

mètre jusqu'à diverses profondeurs dans la plaque arrière pré-

citée, les profondeurs des trous variant conformément à la re-

lation précitée, tandis que la densité des trous dans la plaque arrière est uniforme Secondement, on perce un ensemble de

trous équidistants de diamètresvariables de façon qu'ils tra-

versent toute l'épaisseur de la plaque arrière Le volume des trous varie conformément à la relation précitée Troisièmement, on perce un ensemble de trous de même diamètre de façon qu'ils traversent toute l'épaisseur de la plaque arrière Cependant,

la densité des trous varie conformément à la relation précitée.

Selon une variante, dans chacun des trois modes de réalisation précédents, on peut rempla cer les trous per des rainures dans

la plaque arrière qui s'étendent dans -La 'zrection de la lar-

geur de la plaque arribre.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la membrane à électret peut étre fixée à la surface de métal

de la planque arrière, et une seconde nembrane est alors sus-

pendue sur la membrane à électret, en étant supportée par des

éléments isolantso On peut faire varier l'épaisseur de l'espa-

1 ce d'air effectif entre la seconde membrane et la membrane à

électret, sur la longueur du transducteur à électret, en fai-

sant varier le volume d'air dans des trous ou des rainures foriés dans la plaque arrière, conformément à une relation prédéterminée. 1-5 L'invention sera mieux comprise à la lecture -e 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; go La figure 2 montre une plaque arrière métallisée sélectivement qui est utilisée dans le transducteur à électret de la figure I; La figure 3 montre une vueisométrique 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 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 TELON) 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-

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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: ill-V ll,2 f/2 l W = j 1 it (), ra

-()-_ 2)1/2 J)

= K, L Ll f 2 avec: J 1 = fonction de Bessel de première espèce; j = (-1) 1/2; = N Er + (r 2 _ 1)1/2; 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 I =-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 placue 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

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

ristique d Me réponse obtenue est pratiquement identique à la caractéristique de réponse précitée, représentée sur la figure 5. On considérera 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, 36, 38, 40, chacun d'eux se trouvant pra-

tiquement à 30 d B au-dessous du lobe principal 30 précité On peut obtenir d'autres configurations de lobes secondaires pour différentes fréquences Cependant, darns 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 p Laettedecircuit, 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 façon similaire, un conducteur 25, en contact avec la couche de métal ( 12) de la membrane à électrt PS constitue un

conducteur électrique neutre (ou de masseo allant vers le con-

necteur précité (non représent)és Pai ce tooyen, les signaux acoustiques qui arrivent sur le transducteur à électret préci- té sont convertis en signaux électriques convenant pour une

transmission électrique.

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 polymère 14 de la membrane à électret 10 soit en contact direct avec la surface rugueuse métallisée 16 de la plaque arrière 18 Les c&tés longitudinaux 27 et 29 de la membrane à électret 10 sont respectivement appliqués contre les cotés 41 et 43 de l'élément de suo 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 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

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 -

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 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 ar Ctes naturel-

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

qui empêche un mouvement résonnant dans la membrane 10 préci-

tée J Il est nécessaire d'empêcher un mouvement résonnant pour éviter des pics spectraux dans la caractéristique de réponse en fréquence du transducteur à électreto 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, comnprenant 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 même 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 proportionne lle 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) 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 fo(x)51 =(X) e<t)w(x) po Al*o S(X) +S(x)l 3) o o 3 dans laquelle Sle X (x) = sensibilité du transducteur à électret à une distance x du centre de ce dernier; Cr(x) = distribution spatiale de charge; ff(x) = épaisseur effective de l'espace d'air,

envisagée ci-après de façon plus complè-

te;

Si 1 (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; o O = permittivité de l'air; et

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

On calcule réponse précitée par de facon théorique la caractéristique de la relation: 1 (' ( X Si nr x 1 A (x) dx -31 ( 4) dans laquelle: 1 = longueur du transducteur à électret, du centre jusqu'à une extrémité;

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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 quelconque x à partir de son Y, centre; k = nombre d'onde acoustique; et R(e) = réponse du transducteur à électret pour un angle quelconque 8 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 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.

Du fait du poids de la membrane à électret 84 et du fait des

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

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

rière 72 présent'era quelques variations sgnifianteso L'espace d'air réel correspo Md ae vol Lme d'air 86 entre la membrane à électret 84 et la plaque arrière 72 Comme indiqué précédemment, du fait qu'il ny a quune déformation insignifiante de la membrane à -lectrel'épaisseur ou la

profondeur de l'espace d'air réel, 51, 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 volune d'air dans l'ensemble des ouvertures 82 et de l'espace d'air réel 86 L'épaisseur ou la

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

tion: nhi, h + + S, ( 5) r$ 4 r O dans laquelle: ho = 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

51 = 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 transducteur.

Bien que la figure 7 montre un cylindre 88 pour expliquer la signification des termes: espace d'air réel et

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espace d'air effectif, les mêmes 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))f ( 6) et hp = (K) * ( 7) dans lesquelles: w J(x) désigne la relation ( 1) précitée, et

R 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 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 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

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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 réél 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'éais-

1 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 tra-sducteur 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-

1 3 25 12517162

seer'te) es-t suspendue au-dessus de la plaque arrière 104 Cet-

te seconde:embrane est supportée par les tiges 108 précitées.

Pour chaque timnsducteur à électret représenté sur les

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

l aire 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 cue cette dernière.

En considérant plus particulièrement la figuore 11,

on voi umne membrane à 4 Àleetret 121 et une plaque arrière 116.

la membrare k électret 121 précitée est sunerl;osée directement sur la sarace 118 de la plaque arrière, ?ui est naturellement

2-0 rugu euse Un ensemble de trous 120 de mme diamètre sont per-

ces 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-

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

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

tiornnelle 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 sont pratiquement similaires aux caractéristiques de

ré-,onse représentées sur la figure 5, envisagée ci-dessus.

La fi,,re 1 2 m-ontre n e erane a électret 123 et une piaq Gue arràere 122 comprenara b un _ t ouvertures 124 qvi perforent cette laue, et ces ler,: sont utiles a la réa Lisation d'un autre tran-sducteur à électret Les diamètres des ouvertures varient de façon que le volunze d'air dans les ouvertures varie directement en propor-'ioaz 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 nor ensemble d'ouvertures 128 de même diateure cui rerforent la laouue arrière 126 o On fait varier l'édasseur de l'espace effectif en faisant varier la densité des ertures 126, Directement en proportion

des relations ( 1) et ( 2) précitées.

D ans autre mode de réalisation (non représenté) de l'iven-tion, aans ieuel l'espace d'air effectif varie sur la lcng-ue-r,cu rans LU-ce-r à électret, la counche de mtal de la membrane a électret est pladée en contact direct avec la couche ce rétal de la planue arrière Une seconde membrane est suspendue au-cessu S 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 efectim en faisant varier le diamètre, la densité ou la profondeur des trcus 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 varie conformément aux relations ( 1) et ( 2)o 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 150 d'épaisseur uniforme et une membrane à électret 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

2517162

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, 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 k partir de la relation ( 4) précitée et la réponse mesurée sont uraticuement celles indiquées par les

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

sus. Ig 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 -K ( 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 v(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 La 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-

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

citées Cependant, la largeur de la couche de métal,-sa 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 La sensibilité, v (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-

tiouement 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).

La 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 àembrane à électret Cependant, la densité de charge varie sur la longueur de la membrane a 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 uniforménmernt sur urne 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 façon électrostatique -tarie sur la longueur conformément aux relations ( 1) et ( 2)

précitéeso la largeur de la région chargée de façon électros-

O O tatioue ne cofncide donc pas avec la largeur du polymèreo 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 l La charge électrostatique î à n'importe quel point est donnée par la relation: 304 O v ( O = <o V (l O) di dans laquelle: î= densité de charge, = permittivité du polymère = permittivité de l'air environnant, d 1 = profondeur de la charge électrostatique, d = épaisse-r de la couche de polymère, et V = tension électrostati-ue" On va maintenant considérer la figure 18 qui montre encore un autre procédé pour charger la sur-ace de polymère considérée précédeemmnt de la membrane à électret O omme 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, 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 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 deux régions chargées nsi, la sensibilité en r'impore quel point du transducte* est définie de façon plus

précise, du fait u' elle déend direceent de la charge élec-

trosat-o ue en ce point La rénse est fcrement directionnel-

le et, com-e on 1 'a montré précéemert en relation avec la

f? gcre 5, elle comprend ou 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 lacuelle est appliquée une polarisation continue Ainsi, au lieu de déposer une charge électrcstatique sur la membrane,

on lui aplique 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 4 tre placée du coté de la

plaque arrière.

De plus, la membrane ne doit pas 4 tre placée direc-

tement sur la plaque arrière La membrane doit au contraire etre 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 Ctre permutés aua 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 être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inventions

Claims

REVENDICATIONS lo Transducteur acoustique comprenant une membrane à électret et une plaque arrière métallisée, caractérisé en ce que l'espace d'air effectif entre la membrane à électret ( 121, 123, 127) et la plaque arrière métallisée ( 116, 122, 126) est défini conformément à une relation prédéterminée, pour donner au transducteur acoustique une sensibilité qui varie proportionnellement à l'espace d'air effectif en n'im- porte quel point sur la longueur du transducteur acoustique, et le diagramme de réponse du transducteur acoustique comprend un lobe principal et un ensemble de lobes secondaires qui se trouvent pratiquement à un seuil prédéterminé.

2 Transducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que l'espace d'air effectif est défini conformé-

ment à la relation suivante

_( 2)1/2 <

L _ c l < dans laquelle: J 1 fonction de Bessel de première espèce, j = (1)1/2 V = ln lr +(r 2 _ 1)1/2 J 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 l'espace d'air effec-

tif est une constante, K.
3 Transducteur selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace d'air effectif est défini par un ensemble de trous dans la plaque arrière, ces

trous ayant un diamètre, une densité ou une profondeur qui va-

rie sur la longueur de la plaque arrière O
4 Transducteur selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace d'air effectif

e-t défini par un ensemble de rainures dans la plaque arriè-

re, les rainures sont parallèles les unes aux autres et pa-

rallèles à la largeur de la plaque arrière,et les rainures ont une section transversale et une densité qui varient sur

la longueur de la plaque arrière.

Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations l ou 2, caractérisé en ce que la plaque arrière com-

prend un ensemble de trous qui traversent l'épaisseur de cet-

te plaque arrière, les trous sont uniformément répartis dans la plaque arrière et les diamètres des trous varient sur la

longueur de la plaque arrière.
6 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations l ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble

de rainures dans la plîque arrière, les rainures sont paral-

lèles les unes aux autres et parallèles à la largeur de la plaque arrière, les rainures sont uniformément réparties dans la plaque arrière et le diamètre de la section transversale

des rainures varie sur la longueur de la plaque arrière.
7 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque arrière métal-

lisée comprend une plaquette de circuit métallisée et un élé-

ment de structure destiné à supporter la plaquette de circuit métallisée; la plaquette de circuit métallisée comprend un ensemble de trous uniformément espacés, de m 9 me diamètre, et les trous s'étendent à l'intérieur de l'élément de support de structure de façon que les profondeurs des trous et le volume

d'air dans les trous varient sur la longueur de la plaque ar-

rière.
8 Transducteur selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque arrière métalli-

sée comprend une plaquette de circuit métallisée et un élément

de structure destiné à supporterla plaquette de circuit métal-

lisée, la plaquette de circuit métallisée comprend un ensemble

de rainures uniformément espacées de section transversale iden-

tique, et les rainures s'étendent à l'intérieur de l'élément de support de structure de façon que la profondeur des rainures et le volume d'air dans les rainures varient sur lalongueur de la plaque arrièreo
9 o Transducoteur selon l'-îe qelconque des revendi-

cations 1 a 8, caractérisé en ce que la à mbrane à électret comprend une couche de métal et une coc C: de polymère, et la couche de m Aéta et la couche de ol ont ue forme rec- tangulaire.

Transducteur selon l'ume quelconque des revendi-

cations 1 à 9, caractérisé en ce que la mnembrane à électret

est chargée de façon électrostatique à une valeur prédétermi-

née.
11 Transducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 10, caractérisé en ce que la membrane à électret

est fixée à la plaque arrière de façon que la couche de mé-

tal de la membrane à électret se trouve face au revêtement

métallique de la plaque arrière, et une seconde membrane com-

prenant une couche de polymère et une couche de métal est

suspendue au-dessus de la membrane à électret.