FR2536622A1 - SPEED HYDROPHONE - Google Patents
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Abstract
HYDROPHONE DE MESURE DE VITESSE VIBRATOIRE POUR DES FREQUENCES SUPERIEURES A 10HZ. L'HYDROPHONE COMPREND UN ELEMENT TRANSDUCTEUR 40 FORME PAR UN BILAME PREFERENTIELLEMENT EN POLYFLUORE OU DE VINYDILENE PVF ENCASTRE DANS UNE MASSE INERTIELLE A PROFIL HYDRODYNAMIQUE 52. LES DEUX ELECTRODES DU BILAME 40 SONT RELIEES A UN AMPLIFICATEUR DE COURANT QUI FOURNIT UN SIGNAL PROPORTIONNEL A LA VITESSE VIBRATOIRE. APPLICATION A LA REALISATION D'HYDROPHONES POUR ANTENNES SONAR.VIBRATORY SPEED MEASUREMENT HYDROPHONE FOR FREQUENCIES GREATER THAN 10HZ. THE HYDROPHONE INCLUDES A TRANSDUCING ELEMENT 40 SHAPED BY A BILAME PREFERENTIALLY OF POLYFLUORINE OR VINYDILENE PVF EMBEDDED IN AN INERTIAL MASS WITH A HYDRODYNAMIC PROFILE 52. THE TWO ELECTRODES OF BILAME 40 ARE CONNECTED TO A CURRENT PROPORTIONING SIGNIFICANT A VINYDILENE VIBRATORY. APPLICATION TO THE REALIZATION OF HYDROPHONES FOR SONAR ANTENNAS.
Description
*P BOU* P BOU
HYDROPHONE DE VITESSESPEED HYDROPHONE
L'objet de la présente invention est un hydrophone directif, qui pour chaque direction d'ondes acoustiques incidentes fournit un courant électrique sensiblement proportionnel à la vitesse vibratoire de ces ondes et ceci dans une bande de fréquence pouvant aller de 10 Hz à 10 k Hz. Les hydrophones de vitesse sont utilisés comme transducteurs The object of the present invention is a directional hydrophone, which for each direction of incident acoustic waves provides an electric current substantially proportional to the vibratory speed of these waves and this in a frequency band ranging from 10 Hz to 10 k Hz Speed hydrophones are used as transducers
pour les antennes de sonars passifs ou des bouées acoustiques. for passive sonar antennas or buoys.
Pour ces applications ils présentent l'avantage d'une sensibilité For these applications they have the advantage of a sensitivity
constante avec la fréquence.constant with the frequency.
Il est connu de réaliser des capteurs de vitesse vibratoire par des lames piézoélectriques rigides, ces lames étant encastrées dans une masse sismique Etant donnée la valeur de la raideur d'une telle lame, on ne peut faire des mesures que pour des fréquences It is known to produce vibratory speed sensors by rigid piezoelectric blades, these blades being embedded in a seismic mass. Given the value of the stiffness of such a blade, measurements can only be made for frequencies
supérieures à 100 Hz.above 100 Hz.
Le capteur de vitesse vibratoire, suivant l'invention, remédie à cet inconvénient en permettant des mesures pour des fréquences de The vibratory speed sensor, according to the invention, overcomes this disadvantage by allowing measurements for frequencies of
l'ordre de 10 Hz.the order of 10 Hz.
Brièvement, c'est un hydrophone de mesure de vitesse vibra- Briefly, it is a hydrophone for measuring vibration velocity.
toire pour des fréquences supérieures à une valeur f min de l'ordre de Hz, comprenant un élément transducteur piézoélectrique lié mécaniquement à une masse inertielle caractérisé par le fait que la fréquence de résonance f Rde cet hydrophone est telle que f R <f min et que les électrodes de l'élément transducteurs sont reliées à des for frequencies greater than a value f min of the order of Hz, comprising a piezoelectric transducer element mechanically linked to an inertial mass, characterized in that the resonance frequency f R of this hydrophone is such that f R <f min and that the electrodes of the transducer element are connected to
moyens de mesure de courant, qui fournissent un signal propor- current measuring means, which provide a proportional signal
tionnel à cette vitesse vibratoire. at this vibratory speed.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la des- Other features and benefits will emerge from the
cription qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, un bilame piézoélectrique; figure 2, un bilame encastré dans une masse inertielle; figure 3, le diagramme de directivité d'un hydrophone; figures 4, 5, 6, 7 et 8, des variantes de réalisation d'un hydrophone, suivant l'invention; description which will follow, illustrated by the figures which represent: FIG. 1, a piezoelectric bimetallic strip; Figure 2, a bimetallic embedded in an inertial mass; Figure 3, the directivity diagram of a hydrophone; Figures 4, 5, 6, 7 and 8, embodiments of a hydrophone, according to the invention;
figure 9, un hydrophone suivant l'invention, ayant un dia- FIG. 9, a hydrophone according to the invention, having a di-
gramme de directivité adapté.adapted directivity gram.
Le principe de l'hydrophone, capteur de vitesse vibratoire The principle of the hydrophone, vibratory speed sensor
suivant l'invention est l'utilisation d'un bilame ou trilame piézoélec- according to the invention is the use of a bimetallic or piezoelectric trilame
trique très souple dont la déformation suit le mouvement vibratoire de l'eau et de mesurer le courant de sortie entre les électrodes du senseur Ce senseur est maintenu à un support constituant une masse inertielle Ms Si k est la raideur du senseur, les fréquences f pour lesquelles la déformation suit le mouvement vibratoire sont telles que: f > 21 XM 1 avec 1/M = 1/M + 1/Me o Me es't la masse d'eau entraînée Dans cette égalité on néglige la masse du senseur devant la masse d'eau entraînée Pour que la déformation suive le mouvement vibratoire il est, de plus, nécessaire que le support soit le moins mobile possible en présence d'un champ acoustique Pour cela il est dense et allongé very flexible trench whose deformation follows the vibratory movement of the water and to measure the output current between the electrodes of the sensor This sensor is maintained at a support constituting an inertial mass Ms Si k is the stiffness of the sensor, the frequencies f for which deformation follows the vibratory movement are such that: f> 21 XM 1 with 1 / M = 1 / M + 1 / Me o Me is the mass of entrained water In this equality we neglect the mass of the sensor before the mass of entrained water So that the deformation follows the vibratory movement it is, moreover, necessary that the support is the least mobile possible in the presence of an acoustic field For this it is dense and elongated
dans la direction de l'axe sensible. in the direction of the sensitive axis.
Si la condition ( 1) n'est pas réalisée, le senseur ne se déforme pas ou peu et il apparaît un gradient de pression entre ses deux faces et l'hydrophone est un capteur de gradient de pression Donc, pour obtenir un hydrophone utilisable à des fréquences basses en capteur de vitesse, il faut que F soit faible et donc principalement k faible, la masse M ne pouvant pas être trop importante pour des raisons évidentes d'encombrement, d'o la nécessité d'une grande souplesse (ou compliance) du senseur Cependant la sensibilité étant proportionnelle au volume piézoélectrique, l'épaisseur du bilame ne doit pas être trop faible pour ne pas trop diminuer la sensibilité Le senseur utilisé dans Phydrophone proposé est à la fois souple et If the condition (1) is not achieved, the sensor does not deform or little and there appears a pressure gradient between its two faces and the hydrophone is a pressure gradient sensor So, to obtain a hydrophone usable to low frequencies in speed sensor, it is necessary that F is low and therefore mainly k low, mass M can not be too important for obvious reasons of congestion, o the need for great flexibility (or compliance However, since the sensitivity is proportional to the piezoelectric volume, the thickness of the bimetallic strip must not be too small so as not to reduce the sensitivity too much. The sensor used in the proposed hydrophone is both flexible and
suffisamment épais.thick enough.
La structure préférée du senseur utilisé est représentée sur la figure l Le senseur comporte deux lamelles piézoélectriques 10 et Il séparées par une électrode centrale 12 et recouvertes par deux The preferred structure of the sensor used is shown in FIG. 1. The sensor comprises two piezoelectric strips 10 and 11 separated by a central electrode 12 and covered by two
électrodes 13 et 14 constituant les deux faces extérieures. electrodes 13 and 14 constituting the two outer faces.
Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, on utilise deux feuilles de polyfluorure de vinylidène (PVF 2), qui est un polymère ferroélectrique D'autres polymères de synthèse connus ayant les propriétés piézoélectriques peuvent être utilisés On peut aussi utiliser un matériau composite constitué de grains de céra- According to a preferred embodiment of the invention, two sheets of polyvinylidene fluoride (PVF 2), which is a ferroelectric polymer, are used. Other known synthetic polymers having piezoelectric properties can be used. A composite material consisting of cereal grains
mique piézoélectrique noyés dans un polymère. piezoelectric material embedded in a polymer.
Le PVF 2 se présente comme un matériau mince, très souple, à faible densité ( 1,8) Son impédance acoustique est voisine de celle de l'eau et il est donc bien adapté à l'émission/réception d'ondes acoustiques dans l'eau De plus, son facteur de mérite, c'est-à-dire la puissance électrique convertie par effet piézoélectrique dans un volume unité sous une pression unité est comparable à celui des céramiques piézoélectriques du type titanozirconate de plomb (PZT) Le PVF 2 est connu pour ses utilisations en acoustique aérienne (microphones, écouteurs, haut- parleurs), o il se présente sous forme de membranes métallisées sur deux faces Toutefois dans PVF 2 is a thin, very flexible, low density material (1.8). Its acoustic impedance is close to that of water and is therefore well suited to the emission / reception of acoustic waves in the water. In addition, its merit factor, that is to say the electrical power converted by piezoelectric effect in a unit volume at a unit pressure, is comparable to that of piezoelectric ceramics of the lead titanozirconate (PZT) type. PVF 2 is known for its uses in aerial acoustics (microphones, earphones, speakers), where it is in the form of metallized membranes on two sides.
ces applications les épaisseurs sont de quelques microns, typi- these applications the thicknesses are of a few microns, typically
quement 10 à 20 um.only 10 to 20 μm.
Les lamelles 10 et Il sont en PVF 2 d'épaisseur de l'ordre de 500 pm à 1 mnm, pour procurer une sensibilité suffisante tout en gardant une raideur k faible L'électrode centrale 12 est par The slats 10 and 11 are of PVF 2 with a thickness of the order of 500 μm to 1 nm, to provide sufficient sensitivity while maintaining a low stiffness k The central electrode 12 is by
exemple en graphite pour permettre une bonne adhérence du PVF 2. example in graphite to allow a good adhesion of the PVF 2.
Les électrodes 13 et 14 sont des couches minces métalliques. The electrodes 13 and 14 are thin metallic layers.
L'électrode centrale peut être une lamelle de métal ou d'isolant dont l'épaisseur est comparable à celle des deux lamelles piézoélectriques The central electrode may be a lamella of metal or insulator whose thickness is comparable to that of the two piezoelectric lamellae
dans ce cas c'est une structure trilame. in this case it is a trilame structure.
L'axe xx' est l'axe le long duquel le coefficient piézoélec- The axis xx 'is the axis along which the piezoelectric coefficient
trique, qui mesure la densité de charge électrique pour une défor- which measures the electrical charge density for a deformation
mation donnée (en coulomb/m 2), est le plus grand Compte tenu également des techniques de fabrication employées, les vecteurs polarisation Pl et P 2 des deux films piézoélectriques 10 et 11 sont Given the manufacturing techniques used, the polarization vectors P1 and P2 of the two piezoelectric films 10 and 11 are the same as in the case of coulomb / m 2.
en sens opposés.in opposite directions.
Comme représenté figure 2, le senseur 20 décrit précédem- As shown in FIG. 2, the sensor 20 previously describes
ment est encastré par une extrémité à une masse 21 en matériau dense, représentée de forme cubique, mais qui avantageusement est de forme profilée de manière à être entraînée le moins possible par is embedded at one end to a mass 21 of dense material, shown in a cubic form, but which is advantageously shaped in shape so as to be driven as little as possible by
le mouvement vibratoire On choisit pour cela des profils hydrodyna- the vibratory movement We choose for this hydrodynamic profiles
miques, c'est-à-dire allongés suivant la direction du mouvement. are lengthened in the direction of movement.
L'encastrement est réalisé de manière à ce que la lame travaille en flexion suivant l'axe xx' En présence d'énergie acoustique le senseur The embedding is carried out so that the blade works in flexion along the axis xx 'In the presence of acoustic energy the sensor
présente un maximum de sensibilité suivant les directions perpen- has a maximum sensitivity according to the directions
diculaires aux faces principales 22 et 24, tandis qu'il y a-un minimum de sensibilité suivant les directions parallèles à ces faces On obtient un diagramme de directivité dont la forme en projection -sur le plan contenant xx' est -représentée schématiquement sur la figure 3. Les électrodes 22 et 24 du senseur sont connectées à un amplificateur du type amplificateur de courant 23, dont la tension en sortie est proportionnelle au courant i d'entrée: Les vecteurs de polarisation étant opposées, les deux lamelles Il et 12 constituent deux générateurs en série L'électrode 22 est donc reliée à l'entrée signal de l'amplificateur 23, tandis que Divided at the principal faces 22 and 24, while there is a minimum of sensitivity along the directions parallel to these faces. A directivity pattern is obtained whose projection shape on the plane containing xx 'is shown schematically on the FIG. 3. The electrodes 22 and 24 of the sensor are connected to an amplifier of the current amplifier type 23, the output voltage of which is proportional to the input current i: As the polarization vectors are opposite, the two lamellae 11 and 12 constitute two generators in series The electrode 22 is therefore connected to the signal input of the amplifier 23, while
l'électrode 24 est reliée à la masse de l'amplificateur. the electrode 24 is connected to the ground of the amplifier.
Si les polarisations sont de même sens l'électrode centrale 12 est reliée à la masse, les électrodes 22 et 24 étant alors connectées If the polarizations are in the same direction, the central electrode 12 is connected to ground, the electrodes 22 and 24 then being connected
entre elles et reliées à l'entrée signal de l'amplificateur. between them and connected to the signal input of the amplifier.
Une première réalisation suivant l'invention, est représentée A first embodiment according to the invention is shown
en coupe sur la figure 4.in section in Figure 4.
Le senseur 40 tel que décrit précédemment est fixé par ses deux extrémités à l'intérieur d'une masse rigide 41 de densité beaucoup plus grande que celle de l'eau Cette masse est formée autour d'un axe de symétrie 45 et sa section est soit rectangulaire ou carrée, soit circulaire Ses extrémités sont arrondies ou profilées pour diminuer la force d'entraînement en présence d'un champ acoustique La fixation du senseur 40 est par exemple obtenue au moyen de deux mâchoires 42 solidaires de la masse situées de part The sensor 40 as described above is fixed by its two ends inside a rigid mass 41 of density much greater than that of water This mass is formed around an axis of symmetry 45 and its section is either rectangular or square, or circular Its ends are rounded or profiled to reduce the driving force in the presence of an acoustic field The attachment of the sensor 40 is for example obtained by means of two jaws 42 integral with the mass located from
et d'autre de l'axe xx' assurant de bonnes conditions d'encastrement. and other of the axis xx 'ensuring good conditions of embedding.
Pour obtenir un maximum de sensibilité le senseur occupe avanta- To obtain maximum sensitivity, the sensor occupies
geusement la totalité de la section délimitée par la masse. the entire section delimited by the mass.
Les électrodes du senseur 40 sont connectées à un amplifi- The electrodes of the sensor 40 are connected to an amplifier
cateur de courant 23 qui fournit une tension proportionnelle à la vitesse vibratoire Une membrane étanche très souple 44 peut être placée à chaque extrémité de la masse pour la fermer L'intérieur est alors rempli d'huile permettant une bonne isolation électrique et un équilibrage de flottabilité La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle les parois intérieures 52 de la masse sont current sensor 23 which provides a voltage proportional to the vibratory speed A very flexible waterproof membrane 44 can be placed at each end of the mass to close it. The interior is then filled with oil allowing good electrical insulation and buoyancy balancing. FIG. 5 shows an embodiment variant in which the inner walls 52 of the mass are
profilées pour augmenter la sensibilité de l'hydrophone. profiled to increase the sensitivity of the hydrophone.
La figure 6 représente une variante de cette réalisation dans laquelle est insérée au centre du senseur une pièce 70 composée d'un matériau léger non piézoélectrique; en particulier ce matériau peut être du PVF 2 non traité et donc neutre Le senseur peut être séparé en deux parties actives 71 et 72 reliées en parallèle à l'amplificateur FIG. 6 represents a variant of this embodiment in which is inserted at the center of the sensor a part 70 composed of a non-piezoelectric light material; in particular this material can be untreated PVF 2 and therefore neutral The sensor can be separated into two active parts 71 and 72 connected in parallel to the amplifier
de charge différentiel 43.differential load 43.
Une autre réalisation est représentée en coupe sur la figure 7. Another embodiment is shown in section in FIG.
Cette réalisation comporte un senseur 81 fixé sur une masse compacte de forme allongée en matériau dense 80 Le senseur est fixé à la masse par exemple au moyen de deux mâchoires comme décrit précédemment et ses électrodes sont connectées en parallèle This embodiment comprises a sensor 81 fixed on a compact mass of elongated form of dense material 80 The sensor is fixed to the ground for example by means of two jaws as described above and its electrodes are connected in parallel
à un amplificateur.to an amplifier.
La masse a une forme allongée, sa section étant ronde ou rectangulaire Sur la figure le senseur est placé au centre de la The mass has an elongated shape, its section being round or rectangular In the figure the sensor is placed in the center of the
masse mais il peut être également placé près d'une extrémité. mass but it can also be placed near one end.
La figure 8 représente une variante de cette réalisation dans laquelle l'extrémité libre du senseur comporte une masselotte en FIG. 8 represents a variant of this embodiment in which the free end of the sensor comprises a counterweight in
alliage léger 83.light alloy 83.
Suivant une autre variante de l'invention, montrée par la According to another variant of the invention, shown by the
figure 9, la directivité du dispositif peut être modifiée Les élec- FIG. 9, the directivity of the device can be modified.
trodes du senseur 81 sont reliées d'une part à un amplificateur trodes of the sensor 81 are connected on the one hand to an amplifier
différentiel 90 et d'autre part à un amplicateur sommation 91. differential 90 and secondly to a summation amplifier 91.
L'électrode centrale du senseur est reliée à la masse Les polari- The central electrode of the sensor is connected to the ground.
sations étant opposées l'amplificateur différentiel 90 fournit un signal proportionnel à la vitesse vibratoire et l'amplificateur de sommation 91 un signal proportionnel à la pression Les deux signaux ainsi obtenus sont pondérés par des résistances R 1 et R 2 et additionnés fournissant un signal S On obtient ainsi un diagramme en cardiolde résultant du diagramme "en huit", obtenu par la vitesse et du diagramme circulaire obtenu par la pression. Il faut noter que cette variante peut être appliquée à toutes In this case, the differential amplifier 90 provides a signal proportional to the vibratory speed and the summing amplifier 91 a signal proportional to the pressure. The two signals thus obtained are weighted by resistors R 1 and R 2 and summed, providing a signal S A cardioid diagram is thus obtained resulting from the "eight" diagram obtained by the speed and the circular diagram obtained by the pressure. It should be noted that this variant can be applied to all
les formes de réalisation décrites précédemment. the embodiments described above.
Suivant un exemple de réalisation de l'invention, les lamelles de l'hydrophone forment un bilame et sont en PVF 2, qui est encastré par une extrémité dans une masse en tungstène Les dimensions du bilame sont les suivantes: épaisseur: 270 P m longueur: 36 mm According to an exemplary embodiment of the invention, the lamellae of the hydrophone form a bimetallic strip and are made of PVF 2, which is embedded at one end in a tungsten mass. The dimensions of the bimetallic strip are the following: thickness: 270 P m length : 36 mm
largeur: 19 mm.width: 19 mm.
La fréquence de résonance dans ces conditions est de 12 Hz. The resonant frequency under these conditions is 12 Hz.
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