FR2604588A1 - Hydrophone piezoelectrique - Google Patents
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Abstract
UN HYDROPHONE PIEZOELECTRIQUE EST CONSTITUE AVEC DES ELEMENTS PROTECTEURS CONTRE DES SURCHARGES 1A, 11A, 11B QUI PROTEGENT L'HYDROPHONE CONTRE DES SURPRESSIONS INTERNES ET EXTERNES. L'ENSEMBLE D'HYDROPHONE PROPREMENT DIT ET UN PREMIER ELEMENT PROTECTEUR CONTRE DES SURCHARGES 1A SONT REALISES D'UN SEUL TENANT, ALORS QUE LES AUTRES ELEMENTS PROTECTEURS CONTRE DES SURCHARGES 11A, 11B SONT MONTES A L'EXTERIEUR DE L'ENSEMBLE D'HYDROPHONE 1 AU-DESSUS DES DIAPHRAGMES SENSIBLES A LA PRESSION 4A, 4B. LES PIECES METALLIQUES SEPAREES DE L'HYDROPHONE SONT RELIEES PAR UN SOUDAGE AU LASER QUI PEUT ETRE REALISE DANS UNE CHAMBRE DE PRESSION. DE MEME, LA FERMETURE ETANCHE FINALE DE L'ENSEMBLE D'HYDROPHONE PEUT AVOIR LIEU DANS UNE CHAMBRE DE PRESSION SOUS UNE PRESSION CORRESPONDANT A LA PROFONDEUR D'EAU A LAQUELLE L'HYDROPHONE EST UTILISE.
Description
- 1.-
Hydrophone piézoélectrique.
La présente invention concerne un hydrophone piézoélectrique et plus particulièrement un ensemble d'hydrophone à protection contre des surcharges, l'ensemble d'hydrophone et la protection contre des
surcharges étant conçus sous forme d'un dispositif d'un seul tenant.
Les hydrophones comprenant des diaphragmes sensibles à la pression et des unités piézoélectriques qui réagissent en conséquence sont déjà connus et des dispositifs de ce type ont été décrits par exemple dans le brevet US No 3 255 431 et le brevet US No 3 970 878, de même que par la demande de brevet norvégien No 84.3743 au non de la présente déposante. Le brevet premièrement mentionné décrit la façon dont est réalisée un hydrophone et un agencement de l'unité piézoélectrique qui représentent la conception générale actuellement utilisée pour les hydrophones de l'état de la technique. Un inconvénient de cette conception est que l'hydrophone n'offre par une bonne protection à l'unité piézoélectrique vis-à-vis de l'environnement ambiant de l'hydrophone, qu'il soit contenu dans une flûte (streamer) remplie d'un liquide ou en contact direct avec la mer; L'un des grands problèmes posés par les hydrophones est l'entrée du conducteur qui peut facilement fuir, notamment quand l'hydrophone est exposé à des charges
de pression.
Le brevet US 3 970 878 décrit une conception différente d'un hydrophone basé en principe sur la même conception que celle du brevet susmentionné, mais o une grande importance est apportée à la nécessité de rendre l'ensemble d'hydrophone correctement étanche, de manière que des fluides ne puissent pas y pénétrer et venir en contact avec les unités piézoélectriques. Ce brevet décrit des mesures spéciales prises en ce qui concerne la protection contre des fuites des entrées des conducteurs. Le même brevet décrit la possibilité de rendre l'hydrophone étanche en cas de surpressions en prévoyant un élément d'écartement en matière plastique inséré dans l'ensemble d'hydrophone entre les diaphragmes pour absorber les charges de pression externes et éviter une déformation par écrasement des diaphragmes et des unités
piézoélectriques montées sur eux.
Un mode de réalisation perfectionné et plus simple d'un hydrophone est décrit dans la demande de brevet norvégien 84 3743. Ce mode de réalisation est basé de façon générale sur les principes généralement connus de l'état de l'art concernant la conception des hydrophones et répond au besoin de fiabilité opérationnelle et de miniaturisation de leur structure. Il est'en outre conçu pour s'adapter au développement de la technologie du traitement des signaux qui a lieu dans le domaine de l'exploration sismique marine. Les hydrophones ont en outre recours à l'utilisation d'une protection contre les surcharges au moyen d'éléments d'absorption de pression montés dans l'ensemble d'hydrophone
pour protéger les diaphragmes contre des surpressions.
Concernant les caractéristiques générales des hydrophones conçus pour des explorations sismiques, on peut de façon générale se référer
aux trois citations mentionnées ci-dessus.
Les hydrophones de l'art antérieur présentent cependant certaines faiblesses quand on les affecte à une telle utilisation. Tout d'abord, l'ensemble d'hydrophone consiste en plusieurs parties et bien que ces parties qui viennent en contact avec le milieu environnant soient réalisées avec des matériaux anticorrosion et résistant à l'eau de mer, les procédés de l'art antérieur pour assembler un tel dispositif présentent des points faibles sur le plan de la construction. Les procédés de soudage et de brasage utilisés peuvent avoir par exemple une influence négative sur les matériaux, en étant la cause de contraintes thermiques et corrosives dans les matériaux de l'ensemble -3- d'hydrophone qui peuvent, à long terme, provoquer la destruction de l'hydrophone. Le procédé de fabrication peut en outre rendre difficile
la réalisation d'hydrophones de qualité régulière et contrôlable.
L'étanchéité des entrées de conducteurs dépend non seulement des matériaux utilisés mais également des procédés appliqués pour obtenir cette étanchéité, tels que le soudage ou le brasage qui posent le même problème que mentionné ci-dessus. Eventuellement, l'ordre des opérations du procédé de fabrication peut avoir une importante sur la
qualité de l'hydrophone terminé.
En outre et comme mentionné, il est connu de protéger les diaphragmes et les unités piézoélectriques de l'hydrophone contre des surpressions. Ceci implique qu'ils ne doivent pas être endommagés par déformations si la flûte atteint par exemple, pour une raison ou pour une autre, une profondeur dans- l'eau supérieure à celle qui est actuellement la profondeur de fonctionnement habituelle pour des flûtes, soit au maximum de 50 à 100 m. Cependant, les protecteurs contre des surcharges de l'art antérieur ne permettent pas le fonctionnement des hydrophones à des profondeurs supérieures car les
diaphragmes ne sont pas capables de vibrer librement.
Pour les explorations sismiques du futur, notamment à de grandes profondeurs dans les océans, il serait souhaitable de travailler à des profondeurs plus importantes, et même jusqu'à 1000 m. Il convient donc d'adapter l'hydrophone à cet environnement, par exemple en le réalisant de manière qu'il puisse fonctionner dans une plage de profondeur
comprise entre 200 et 270 m. On pourrait donc ainsi, en fonction de la -
conception de leur structure, obtenir des hydrophones adaptés à des profondeurs diverses dans l'eau et des flûtes correspondantes adaptées
à être utilisées dans les limites des plages de profondeur spécifiées.
Le but de la présente invention est donc de proposer un hydrophone qui, basé sur des principes généralement connus en ce qui concerne le fonctionnement et la conception des hydrophones piézoélectriques, soit réalisé de manière que sa construction soit simple et qu'il consiste en le nombre le plus faible possible de pièces et de types de matériaux, et qui soit assemblé de manière que les procédés utilisés jusqu'ici ne diminuent pas sa qualité et ses caractéristiques de fonctionnement. Il - 4 - est en outre souhaitable d'utiliser des matériaux anticorrosion et résistant à l'eau de mer, et en outre que les entrées de conducteurs soient protégées contre des fuites. Il est également souhaitable que l'hydrophone soit concu et réalisé dans des conditions telles qu'il soit protégé contre des surcharges dans les limites d'une plage de pressions pouvant en principe varier entre le vide et environ 100 bars, et qu'en outre il soit rendu opérationnel dans des plages de profondeurs définies partant par exemple de 50 à 100 m., etc., et allant jusqu'à une profondeur d'environ 1000 m grace à une conception spécialement adaptée. En ce qui concerne l'hydrophone, ces buts sont atteints du fait que l'ensemble d'hydrophone et le premier élément de protection contre des surcharges sont réalisés d'un seul tenant. Quant à son procédé de fabrication, il se caractérise du fait que les diaphragmes et les unités piézoélectriques montées sur eux sont soudés à l'ensemble d'hydrophone par soudage par fusion au moyen de faisceaux laser et sans l'utilisation de matériaux d'appoint, que la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone est réalisée par fusionnement du tube d'entrée et que le second élément protecteur est également
soudé à l'ensemble par soudage au laser.
Plus en détail et en ce qui concerne l'hydrophone, l'invention prévoit de monter un second élément protecteur contre des surcharges sur les diaphragmes, à l'extérieur et de chaque c8té de l'ensemble d'hydrophone. Le premier élément protecteur est alors adapté à protéger les diaphragmes et les éléments piézoélectriques contre des surpressions externes, alors que les seconds éléments protecteurs sont adaptés à protéger les diaphragmes et les unités piézoélectriques contre des
surpressions internes.
L'invention prévoit en outre que l'ensemble d'hydrophone et les diaphragmes de même que les seconds -éléments protecteurs contre des surcharges sont réalisés en les mêmes matériaux, de préférence un acier ou des alliages de titane anticorrosion et résistant à l'eau de mer,
qui peuvent être soudés au moyen de faisceaux laser.
Finalement, il est avantageux que l'entrée des moyens électriques comprennent un tube, de préférence en "Kovar", qui est fusionné dans du 5 -
verre et adapté à rendre étanche l'ouverture d'entrée.
Quant au procédé de fabrication, l'invention prévoit par ailleurs que le soudage à laser et la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone, par exemple au moyen d'un faisceau laser, ont lieu dans une chambre de pression. Avantageusement, la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone a lieu sous une pression qui correspond à la profondeur d'eau à laquelle l'hydrophone doit fonctionner. A cette fin, on utilise un agent de pression dans la chambre de pression qui se présente de préférence sous la forme d'un gaz inerte ou non réactif, ou d'un
mélange de tels gaz.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail au moyen d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe radiale d'un hydrophone selon la présente invention, et
la figure 2 est une vue' en plan de l'hydrophone de la figure 1.
L'hydrophone selon la présente invention consiste en un ensemble désigné en 1 sur les dessins. L'ensemble d'hydrophone qui peut être fondamentalement en forme de disque est formé pendant le processus de fabrication de manière que la section centrale du disque soit en retrait par rapport au bord. Dans un mode de réalisation préféré qui est montré à la figure 1, le disque d'origine peut être par exemple cylindrique. En outre, une partie continue de la section centrale peut être éliminée par fraisage ou enlevage au tour de manière à former une gorge continue 2 sur le bord du disque, sur un côté de la section centrale. On peut donc ainsi réduire le poids de l'ensemble d'hydrophone 1. La section centrale la est en outre munie d'une ouverture traversante entre le centre du disque, c'est-à-dire l'ensemble d'hydrophone, et son bord. Le bord de l'ensemble d'hydrophone est muni d'une ouverture orientée radialement et conduisant à l'ouverture 3 de la section centrale la. La totalité de l'ensemble d'hydrophone 1 et la section centrale la sont concus sous forme d'une pièce unique d'un seul tenant. Les matériaux utilisés peuvent être de préférence un alliage anticorrosion et résistant à -6- l'eau de mer tel qu'un acier ou des alliages de titane connus dans la technique. L'ensemble d'hydrophone 1 est fermé sur chaque côté des diaphragmes désignés en 4a, 4b, endroits o des unités piézoélectriques désignées en 5a et 5b respectivement sont montées au moyen d'un adhésif électriquement conducteur. Aux unités piézoélectriques 5a, 5b sont fixés des conducteurs ou des câbles de liaison électriques 6 que l'on fait passer par l'ouverture orientée radialemnent mentionnée ci-dessus ou par l'ouverture d'entrée et par un tube 8 situé à l'intérieur, et que l'on fixe par fusion dans un corps en verre 7. Le corps en verre 7 et le tube 8 sont montés dans une douille annulaire 9a qui est fixée par brasage à l'ensemble d'hydrophone d'une manière bien connue. Le tube 8 peut être réalisé par exemple en "Kovar". Une patte de soudage 9b peut être fixée par exemple à l'ensemble 1 pour faciliter le soudage de câbles, tel qu'un câble de mise à la terre, à l'ensemble d'hydrophone. La patte de soudage 9b peut être par exemple d'un seul tenant avec la douille 9a, ou être constituée par un élément séparé et
de forme différente de celle montrée sur le dessin.
Entre la section centrale la qui constitue un premier élément protecteur contre des surcharges et les diaphragmes 4a, 4b sont respectivement montés des éléments isolants sous forme de films en matière plastique indiqués respectivement en 10a et lOb pour éviter un court-circuit dans le cas o les diaphragmes 4a, 4b et les éléments piézoélectriques respectifs 5a, 5b qui sont sur eux seraient déformés en raison d'une surpression externe et amenés ainsi en contact avec l'élément central ou la section centrale la constituant la première protection contre des surcharges. A une certaine distance à l'extérieur des diaphragmes 4a, 4b sont montés des seconds éléments protecteurs contre des surcharges lla, llb respectivement, situés à une certaine distance des diaphragmes et fixés à l'ensemble d'hydrophone 1 sur son bord. Les seconds éléments protecteurs contre des surcharges lla, llb se présentent sous le forme de feuilles perforées pour permettre le passage d'une propagation pratiquement sans atténuations des ondes de pression acoustiques. Les diaphragmes 4a, 4b et les seconds éléments protecteurs contre des surcharges lla, llb sont fixés à l'ensemble d'hydrophone la par des joints soudés désignés par la référence 12. Une -7 disposition possible des perforations 13 des éléments protecteurs contre des surcharges externes lia, 11b est montrée de façon plus claire à la figure 2 o les perforations se présentent sous la forme
d'une pluralité d'ouvertures disposées le long du bord.
En ce qui concerne la fabrication de l'hydrophone selon l'invention, les composants séparés sont reliés par des procédés qui seront décrits plus en détail dans ce qui suit. Comme mentionné plus haut, un élément métallique annulaire ou douille 9a qui supporte le corps en verre ou la fermeture 7 et le tube conducteur 8 est relié à l'ensemble d'hydrophone 1 par soudure. Comme l'ensemble d'hydrophone 1 n'est pas encore fermé hermétiquement par les diaphragmes 4a, 4b, d'occasionnels résidus du flux décapant ou de la soudure engendrés pendant la soudure peuvent être facilement éliminés pour éviter des dégâts par corrosion provoqués par eux. Les diaphragmes 4a, 4b avec les unités piézoélectriques 5a, 5b sont alors soudés à l'ensemble d'hydrophone 1 par soudage à laser. Pendant le soudage à laser, les matériaux sont fusionnés les uns aux autres et l'on n'utilise par de métal d'apport ou autres pour former le joint. L'utilisation de faisceaux laser pour le soudage permet d'utiliser une impulsion de soudage de courte durée et de densité d'énergie élevée au niveau de la soudure de manière que la soudure fonde pratiquement sans transfert de chaleur vers le matériau environnant et que la chaleur ainsi engendrée soit strictement limitée à la soudure elle-même. On évite ainsi la propagation de la chaleur par transfer dans l'ensemble d'hydrophone, les diaphragmes et les unités piézoélectriques, et on ne provoque pas de dégâts dus à des contraintes thermiques ou autres charges thermiques. En réalité, les points de soudure peuvent être à une température, immédiatement après fusion des parties, qui ne dépasse pas celle qui peut toucher la zone de soudure. Comme on n'a pas besoin de métaux d'appoint, il n'y a pas formation 'de résidus qui pourraient provoquer des dégâts par corrosion des parties soudées. Les seconds éléments protecteurs contre des surcharges 11a, 11b sont également soudés à l'ensemble d'hydrophone 1 par soudage au laser. A ce moment, l'ensemble d'hydrophone n'est toujours pas fermé hermétiquement car le tube 8 monté dans l'entrée n'est toujours pas fermé, et la fermeture -8 étanche est alors réalisée par fermeture du tube 8 par fusion, par
exemple au moyen d'étain.
Du fait que l'on utilise un soudage au laser, il est avantageux que toutes les parties soudées soient constituées en les mêmes matériaux. Ce que l'on demande est que tous les matériaux puissent être soudés par laser. On connaît plusieurs qualités d'alliages de ce type, et on peut utiliser de préférence de l'acier inoxydable, des alliages de titane et autres alliages soudables au laser, de grande résistance, anticorrosion et résistant à l'eau de mer pour l'ensemble d'hydrophone 1, les diaphragmes 4a, 4b et les seconds éléments protecteurs contre
des surcharges lia, llb.
Le soudage au laser peut avantageusement être réalisé dans une chambre de pression. L'hydrophone et ses composants séparés sont alors introduits et manipulés dans une chambre de pression, alors que le faisceau laser destiné au soudage peut être envoyé dans la chambre de pression depuis l'extérieur en passant par une fenêtre pratiquée dans la chambre de pression: Le soudage et la fermeture étanche peuvent être réalisés dans la chambre de soudage sous une atmosphère contr8lée et sous pression. Si la fermeture étanche finale de l'hydrophone est réalisée dans une chambre de pression par exemple à une pression de laser indiquée plus bas, l'hydrophone conserve alors la même pression interne après la fermeture étanche. On peut donc ainsi fabriquer un hydrophone à surpression interne permettant de l'utiliser dans des profondeurs d'eau plus importantes que cela était le cas jusqu'ici. En contrôlant la pression de la chambre de pression, il est donc possible de fabriquer des hydrophones pouvant être utilisés dans des profondeurs d'eau allant jusqu'à. 1000 m, contrairement au maximum précédent compris entre 50 et 100 m. La possibilité qu'ont les diaphragmes 4a, 4b de se déplacer librement entre les éléments protecteurs contre des surcharges la, lla, 11b détermine la plage de fonctionnement de l'hydrophone. En choisissant de façon appropriée les surpressions et la forme des diaphragmes et des éléments protecteurs contre des surcharges, on peut obtenir une plage de profondeurs de fcnctionnement partant de 50 à 100 m depuis la surface de la mer et allant jusqu'à une profondeur d'eau de
1000 m.
-9- On voit donc que le premier élément protecteur contre des surcharge la protège l'hydrophone contre une surpression externe quand la profondeur de l'eau est supérieure à la profondeur de fonctionnement de l'hydrophone, en empêchant une déformation destructrice des diaphragmes 4a, 4b et des unités piézoélectriques 5a, 5b fixés sur lui. De manière similaire, les seconds éléments protecteurs lla, llb protègent les diaphragmes et les unités piézoélectriques vis-à-vis de déformations destructrices dues à la surpression interne de l'ensemble d'hydrophone engendrée dans la chambre de pression, pour des profondeurs d'eau inférieures à la profondeur de fonctionnement de l'hydrophone. Naturellement, ils protègent également l'hydrophone contre une surpression interne quand il est manipulé à l'extérieur de
la chambre de pression et à la pression atmosphérique ordinaire.
L'ouverture 3 de l'élément protecteur contre des surcharges la ou la section centrale de l'hydrophone peut être également utilisée, en dehors du fait qu'elle supporte la liaison câblée des éléments piézoélectriques, pour le montage de dispositifs électroniques
miniaturisés utilisés pour amplifier ou traiter les signaux détectés.
On comprendra que ce qui précède ne concerne qu'un mode de réalisation présenté à titre d'exemple et que de nombreuses modifications sont possibles dans les limites du champ d'application et
de l'esprit de l'invention.
- 10 -
Claims (9)
1..Hydrophone piézoélectrique, comprenant un ensemble d'hydrophone, des diaphragmes sensibles à la pression et des unités piézoélectriques montées sur eux, une ouverture d'entrée pour les connexions électriques des unités piézoélectriques, et un premier élément protecteur contre des surcharges, caractérisé en ce que l'ensemble d'hydrophone (1) et le premier protecteur contre des
surcharges (la) sont formés d'un seul tenant.
2. Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un second élément protecteur contre des surcharges (lia, llb) est monté sur chaque diaphragme (4a, 4b) à l'extérieur et de chaque c8té de
l'ensemble d'hydrophone.
3. Hydrophone selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier élément protecteur contre des surcharges (la) est adapté à protéger les diaphragmes (4a, 4b) et les éléments piézoélectriques (5a, b) contre une surpression externe, alors que les seconds éléments protecteurs contre des surcharges (lia, llb) sont adaptés à protéger les diaphragmes et les unités piézoélectriques contre une surpression interne.
4. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'ensemble d'hydrophone et les diaphragmes, de même que le seconds éléments protecteurs contre des surcharges sont réalisés en le même matériau, de préférence un acier ou des alliages de titane anticorrosion et résistant à l'eau de mer, qui peuvent être
soudés par des faisceaux laser.
5. Hydrophone selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que l'entrée des moyens électriques comprend un tube, de préférence en "Kovar", qui est fusionné dans du verre et adapté à
fermer l'ouverture d'entrée de façon étanche.
6. Procédé pour fabriquer un hydrophone selbn l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que les diaphragmes et
les unités piézoélectriques montées sur eux sont soudés à l'ensemble d'hydrophone par soudage par fusion au moyen de faisceaux laser et sans utiliser de matériaux d'appoint, la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone est réalisée par fusionnement du tube d'entrée
- 11 -
et les seconds éléments protecteurs contre des surcharges sont
également soudés à l'ensemble par soudage au laser.
7. Procédé de fabrication d'un hydrophone selon la revendication 6, caractérisé en ce que le soudage au laser et la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone ont lieu dans une chambre de
pression, par exemple au moyen d'un faisceau laser.
8. Procédé de fabrication d'un hydrophone selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fermeture étanche finale de l'ensemble d'hydrophone a lieu sous une pression correspondant à la profondeur
d'eau à laquelle l'hydrophone doit être utilisé.
9. Procédé de fabrication d'un hydrophone selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on utilise un agent de pression dans la chambre de pression qui est de préférence sous la forme d'un gaz inerte ou non
réactif, ou d'un mélange de tels gaz.
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