FR2623683A1 - Element transducteur - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un élément transducteur, notamment pour dispositifs transducteurs longilignes, qui est insensible aux sons parasites. Dans cet élément transducteur, un capteur piézo-électrique 11 à action électro-acoustique est découplé du son parasite qui se propage transversalement 18 à la direction 17 du son utile par une enveloppe 12 réverbérante et par enrobage dans une couche intermédiaire de matière élastique ou visco-élastique. Ces éléments transducteurs peuvent être utilisés comme hydrophones dans des antennes remorquées ou des antennes FAS.

Description

I

L'invention concerne un élément transducteur, notam-

ment un hydrophone pour dispositifs transducteurs de grande longueur, comprenant un capteur piézo-électrique à direction

de polarisation prédéterminée.

Les éléments transducteurs de ce genre présentent

un capteur piézo-électrique possédant une direction de polari-

sation qui rend ses propriétés de réception piézo-électriques

préférentiellement effectives pour la pression acoustique pro-

venant d'une direction unique.

Si, dans un élément transducteur, la pression acoustique agit de tous côtés sur un capteur piézo-électrique, on observe une tension de sortie électrique de l'élément transducteur qui résulte de l'effet piézoélectrique. Cette tension de sortie est engendrée dans une mesure prépondérante par la pression acoustique qui agit dans la direction de la polarisation de l'élément transducteur et seule la partie de la tension de sortie qui est produite par cette composante de

la pression acoustique doit donc être qualifiée de signal uti-

le de l'élément transducteur. La pression acoustique qui agit

essentiellement transversalement à cette direction est en gé-

néral considérée comme un bruit et, du fait même qu'elle est transversale à la direction de polarisation, elle produit une tension de sortie électrique qui est-inférieure de plusieurs ordres de grandeur, c'est ce qu'on appelle le signal parasite ou le bruit. Le rapport signal/bruit (SNR), qui est le quotient du signal utile par le signal de bruit définit la qualité du transducteur. On utilise des transducteurs de ce genre, à titre d'hydrophones dans la technique de la signalisation acoustique sousmarine au sein de groupes de transducteurs, pour recevoir des ondes acoustiques avec une sélectivité directionnelle et

pour localiser des cibles qui rayonnent des signaux acousti-

ques. La sensibilité aux ondes acoustiques parasites et, par conséquent, la diminution du SNR constituent une source de graves détériorations pour les propriétés de détection d'un

hydrophone de ce genre.

L'invention se donne pour but de réaliser un trans-

ducteur qui soit adapté de façon optimale à la pression acous-

tique à recevoir dans la direction de polarisation du capteur piézoélectrique et qui soit insensible aux ondes acoustiques

qui se propagent transversalement à la direction de polarisa-

tion.

Selon l'invention, ce problème, qui se pose dans un transducteur du genre défini au début du présent mémoire,

est résolu par le fait que le capteur piézo-électrique présen-

te une enveloppe qui recouvre ses surfaces latérales orientées parallèlement à la direction de polarisation, le fait que le capteur piézo-électrique et l'enveloppe sont liés mécaniquement l'un à l'autre de telle manière que le capteur piézo-électrique

soit découplé acoustiquement de l'enveloppe, du moins des sur-

faces extérieures de l'enveloppe et par le fait que l'enveloppe est d'une constitution dotée de propriétés de réflexion et/ou d'absorption acoustique pour les ondes acoustiques parasites

qui se propagent perpendiculairement à la direction de polarisa-

tion.

Les ondes acoustiques sont essentiellement engen-

drées sous la forme d'ondes de flexion ou de réfraction d'une longueur d'onde beaucoup plus courte que la longueur des ondes sonores, et qui se propagent dans la direction de la ligne de

foi des véhicules, par exemple, le long des flancs, et par con-

séquent aussi le long des antennes longitudinales qu'ils por-

tent.

L'avantage de l'élément transducteur selon l'inven-

tion consiste en ce que, grâce aux mesures selon l'invention, les surfaces latérales du capteur piézo-électrique ne peuvent

pas être excitées par les ondes acoustiques parasites. L'enve-

loppe assure ici deux fonctions, d'une part, elle assure l'i-

solation mécanique dans l'espace des surfaces latérales du capteur piézoélectrique par rapport au milieu de propagation

et, d'autre part, elle interdit que les ondes acoustiques pa-

rasites parviennent aux surfaces latérales, soit par le fait qu'elle réfléchit ou absorbe les sons parasites d'une façon aussi totale que possible, soit par l'effet de la combinaison d'une réflexion partielle et d'une absorption partielle. Si, en outre, l'enveloppe est corimposée, au moins en partie, d'une

matière élastique ou visco-élastique, le capteur piézo-élec-

trique peut décrire aussi des vibrations ou oscillations vo-

lumiques libres sous l'effet du son utile, et ces oscillations ne sont pas rayonnées dans le milieu de propagation au-delà de l'enveloppe. Selon une autre caractéristique avantageuse de

l'invention, si l'impédance acoustique de l'enveloppe est net-

tement différente de l'impédance interne de la source de sons parasites pour les ondes acoustiques parasites qui parviennent transversalement à la direction de polarisation - par exemple, d'au moins un ordre de grandeur, c'est-à-dire dans le ranpport d'au moins 10: 1 ou encore de 100: 1 ou plus - les ondes acoustiques parasites se réfléchissent à l'interface entre les matières, c'est-à-dire à la surface extérieure de l'enveloppe,

en fonction du coefficient de réflexion qui peut être détermi-

né par les impédances. Etant donné que le coefficient de ré-

flexion est proportionnel aux différences des impédances, les

deux possibilités, qui consistent à fixer l'impédance de l'en-

veloppe à une valeur nettement supérieure ou à une valeur net-

tement inférieure à l'imoédance de la source de sons parasites,

peuvent être utilisées de la-même façon avantageuse.

Selon une autre caractéristique de l'invention,

l'enveloppe est faite d'une mousse syntactique ou d'une matié-

re plastique élastique ou visco-élastique contenant des micro-

bulles emplies de gaz, et les micro-bulles sont de préférence

concentrées dans la région des surfaces extérieures. Ce per-

fectionnement avantageux de l'invention conduit à une construc-

tion du transducteur qui est de petite masse et qui, par ail-

leurs, peut être fabriquée d'une façon particulièrement simple à-l'aide d'une matière élastique ou visco-élastique pouvant être transformée en mousse de façon appropriée ou encore d'une

mousse syntactique.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enveloppe est faite d'une couche métallique réverbérante, de préférence d'une virole d'acier et d'une couche intercalaire

élastique ou visco-élastique interposée entre la couche métal-

lique et le capteur piézo-électrique. Cette variante se tra-

duit par une forme de réalisation pesante du transducteur, qui peut être avantageusement mise en oeuvre en Particulier

à l'encontre de signaux acoustiques qui se propagent essen-

tiellement par leur composante de vitesse, comnme par exemple, les ondes de flexion, parce que les transducteurs qui doivent être insensibles à la vitesse du son doivent être construits

avec une masse importante, afin de ne pas être mis en mouve-

ment, c'est-à-dire excites, par la composante rapide.

Pour toutes les ondes acoustiques qui parviennent

transversalement à la direction du son utile, la couche mé-

tallique constituée par une virole d'acier est un réflecteur

qui possède une impédance supérieure à l'impédance caracté-

ristique de l'eau et qui est en général en état de fausse adaptation par rapport A la source de sons parasites. Les

fractions résiduelles, non réfléchies, des siqnaux,sont ab-

sorbées par la couche intercalaire prévue entre la couche mé-

tallique et le capteur piézo-électrique.

La couche intercalaire élastique présente, par ailleurs, l'avantage de laisser le capteur piézo-électrique vibrer aussi librement qu'en l'absence de cette couche, de

sorte que la dilatation par effet de cisaillement qui résul-

te de la contraction dans la direction de polarisation peut

se produire sans obstacle, transversalement à cette direc-

tion, dans la couche intercalaire élastique.

Selon une autre caractéristique de l'invention,

l'enveloppe du transducteur est faite par une matière d'enro-

bage transparente acoustiquement, de preférence par un poly-

uréthanne. Grâce C l'enrobage dans une matière coulée dotée

de transparence acoustique qui forme l'enveloppe, le trans-

ducteur n'est pas en contact direct avec le milieu de propa-

gation du bruit parasite, qui est en général l'eau. De cette façon, les ondes acoustiques parasites qui se propagent avec une composante de vitesse particulièrement forte, n'agissent

pas directement sur le transducteur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion apparaîtront au cours de la description qui suit. Au

dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple:

- la Fig. la représente un transducteur muni d'une en-

veloppe emprisonnant des micro-bulles; - la Fig. lb représente un transducteur revêtu d'une os05 enveloppe à deux couches; - la Fig. 2 est une coupe transversale d'un dispositif transducteur comportant un seul élément transducteur; - la Fig. 3 est une coupe transversale d'un dispositif

transducteur comportant plusieurs éléments transducteurs.

Sur la Fig. la, on a représenté schématiquement un élément transducteur 10.1 selon l'invention. Cet élément transducteur 10.1 contient un caoteur piézo-électrique 11 qui est entouré d'une enveloppe 12. On peut utiliser ici, comme matière piézo-électrique qui doit présenter une impédance

acoustique aussi voisine que possible à l'impédance caracté-

ristique de l'eau, c'est-à-dire-pour le capteur piézo-élec-

trique 11 représenté, une céramique piézo-électrique comme le titanate de baryum. Toutefois, il est tout aussi possible de faire le capteur piézoélectrique 11 à partir d'une feuille

piézo-électrique comme le PVDF, etc., ou par une stratifica-

tion de feuilles.

L'enveloppe 12 est composée d'une matière élastique

ou visco-élastique, telle qu'une mousse syntactique, une ma-

tière plastique ou du caoutchouc, dans laquelle des micro-bul-

les 13 ont été formées pendant le processus de fabrication.

Les micro-bulles sont présentes avec une plus forte concentra-

tion dans la région des surfaces extérieures. L'impédance de l'enveloppe 12 est déterminée essentiellement principalement

par les micro-bullès 13 emplies de gaz et elle est ainsi net-

tement inférieure à celle de sa matière plastique dotée de transparence acoustique. De cette façon, l'enveloppe 12 se

comporte comme un réflecteur pour les ondes acoustiques para-

sites incidentes, en raison du saut d'impédance existant en-

tre le milieu de propagation acoustique et l'enveloppe 12,

qui est dû aux micro-bulles 13. La matière plastique visco-

élastique est, en soi dotée d'absorption acoustique, c'est-à-

dire qu'elle amortit les sons, de sorte que les fractions d'ondes acoustiques qui pénètrent dans l'enveloppe 12 et qui

ne sont pas réfléchies sont encore amorties et que les sur-

faces latérales du capteur piézo-électrique ne sont plus

excitées par les fractions signaux parasites.

Le transducteur 10.1 est de forme cylindrique et

son axe 16, indiqué en trait mixte, coïncide avec la direc-

tion de polarisation du capteur piézo-électrique 11. Les conducteurs de signaux 15 sont connectés aux revêtements

électro-conducteurs 14.1 et 14.2.

Sur la Fig. lb, on a représenté un autre élément transducteur 10.2. Ici, les composants qui sont les mêmes que ceux de l'élément transducteur 10.1 de la Fig. la ont aussi été désignés par les mêmes numéros de référence. Dans le cas de l'élément transducteur 10.2, le capteur piézo-électrique

11 est muni d'une enveloppe 12 qui est composée de deux cou-

ches de matériaux, une couche métallique 12.1 et une couche intercalaire 12.2. Cette couche intercalaire 12.2 est dotée de transparence acoustique et est composée d'une matière

élastique ou visco-élastique, telle qu'une mousse syntacti-

que, une matière plastique ou un caoutchouc.

L'élément transducteur 10.2 possède lui aussi une symétrie de révolution et son capteur piézo-électrique actif

11 est polarisé de telle manière que sa direction de polari-

sation coïncide avec l'axe de symétrie 16 indiqué en trait mixte. La couche métallique 12.1 forme ici une virole autour du capteur piézoélectrique cylindrique 11. On peut obtenir

une bonne fixation mécanique du capteur piézo-électrique vi-

brant 11 d'une façon simple, par collage de la couche métal-

lique annulaire 12.1 sur la couche intercalaire 13 ou de la couche intercalaire 12.2 sur le capteur piézo-électrique 11, lorsque les forces adhésives de la couche intercalaire 12.2

n'assurent pas déjà une fixation mécanique suffisante.

Sur la Fig. lb, la direction de propagation du son utile est repérée par une flèche 17 et la direction de propagation du son parasite par une flèche 18. Sous l'effet de la pression acoustique du son utile, que reçoit le capteur piézo-électrique 11 sans obstacle dans la direction de l'axe de symétrie I6, se produit, dans la direction de polarisation 16, une contraction ou, transversalement à cette contraction, une dilatation du capteur piézo-électrique 11. La différence

de potentiel qui s'établit à ce moment sous l'effet piézo-

électrique entre les revêtements 14.1 et 14.2 est transmise par les conducteurs électriques 15 au circuit de traitement

des signaux disposés en aval, mais non représenté. A l'inté-

rieur de l'élément transducteur 10.2, la céramique peut vi-

brer sans obstacle puisque, en présence d'une contraction dans la direction de la polarisation, la couche intercalaire élastique ne s'oppose pas par des-contraintes de cisaillement

à la dilatation qui se produit transversalement à cette di-

rection. La couche métallique rigide 12.1 empêche au contrai-

re les ondes de contrainte de-cisaillement de se propager,

par exemple, aux éléments transducteurs contigus. Le son pa-

rasite, qui parvient à l'élément transducteur 10 transversa-

lement à la direction de polarisation 16, est au'contraire réfléchi sur l'enveloppe ré-verbérante et n'engendre aucune pression sur le capteur piézo-électrique 11. La contraction transversale qui, même dans une mesure bien moindre, pourrait

engendrer un signal piézo-électrique, est ainsi supprimée.

Etant donné que, par son impédance, le capteur

piézo-électrique 11 est adapté dans une large mesure à l'im-

pédance caractéristique de l'eau, et que la pression acousti-

que utile est engendrée par une source acoustique dont l'im-

pédance interne est égale à l'impédance de l'eau fo* Co = 1,5.106Ns/m3, il existe entre l'eau et l'élément transdicteur

une adaptation de puissance dans la direction de polarisa-

tion 16 et il peut donc se produire une transmission maxima-

le de la puissance. Dans cette action, l'enveloppe 12 n'agit

pas dans la direction de polarisation I6.

Transversalement à la direction de polarisation 16, dans la direction de propagation 18 du son parasite, se produit une fausse adaptation de l'impédance de l'enveloppe

12 à celle de l'eau ou à celle des matières d'enrobage analo-

gues à l'eau, par exemple du polyuréthane, de l'élément

transducteur 10 incorporé, ou encore le son parasite se pro-

page essentiellement sous la forme d'une composante de vitesse

du son, c'est-à-dire qu'il est engendré par une source possé-

dant une impédance inférieure à celle de l'eau (Z A 0,1. o.

COà 0,01. o.Co) de sorte qu'il ne se produit pas de-trans-

mission de puissance de l'eau ou de la matière environnante à l'enveloppe 12. L'élément transducteur 10 est à tout point de

vue en fausse adaptation par rapport à la source de sons para-

sites et sans effet pour l'influence de la céramique piézo-

électrique. De cette façon, grâce à sa construction, l'élément

transducteur 10 est d'une configuration optimale, relative-

ment à ses propriétés de transmission des signaux, pour les différentes propriétés de propagation du son parasite et du

son utile.

Sur le dessin en coupe des Fig. 2 et 3, on a repré-

senté schématiquement des éléments transducteurs 10 qui sont construits, dans l'exemple illustré, de la même façon que l'élément transducteur 10.2 décrit à propos de la Fig. lb, dans des dispositifs transducteurs 22, 22' longilignes. Sur

un flanc vertical 20, 20' d'un véhicule, par exemple, le bor-

dé d'un véhicule sous-marin, on a monté, à l'aide d'un élé-

ment de fixation 21, 21', et parallèlement à la ligne de foi du véhicule, un dispositif transducteur 22, 22' longiligne qui est fréquemment appelé aussi Flank-Array-System (FAS), ou

antenne longitudinale. Les éléments transducteurs 10 sont fi-

xés en position, de manière que leur écartement mutuel est pe-

tit relativement à la longueur d'onde de cohérence du son pa-

rasite, chacun dans un corps enveloppe 23, 23', par coulée d'un enrobage 24, 24', en une matière suffisamment résistante

du point de vue mécanique mais dotée de transparence acousti-

que, par exemple, un polyuréthane. Les conducteurs de signaux de tous les éléments transducteurs 10 du jeu 22, 22' sont

rassemblés en un câble commun 25, 25'.

Le dispositif transducteur 22' selon la Fig. 3 ne se distingue du dispositif 22 de la Fig. 2 que par le fait que plusieurs éléments transducteurs 10 sont enrobés en un même point. Dans l'exemple selon la Fig. 3, trois éléments transducteurs 10 sont fixés au bord extérieur par coulée,

avec un décalage angulaire d'environ 60 . Dans les deux for-

mes de réalisation selon les Fig. 2 et 3, les directions de polarisation 16 sont orientées transversalement à la ligne de foi du véhicule, qui s'étend ici perpendiculairement au

plan du dessin et, par conséquent, transversalement à la di-

rection de propagation du son parasite.

REENDICATIONS

1. Elément transducteur, notamment hydrophone pour dispositifs transducteurs longiligne, comprenant un capteur piézo-électrique qui possède une direction de polarisation

prédéterminée, caractérisé en ce que-le capteur piézo-élec-

trique (11) est muni d'une enveloppe (12) qui recouvre ses surfaces latérales orientées parallèlement à la direction de polarisation (16), en ce que le capteur piézo-électrique (11) et l'enveloppe (12) sont liés mécaniquement de manière que le capteur piézo-électrique (11) soit découplé acoustiquement au moins des surfaces extérieures de l'enveloppe (12), et en ce

que l'enveloppe (12) est d'une constitution dotée de proprié-

tés de réflexion et/ou d'absorption acoustique pour les ondes acoustiques parasites qui parviennent perpendiculairement a

la direction de polarisation (16).

2. Elément transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impédance acoustique de l'enveloppe

(12) pour les ondes acoustiques parasites reçues transversale-

ment à la direction de polarisation (16) est notablement dif-

férente, d'au moins un ordre de grandeur, de l'impédance in-

terne des sources de sons parasites.

3. Elément transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur piézo-électrique (11) et l'enveloppe (12) sont des cylindres coaxiaux, et en ce que la direction de polarisation (16) coïncide avec la direction

de l'axe commun.

4. Elément transducteur selon l'une des revendica-

tions 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur piézo-électri-

que (11) est collé à l'enveloppe (12).

5. Elément transducteur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (12)

est faite d'une mousse syntactique ou d'une matière plastique élastique ou visco-élastique contenant des micro-bulles (13)

emplies de gaz et en ce que les micro-bulles sont de préfé-

rence concentrées dans la région des surfaces extérieures.

6. Elément transducteur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (12)

est faite d'une couche métallique réverbérante (12.1), de

préférence d'une virole en acier, et d'une couche intercalai-

re (12.2) élastique ou visco-élastique interposée entre la

couche métallique et le capteur piézo-électrique.

7. Elément trarducteur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce que son enveloppe

(24) est faite d'une matière d'enrobage transparente acousti-

quement, de préférence un polyuréthane.

8. Elément transducteur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est positionné

dans le dispositif transducteur (22) longiligne de manière que la direction de polarisation (16) soit perpendiculaire à l'axe longitudinal du dispositif transducteur (22), un ou

plusieurs élément(s) transducteur(s) (10) pouvant être pré-

vu(s) en une même position du dispositif transducteur (22>.

9. Elément transducteur selon l'une quelconque des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est positionné

dans le dispositif transducteur (22) à des écartements des autres dispositifs qui est petit relativement à la longueur

d'onde de cohérence du son parasite.