FR2651690A1

FR2651690A1 - ACOUSTIC ABSORBENT MATERIAL AND ANECHOIC COATING USING SUCH MATERIAL.

Info

Publication number: FR2651690A1
Application number: FR8911748A
Authority: FR
Inventors: Lacour Olivier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1991-03-15
Also published as: EP0490986A1; WO1991003808A1

Abstract

The invention relates to anechoic coatings for protection against acoustic waves. Said invention consists in the production of this type of material using a non-polarised piezoelectric polymer containing an amorphous phase (20) in which crystallites (21) with the same composition as the amorphous phase are dispersed. The amorphous phase, at least, is made conductive, either by incorporating carbon powder, or by means of an intrinsically conductive polymer. The proportion of crystallites is, preferably, brought by heat treatment to a value at least equal to 80 %. The invention makes it possible to produce an anechoic covering by simple coating.

Description

La présente invention se rapporte aux matériaux qui permettent d'absorber les ondes acoustiques, plus particulièrement les sons se propageant dans le milieu sous-marin. Elle concerne également les revêtements anéchoiques fabriqués à l'aide d'un tel matériau et qui permettent d'éliminer, ou tout au moins de diminuer très fortement, les échos renvoyés par les objets munis d'un tel revêtement. The present invention relates to materials which make it possible to absorb acoustic waves, more particularly sounds propagating in the underwater environment. It also relates to anechoic coatings manufactured using such a material and which make it possible to eliminate, or at least to reduce very strongly, the echoes returned by objects provided with such a coating.

I1 est connu de fabriquer un matériau absorbant les ondes acoustiques en dispersant dans une matrice viscoélastique, formée par exemple d'un polymère, des inclusions se présentant sous la forme de particules d'un matériau dur, généralement un métal tel que le plomb ou le tungstène. L'énergie élastique des ondes acoustiques est alors dissipée par frottement visqueux dans la matrice. Les inclusions augmentant la densité, et donc l'impédance acoustique du matériau, il est également connu d'abaisser cette impédance acoustique pour se rapprocher de celle de l'eau, en dispersant également dans la matrice des microsphères creuses, par exemple en verre, dont la densité est considérablement inférieure à 1. It is known to manufacture a material absorbing acoustic waves by dispersing in a viscoelastic matrix, formed for example of a polymer, inclusions being in the form of particles of a hard material, generally a metal such as lead or tungsten. The elastic energy of the acoustic waves is then dissipated by viscous friction in the matrix. Since inclusions increase the density, and therefore the acoustic impedance of the material, it is also known to lower this acoustic impedance to approach that of water, by also dispersing in the matrix hollow microspheres, for example glass, whose density is considerably less than 1.

I1 est aussi connu du brevet américain 4 628 490 de remplacer ces inclusions métalliques par des inclusions faites d'un matériau piézoélectrique tel que de la céramique piézoélectrique en grains fins. La matrice est rendue conductrice par incorporation de poudre de graphite. Sous l'effet d'une onde acoustique les inclusions piézoélectriques engendrent des tensions électriques qui produisent des courants dans la matrice. L'énergie acoustique se dissipe donc partiellement par effet Joule. Elle se dissipe également par diffraction et frottement visqueux selon le mécanisme décrit plus haut, et au total l'absorption est meilleure que dans le cas d'une poudre métallique. It is also known from US Patent 4,628,490 to replace these metallic inclusions with inclusions made of a piezoelectric material such as piezoelectric ceramic in fine grains. The matrix is made conductive by incorporating graphite powder. Under the effect of an acoustic wave the piezoelectric inclusions generate electrical voltages which produce currents in the matrix. The acoustic energy is therefore partially dissipated by the Joule effect. It also dissipates by diffraction and viscous friction according to the mechanism described above, and overall the absorption is better than in the case of a metal powder.

On sait que l'efficacité d'un revêtement anéchoique utilisé en acoustique sous-marine dépend essentiellement de l'absorption des ondes acoustiques dans ce matériau et de son impédance acoustique par rapport à celle de l'eau. We know that the efficiency of an anechoic coating used in underwater acoustics depends essentially on the absorption of acoustic waves in this material and its acoustic impedance compared to that of water.

Pour que l'onde incidente puisse être absorbée par le matériau, il faut qu'elle y pénètre. Si donc l'impédance acoustique de celui-ci est trop différente de celle de l'eau, une grande partie de l'onde incidente est réfléchie sur l'interface séparant l'eau du revêtement, ce qui donne naissance à un écho qui est d'autant plus fort que la réflexion est plus grande. So that the incident wave can be absorbed by the material, it must penetrate it. If therefore the acoustic impedance of the latter is too different from that of water, a large part of the incident wave is reflected on the interface separating the water from the coating, which gives rise to an echo which is the stronger the greater the reflection.

I1 faut également que la plus grande partie de l'onde qui a pénétré le matériau soit absorbée de manière à ce qu telle ne ressorte pas dans l'eau, soit après réflexion sur l'interface séparant le matériau absorbant du support du revêtement anéchoique soit après diffusion au sein de ce matériau. It is also necessary that most of the wave which has penetrated the material be absorbed in such a way that it does not come out in water, either after reflection on the interface separating the absorbent material from the support of the anechoic coating or after diffusion within this material.

Or l'efficacité des matériaux anéchoiques utilisant l'ef- fet piézoélectrique est étroitement liée au coefficient de couplage électromécanique de ltélément électroactif, puisque cette grandeur est proportionnelle à la quantité d'énergie mécanique transformée en énergie électrique. However, the efficiency of anechoic materials using the piezoelectric effect is closely linked to the electromechanical coupling coefficient of the electroactive element, since this quantity is proportional to the amount of mechanical energy transformed into electrical energy.

Si on utilise des cristaux ou des céramiques piézoélectriques qui possèdent un fort coefficient de couplage comme élément électroactif des matériaux anéchoïques, on obtient un matériau absorbant dont la densité est importante parce que la densité de ces cristaux ou de ces céramiques est elle-même grande. L'impédance acoustique du matériau anéchoique est alors très différente de celle de l'eau ce qui limite l'efficacité du revêtement par suite de la réflexion due à la différence des impédances acoustiques. If piezoelectric crystals or ceramics are used which have a high coupling coefficient as the electroactive element of anechoic materials, an absorbent material is obtained whose density is important because the density of these crystals or of these ceramics is itself high. The acoustic impedance of the anechoic material is then very different from that of water, which limits the effectiveness of the coating as a result of the reflection due to the difference in acoustic impedances.

On ne peut pas espérer réduire cet effet indésirable en diminuant la proportion de matériaux piézoélectriques, parce que l'absorption est maximale pour une concentration volumique en inclusions voisine de 50%, et qu'elle chute rapidement lorsque cette proportion diminue. One cannot hope to reduce this undesirable effect by decreasing the proportion of piezoelectric materials, because the absorption is maximum for a volume concentration in inclusions close to 50%, and that it falls quickly when this proportion decreases.

Avec une telle proportion d'inclusions il est encore plus difficile que dans la technique plus classique où l'on utilise des poudres métalliques, d'obtenir un mélange homogène. En outre le matériau finalement obtenu est d'une consistance telle qu'il se travaille malaisément. With such a proportion of inclusions it is even more difficult than in the more conventional technique where metallic powders are used, to obtain a homogeneous mixture. In addition, the material finally obtained is of a consistency such that it is difficult to work with.

Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un matériau. To overcome these drawbacks, the invention provides a material.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1 une coupe schématique d'un polymère piézoélectrique connu ; et
- la figure 2 une coupe schématique d'un polymère piézoélectrique selon l'invention.Other features and advantages of the invention will appear clearly in the following description presented by way of nonlimiting example with reference to the appended figures which represent
- Figure 1 a schematic section of a known piezoelectric polymer; and
- Figure 2 a schematic section of a piezoelectric polymer according to the invention.

On sait qu'un polymère piézoélectrique n'est pas un produit homogène, mais qu'il est constitué de deux phases, comme représenté de manière très schématique sur la figure 1 : une phase amorphe 10 et une phase cristalline formée d'une multitude de petits critallites 11 dispersés dans la phase amorphe. Pour la simplicité de la figure, on a représenté les cristallites par des sphères alors qu?en fait ils possèdent une géométrie de plaquettes. Seuls les cristallites presentent des effets piézoélectriques schématisés par les flèches sur la figure alors que la phase amorphe est inerte électriquement. On peut donc assimiler un polymère piézoélectrique à un composite formé d'une dispersion de cristallites dans une matrice amorphe.Toutefois, à l'inverse des dispersions obtenues par mélange de deux produits distincts, cette structure se constitue spontanément lors de la polymérisation du matériau et il n'y a donc aucun problème concernant la répartition des cristallites, puisque ceux-ci se forment directement au sein de la masse du produit. It is known that a piezoelectric polymer is not a homogeneous product, but that it consists of two phases, as shown very schematically in FIG. 1: an amorphous phase 10 and a crystalline phase formed from a multitude of small critallites 11 dispersed in the amorphous phase. For the simplicity of the figure, the crystallites have been represented by spheres when in fact they have a geometry of platelets. Only the crystallites exhibit piezoelectric effects shown diagrammatically by the arrows in the figure while the amorphous phase is electrically inert. We can therefore assimilate a piezoelectric polymer to a composite formed by a dispersion of crystallites in an amorphous matrix. However, unlike dispersions obtained by mixing two distinct products, this structure is formed spontaneously during the polymerization of the material and there is therefore no problem concerning the distribution of the crystallites, since these form directly within the mass of the product.

On sait que le coefficient de couplage, désigné par k31, d'un copolymère piézoélectrique est assez faible. Par exemple pour un copolymère P (VE2/TrFE) il est inférieur à 0,12 Or des expérimentations récentes ont permis de mesurer directement le coefficient de couplage des cristallites et de constater qu'il est beaucoup plus fort que celui du mélange cristallite/phase amorphe. 1l peut atteindre par exemple pour ce même copolymère 0,5 à 200. It is known that the coupling coefficient, designated by k31, of a piezoelectric copolymer is quite low. For example for a copolymer P (VE2 / TrFE) it is less than 0.12. However, recent experiments have made it possible to directly measure the coupling coefficient of the crystallites and to note that it is much stronger than that of the crystallite / phase mixture. amorphous. For this same copolymer, it can reach, for example, 0.5 to 200.

On est par ailleurs arrivé à augmenter dans des proportions considérables le pourcentage cristallite/phase amorphe par rapport au pourcentage obtenu de manière spontanée lors de la polymérisation du produit. Pour cela, selon une technique connue, on soumet le matériau à des cycles thermiques répétés afin d'obtenir des recristallisations successives à l'issue desquelles on peut arriver à un pourcentage de cristallites voisin de 80%. We have also managed to increase in considerable proportions the crystallite / amorphous phase percentage compared to the percentage obtained spontaneously during the polymerization of the product. For this, according to a known technique, the material is subjected to repeated thermal cycles in order to obtain successive recrystallizations at the end of which it is possible to arrive at a percentage of crystallites close to 80%.

Un matériau massif tel que représenté sur la figure 1 ne présente pas de manière macroscopique des propriétés piézoélectriques, puisque la répartition aléatoire de l'orientation des cristallites conduit à ce que les tensions électriques développées par ceux-ci sous l'effet des contraintes extérieures se neutraLisent les unes les autres. C'est la raison pour laquelle dans l'utilisation habituelle de ce genre de matériau on est conduit à leur faire subir un traitement à la fois mécanique et électrique, par exemple un laminage conduit simultanément avec l'application d'une tension électrique. On peut orienter ainsi les cristallites tous dans la même direction pour obtenir une polarisation telle que le produit final présente des propriétés piézoélectriques macroscopiques. En fait les contraintes des différents procédés utilisés amènent à obtenir le matériau sous forme de films relativement minces. Il faut ensuite veiller, lorsque l'on utilise ces films, à ne pas détruire la polarisation ainsi obtenue, ce qui entraîne d'autres difficultés de mise en oeuvre. A solid material as shown in FIG. 1 does not macroscopically exhibit piezoelectric properties, since the random distribution of the orientation of the crystallites leads to the fact that the electric voltages developed by them under the effect of external stresses Neutralize each other. This is the reason why in the usual use of this kind of material we are led to subject them to a treatment that is both mechanical and electrical, for example a rolling conducted simultaneously with the application of an electrical voltage. We can thus orient the crystallites all in the same direction to obtain a polarization such that the final product has macroscopic piezoelectric properties. In fact, the constraints of the various processes used lead to the material being obtained in the form of relatively thin films. Care must then be taken, when these films are used, not to destroy the polarization thus obtained, which leads to other difficulties of implementation.

Selon I'invention, telle que représentée très schématiquement sur la figure 2, on rend conducteur au moins la phase amorphe 20 dans laquelle sont dispersés les cristallites 21. According to the invention, as shown very diagrammatically in FIG. 2, at least the amorphous phase 20 in which the crystallites 21 are dispersed is made conductive.

Ainsi les tensions électriques développées par les cristallites sous l'action des forces mécaniques, provenant par exemple de la propagation d'une onde acoustique à l'intérieur de la masse du matériau, donnent naissance à des courants qui circulent dans la phase amorphe et dissipent l'énergie par effet Joule à l'intérieur de cette phase.Thus the electrical voltages developed by the crystallites under the action of mechanical forces, originating for example from the propagation of an acoustic wave inside the mass of the material, give rise to currents which circulate in the amorphous phase and dissipate energy by the Joule effect inside this phase.

Puisque l'action des ondes acoustiques se situe au niveau microscopique de chaque cristallite, le courant provenant d'un cristallite va dissiper l'énergie correspondante autour de ce cristallite et il n'y aura donc pas au niveau macroscopique compensation des effets microscopiques ainsi obtenus. I1 nty a donc pas besoin selon l'invention de procéder à une polarisation du matériau qui peut ainsi être utilisé de manière massive sans contrainte sur l'épaisseur. Since the action of the acoustic waves is located at the microscopic level of each crystallite, the current coming from a crystallite will dissipate the corresponding energy around this crystallite and there will therefore be no macroscopic level compensation for the microscopic effects thus obtained . I1 nty therefore does not need according to the invention to carry out a polarization of the material which can thus be used massively without constraint on the thickness.

Pour rendre le polymère, ou tout au moins sa phase amorphe, conducteur, on peut utiliser divers procédés. Le plus simple consiste à incorporer de la poudre de carbone dans la masse du polymère, au moyen par exemple d'une caIandreuse à rouleau lorsque le matériau se trouve à un stade où il est encore relativement pâteux sans être carrément liquide. A ce stade les cristallites sont encore solides et la poudre de carbone ne se dispersera que dans la masse de la phase amorphe qui elle est beaucoup plus liquide. Various methods can be used to make the polymer, or at least its amorphous phase, conductive. The simplest consists of incorporating carbon powder into the mass of the polymer, for example by means of a roller conveyor when the material is at a stage where it is still relatively pasty without being completely liquid. At this stage the crystallites are still solid and the carbon powder will only disperse in the mass of the amorphous phase which is much more liquid.

Une autre solution consiste à incorporer dans le polymère de base un polymère intrinsèquement conducteur tel que par exemple le polypyrrole dopé. Cette préparation s'effectuera avantageusement au niveau liquide avant la polymérisation de l'ensemble, de manière à avoir un produit tout à fait homogène. Another solution consists in incorporating into the base polymer an intrinsically conductive polymer such as for example doped polypyrrole. This preparation will advantageously be carried out at the liquid level before the polymerization of the assembly, so as to have a completely homogeneous product.

Dans ces conditions les cristallites eux-mêmes seront conducteurs en plus de la phase amorphe, ce qui ne présente aucun inconvénient.Under these conditions the crystallites themselves will be conductive in addition to the amorphous phase, which has no disadvantages.

Comme il n'y a pas besoin de polariser le matériau on peut l'utiliser de différentes manières pour obtenir un revêtement anéchoïque. Since there is no need to polarize the material, it can be used in different ways to obtain an anechoic coating.

On peut ainsi à la fin de la phase d'élaboration, lorsqu'il est encore relativement liquide, le couler sous différentes formes, par exemple en plaques ou dans des moules ayant la forme de la surface à revêtir, ou encore sous une forme massive dans laquelle on taillera des pièces de dimensions adéquates. It is thus possible at the end of the preparation phase, when it is still relatively liquid, to pour it in different forms, for example in plates or in molds having the shape of the surface to be coated, or in a massive form. in which we will cut pieces of adequate dimensions.

Une autre méthode consiste, toujours lorsque le matériau est à l'état relativement liquide ou pâteux, à enduire la surface à traiter, par exemple la coque d'un bateau, pour obtenir l'épaisseur voulue. Cette induction peut se faire par différentes méthodes, par exemple au rouleau ou avec un pistolet prévu pour les matières pâteuses. On constate ainsi que la mise en oeuvre du matériau selon l'invention est extrêmement aisée. Another method consists, always when the material is in a relatively liquid or pasty state, of coating the surface to be treated, for example the hull of a boat, to obtain the desired thickness. This induction can be done by different methods, for example with a roller or with a gun intended for pasty materials. It is thus found that the implementation of the material according to the invention is extremely easy.

Claims

1. Acoustic absorbent material, comprising a conductive viscoelastic matrix and piezoelectric particles dispersed in this matrix, characterized in that the matrix is formed of a polymer in amorphous phase (20) and that said particles are formed of crystallites (21) of this said polymer.

2. Material according to claim 1, characterized in that the crystallites are also conductive.

3. Material according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the proportion of crystallites is at least equal to 80%.

4. Material according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the polymer is a copolymer P (VF2 / TrPE).

5. Material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the polymer is made conductive by incorporation of a conductive powder.

6. Material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the polymer is made conductive by incorporation of an intrinsically conductive polymer.

7. Material according to claim 6, characterized in that the polymer is a copolymer, a component of which is said intrinsically conductive polymer.

8. Anecholic coating, characterized in that it is formed of a solid layer of a material according to any one of claims 1 to 7.