FR2663805A1 - METHOD OF MANUFACTURING A MAGNETOSTRICTIVE ELEMENT FOR THE PRODUCTION OF ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCERS AND ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCER PRODUCED USING SUCH ELEMENTS. - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UN ELEMENT
MAGNETOSTRICTIF POUR LA REALISATION DE
TRANSDUCTEURS ELECTRO-ACOUSTIQUES - - ET
TRANSDUCTEUR ELECTRO-ACOUSTIQUE REALISE A
L'AIDE DE TELS ELEMENTS
La présente invention se rapporte à un élément magnétostrictif pour la réalisation de transducteurs électro-acoustiques.METHOD FOR MANUFACTURING AN ELEMENT
MAGNETOSTRICTIVE FOR THE REALIZATION OF
ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCERS - - AND
ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCER REALIZED AT
HELP WITH SUCH ELEMENTS
The present invention relates to a magnetostrictive element for the production of electro-acoustic transducers.
Il y a plus d'une quinzaine d'années, les transducteurs magnétostrictifs à base de Nickel ont largement cédé la place, en particulier pour la réalisation d'antennes électro-acoustiques sous-marines, aux transducteurs utilisant des céramiques piézoélectriques de type PZT, considérés à l'époque comme à la fois plus performants et plus commodes à réaliser. Over fifteen years ago, Nickel-based magnetostrictive transducers largely gave way, in particular for the production of underwater electro-acoustic antennas, to transducers using piezoelectric ceramics of the PZT type, considered at the time to be both more efficient and more convenient to produce.
Actuellement toutefois, certains matériaux magnétostrictifs récemment mis au point permettent d'envisager à nouveau favorablement l'utilisation de la magnétostriction pour certains types de transducteurs électro-acoustiques. Currently, however, certain recently developed magnetostrictive materials make it possible to again consider favorably the use of magnetostriction for certain types of electro-acoustic transducers.
Ces nouveaux matériaux, qui sont des alliages de terres rares et de fer, présentent en effet des propriétés qui les rendent, à certains égards, bien supérieurs aux céramiques piézoélectriques de type PZT, en particulier leur déformation maximale est plus de dix fois
supérieure à celle du PZT . leur capacité de puissance par unité de volume est bien
plus importante que celle du PZT . ils fonctionnent à des vitesses sonores plus basses
(1700 m/s contre 3000 m/s pour le PZT), ce qui permet
d'obtenir, pour les transducteurs électro-acoustiques
réalisés avec de tels éléments magnétostrictifs, une
appréciable réduction de taille et de poids.These new materials, which are alloys of rare earths and iron, indeed have properties which make them, in certain respects, much superior to piezoelectric ceramics of the PZT type, in particular their maximum deformation is more than ten times
higher than that of PZT. their power capacity per unit volume is fine
more important than that of PZT. they operate at lower sound speeds
(1700 m / s against 3000 m / s for the PZT), which allows
to obtain, for electro-acoustic transducers
made with such magnetostrictive elements, a
appreciable reduction in size and weight.
Un matériau magnétostrictif de ce type est par exemple celui qui est disponible dans le commerce sous l'appellation "Terfenol"-D". Ce matériau ~est composé de
Terbium et de Fer, auxquels s'ajoute une certaine quantité de Dysprosium, sa formulation chimique étant proche de
Tbo 27 Dyo 73 Fe2
Ce matériau possède un point de Curie de valeur élevée, ce qui est intéressant en utilisation de puissance où les transducteurs subissent une surchauffe importante.A magnetostrictive material of this type is for example that which is commercially available under the name "Terfenol" -D ". This material ~ is composed of
Terbium and Iron, to which a certain amount of Dysprosium is added, its chemical formulation being close to
Tbo 27 Dyo 73 Fe2
This material has a high Curie point, which is advantageous in power use where the transducers undergo a significant overheating.
Par ailleurs, il possède des propriétés magnétostrictives particulièrement intéressantes à température ambiante.Furthermore, it has particularly advantageous magnetostrictive properties at room temperature.
En particulier, l'article de S.W. Meeks et R.W. In particular, the article by S.W. Meeks and R.W.
Time : " Rare earth iron magnetostrictive underwater sound transducer", paru dans la revue américaine J. Acoust. Soc.Time: "Rare earth iron magnetostrictive underwater sound transducer", published in the American journal J. Acoust. Soc.
AM. Volume 62, N0.5, Novembre 1977, pages 1158 à 1164, décrit l'application d'un matériau de ce type à un transducteur magnétostrictif expérimental pour applications sous-marines de type sonar. Les auteurs montrent dans cet article que ce matériau se compare avantageusement aux céramiques dans la gamme des basses fréquences (inférieures à 3 kilohertz), et pour de fortes puissances.AM. Volume 62, N0.5, November 1977, pages 1158 to 1164, describes the application of a material of this type to an experimental magnetostrictive transducer for underwater sonar applications. The authors show in this article that this material compares advantageously to ceramics in the low frequency range (less than 3 kilohertz), and for high powers.
Il est connu un procédé de fabrication qui permet d'obtenir des barreaux de "Terfenol-D" à grains orientés, dont le diamètre maximal est limité à 5 à 7 millimètres environ, et dont la longueur peut atteindre une vingtaine de centimètres. A manufacturing process is known which makes it possible to obtain bars of "Terfenol-D" with oriented grains, the maximum diameter of which is limited to approximately 5 to 7 millimeters, and the length of which can reach about twenty centimeters.
Ce procédé connu consiste à - allier les divers constituants dans un four à fusion
classique - obtenir une composition uniforme dans un barreau de
diamètre constant par fusion dans un tube à quartz - orienter les grains (dentrites) dans un four à fusion de
zone verticale - réaliser l'équilibre des phases par un traitement
thermique à 9500C pendant 5 jours - et enfin, rectifier le barreau pour obten#ir un diamètre
uniforme.This known process consists in - combining the various constituents in a melting furnace
classic - get a uniform composition in a bar
constant diameter by melting in a quartz tube - orient the grains (dentrites) in a melting furnace
vertical zone - achieve phase balance by treatment
thermal at 9500C for 5 days - and finally, rectify the bar to obtain # ir a diameter
uniform.
Il s'agit là d'un procédé de fabrication qui est assez onéreux et qui ne permet pas par ailleurs d'obtenir des éléments magnétostrictifs vraiment bien adaptés à la fabrication de transducteurs électro-acoustiques pour activités sous-marines : leur étroit diamètre oblige à en prévoir plusieurs côte à côte, ce qui est assez malcommode et complexe à réaliser. This is a manufacturing process which is quite expensive and which does not otherwise make it possible to obtain magnetostrictive elements which are really well suited to the manufacture of electro-acoustic transducers for underwater activities: their narrow diameter means that plan several side by side, which is quite awkward and complex to achieve.
Il est également connu, par des réalisations effectuées récemment en laboratoire dans le cadre d'un programme de recherche scientifique, de fabriquer des échantillons de "Terfenol-D" à partir d'un procédé de coulée en creuset froid. L'inconvénient de ce procédé est que le matériau magnétostrictif alors obtenu n'est pas orienté dans la direction de facile aimantation, de sorte que ses performances s'en trouvent très amoindries. It is also known, by recent achievements in the laboratory as part of a scientific research program, to manufacture samples of "Terfenol-D" from a cold crucible casting process. The drawback of this process is that the magnetostrictive material then obtained is not oriented in the direction of easy magnetization, so that its performance is thereby greatly reduced.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients. The invention aims to remedy these drawbacks.
Elle se rapporte à cet effet à un procédé de fabrication d'un élément magnétostrictif pour la réalisation de transducteurs électro-acoustiques, en particulier pour applications sous-marines, cet élément étant composé d'un alliage de Fer et de terres rares, de formulation Tbx Dry,~, Fey, avec x compris entre environ 0,2 et 0,4 et y compris entre environ 1,8 et 2, ce procédé consistant ~ à préparer cet alliage "Fer-terres rares sous forme de
lambeaux au moyen d'un procédé connu de trempe sur roue
rotative, semblable à celui classiquement utilisé pour
la fabrication des verres métalliques amorphes, les
lambeaux ainsi obtenus étant, suivant les conditions de
trempe, soit des lambeaux isotropes sous forme de grains
fins micro-cristallisés, soit des lambeaux texturés sous
forme de grains fins ayant des directions
cristallographiques communes ; et ~ à réaliser dans un moule cet élément magnétostrictif à
l'aide de ces lambeaux, tout en orientant leurs grains
par action d'un champ magnétique ou par fluage.To this end, it relates to a method of manufacturing a magnetostrictive element for producing electro-acoustic transducers, in particular for underwater applications, this element being composed of an alloy of iron and rare earths, of formulation Tbx Dry, ~, Fey, with x of between approximately 0.2 and 0.4 and including between approximately 1.8 and 2, this process consisting in ~ preparing this "Iron-rare earth alloy in the form of
flaps using a known wheel quenching process
rotary, similar to that conventionally used for
the manufacture of amorphous metallic glasses,
shreds thus obtained being, according to the conditions of
quenching, i.e. isotropic flaps in the form of grains
fine micro-crystallized, i.e. textured shreds under
form of fine grains with directions
common crystallographic; and ~ to produce in a mold this magnetostrictive element to
using these shreds, while orienting their grains
by the action of a magnetic field or by creep.
Selon un mode préférentiel de réalisation, les lambeaux sont mélangés, dans ce moule, avec de la résine, et lesdits grains sont orientés avant l'opération de polymérisation de cette résine. According to a preferred embodiment, the flaps are mixed, in this mold, with resin, and said grains are oriented before the polymerization operation of this resin.
Selon un autre mode de réalisation, les lambeaux sont compactés à chaud dans ce moule. According to another embodiment, the flaps are hot compacted in this mold.
Dans l'un et l'autre cas, il peut être prévu, afin de réaliser la polarisation magnétique de l'élément magnétostrictif ainsi obtenu, de lui juxtaposer deux aimants permanents, dont un aimant en dessus et un aimant en dessous. In either case, provision may be made, in order to achieve the magnetic polarization of the magnetostrictive element thus obtained, of juxtaposing two permanent magnets, including a magnet above and a magnet below.
Selon une autre forme de réalisation, cette polarisation magnétique peut être obtenue par intégration de particules aimantées dans le matériau constitutif de cet élément magnétostrictif. According to another embodiment, this magnetic polarization can be obtained by integration of magnetized particles in the material constituting this magnetostrictive element.
En variante, cette même polarisation magnétique peut aussi être obtenue en plaçant autour de l'élément, de façon à l'envelopper coaxialement, un aimant permanent de forme tubulaire. As a variant, this same magnetic polarization can also be obtained by placing around the element, so as to coaxially wrap it, a permanent magnet of tubular shape.
Dans le cas d'utilisation de résine, on pourra avantageusement réaliser cette polarisation magnétique en noyant deux aimants de forme plane dans la résine, l'un étant placé en fond de moule et l'autre au sommet de ce moule. In the case of using resin, this magnetic polarization can advantageously be achieved by embedding two magnets of planar shape in the resin, one being placed at the bottom of the mold and the other at the top of this mold.
L'invention se rapporte aussi à un transducteur électro-acoustique dont le "moteur" est constitué par un empilage de ces éléments magnétostrictifs, cet empilage étant entouré, de manière coaxiale, par un bobinage d'excitation magnétique qui, en mode émission, est parcouru par le signal alternatif d'excitation, tandis qu'en réception, le signal alternatif reçu est recueilli à ses bornes. The invention also relates to an electro-acoustic transducer whose "motor" consists of a stack of these magnetostrictive elements, this stack being surrounded, coaxially, by a magnetic excitation winding which, in emission mode, is traversed by the alternating excitation signal, while in reception, the received alternating signal is collected at its terminals.
Selon une forme de réalisation ou les éléments magnétostrictifs du moteur ne comportent pas d'éléments magnétiques permanents de polarisation (aimants permanents, particules aimantées,...), ce bobinage est en outre parcouru par un courant continu apte à assurer cette polarisation magnétique. According to one embodiment or the magnetostrictive elements of the motor do not comprise permanent magnetic polarization elements (permanent magnets, magnetized particles, etc.), this coil is also traversed by a direct current capable of ensuring this magnetic polarization.
De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description de quelques exemples non limitatifs de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel . Figure 1 représente un élément magnétostrictif obtenu
par le procédé conforme à l'invention ; et . Figure 2 est une vue d'ensemble, avec coupe partielle,
d'un transducteur électro-acoustique comportant des
éléments magnétostrictifs selon Figure 1.In any case, the invention will be well understood, and its advantages and other characteristics will emerge when describing a few nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the appended schematic drawing in which. Figure 1 represents a magnetostrictive element obtained
by the process according to the invention; and. Figure 2 is an overall view, with partial section,
an electro-acoustic transducer comprising
magnetostrictive elements according to Figure 1.
En se référant à la figure 1, il s'agit d'un élément magnétostrictif 1 en forme de tore dont le matériau constitutif est un alliage de Fer et de terres rares, et plus précisément un alliage de Fer, de Terbium, et de Dysprosium, dont la formulation chimique est
Tbx Dyl-x FeY avec : x compris entre 0,2 et 0,4 et y compris entre 1,8 et 2.Referring to Figure 1, it is a magnetostrictive element 1 in the form of a torus whose constituent material is an alloy of Iron and rare earths, and more precisely an alloy of Iron, Terbium, and Dysprosium , whose chemical formulation is
Tbx Dyl-x FeY with: x between 0.2 and 0.4 and between 1.8 and 2.
Pour obtenir cette forme, l'alliage précité est tout d'abord préparé sous forme de lambeaux, qui sont obtenus par un procédé de trempe sur roue rotative, identique à celui classiquement utilisé pour la fabrication des verres métalliques amorphes. Suivant les conditions de trempe, on obtient soit des lambeaux isotropes sous forme de grains fins micro-cristallisés, soit des lambeaux texturés sous forme de grains fins ayant des directions cristallographiques communes. To obtain this shape, the aforementioned alloy is first prepared in the form of flaps, which are obtained by a tempering process on a rotating wheel, identical to that conventionally used for the manufacture of amorphous metallic glasses. Depending on the quenching conditions, either isotropic flaps in the form of fine microcrystallized grains are obtained, or textured flaps in the form of fine grains having common crystallographic directions.
Ces lambeaux sont ensuite mélangés avec de la résine dans un moule de forme apte à conférer à l'élément 1 son allure torique. Les grains sont alors orientés dans la direction de facile aimantation par action d'un champ magnétique ou par fluage. These shreds are then mixed with resin in a shaped mold capable of giving the element 1 its toroidal appearance. The grains are then oriented in the direction of easy magnetization by the action of a magnetic field or by creep.
En outre, deux aimants permanents 2 et 3 en forme de rondelles plates sont noyés dans la résine et placés comme représenté l'un, 2, en fond du moule, l'autre 3, au sommet de celui-ci. Ces deux aimants permanents sont destinés à assurer la polarisation magnétique de l'élément magnétostrictif, et la position adaptée et représentée en figure 1 permet avantageusement d'obtenir un champ magnétique optimal. In addition, two permanent magnets 2 and 3 in the form of flat washers are embedded in the resin and placed as shown one, 2, at the bottom of the mold, the other 3, at the top of it. These two permanent magnets are intended to ensure the magnetic polarization of the magnetostrictive element, and the adapted position shown in FIG. 1 advantageously makes it possible to obtain an optimal magnetic field.
On procède ensuite à la polymérisation de la résine, pour obtenir finalement un élément magnétostrictif qui est prêt à être monté, avec d'autres éléments identiques, dans un transducteur électro-acoustique. Son coefficient de couplage magnétomécanique k peut être obtenu à partir des mesures, réalisées à l'aide d'un analyseur de réseau, des fréquences de résonance Fr et d'antirésonance Fa, par application de la formule
The resin is then polymerized, to finally obtain a magnetostrictive element which is ready to be mounted, with other identical elements, in an electro-acoustic transducer. Its magnetomechanical coupling coefficient k can be obtained from measurements, carried out using a network analyzer, of the resonance frequencies Fr and of antiresonance Fa, by application of the formula
Dans l'exemple considéré, on obtient un coefficient k de l'ordre de 0,4% pour un champ magnétique compris entre 100 et 120 kA/m. In the example considered, a coefficient k of the order of 0.4% is obtained for a magnetic field of between 100 and 120 kA / m.
La figure 2 montre un exemple de transducteur électro-acoustique de type "Tonpilz" qui est réalisé à l'aide d'un empilement 4 d'un grand nombre d'éléments magnétostrictifs 1 semblables à celui de la figure 1, cet empilement 4 constituant le "moteur" du transducteur. FIG. 2 shows an example of an electro-acoustic transducer of the "Tonpilz" type which is produced using a stack 4 of a large number of magnetostrictive elements 1 similar to that of FIG. 1, this stack 4 constituting the "motor" of the transducer.
Ce transducteur comporte, en outre, de manière connu en soi, un "pavillon" 5 qui émet (ou reçoit) les ondes acoustiques 6, une contre-masse 7 destinée à éviter l'émission (ou la réception) arrière, et une tige axiale de précontrainte 8, serrée par un écrou 9, qui a pour but d'éviter que les éléments magnétostrictifs 1 subissent des élongations préjudiciables. This transducer further comprises, in a manner known per se, a "horn" 5 which emits (or receives) the acoustic waves 6, a counter-mass 7 intended to avoid rear emission (or reception), and a rod axial prestressing 8, tightened by a nut 9, which aims to prevent the magnetostrictive elements 1 from undergoing harmful elongations.
La polarisation magnétique du moteur 4 est assurée par les aimants permanents 2, 3 qui équipent chaque élément 1, et son excitation magnétique est assurée par une bobine 10 qui est coaxiale à ce moteur 4, qu'elle enveloppe comme représenté : en mode émission cette bobine est parcourue par le courant alternatif d'excitation, tandis qu'en mode réception, le signal alternatif reçu est recueilli à ses bornes. The magnetic polarization of the motor 4 is ensured by the permanent magnets 2, 3 which equip each element 1, and its magnetic excitation is ensured by a coil 10 which is coaxial with this motor 4, which it envelops as shown: in emission mode this coil is traversed by the excitation alternating current, while in reception mode, the received alternating signal is collected at its terminals.
Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, et de nombreuses autres formes d'exécution sont envisageables. It goes without saying that the invention is not limited to the embodiment which has just been described, and numerous other embodiments are possible.
C'est ainsi par exemple qu'au lieu d'être noyés dans la résine, les lambeaux d'alliage "fer-terres rares" peuvent être compactés à chaud, les deux aimants permanents 2, 3 étant alors simplement juxtaposés (un en dessus et l'autre en dessous) à l'élément magnétostrictif 1 alors obtenu. Ce mode de réalisation s'applique aussi, bien entendu, au cas d'utilisation de résine pour la réalisation de l'élément 1. Thus, for example, instead of being embedded in the resin, the "iron-rare earth" alloy strips can be hot-compacted, the two permanent magnets 2, 3 then being simply juxtaposed (one above and the other below) to the magnetostrictive element 1 then obtained. This embodiment also applies, of course, to the case of using resin for the production of element 1.
Dans l'un et l'autre cas, l'aimant permanent peut avoir une forme tubulaire et être placé autour de l'échantillon 1 de façon à l'envelopper coaxialement. In either case, the permanent magnet can have a tubular shape and be placed around the sample 1 so as to coaxially wrap it.
Suivant une autre variante, la polarisation magnétique peut être obtenue par intégration de particules aimantées dans le matériau. Préférentiellement dans un tel cas, ces particules sont intégrées dans le matériau avant toute aimantation, et elles sont aimantées ensuite par application d'un champ magnétique dirigé selon la direction de facile aimantation. According to another variant, the magnetic polarization can be obtained by integration of magnetized particles in the material. Preferably in such a case, these particles are integrated into the material before any magnetization, and they are then magnetized by application of a magnetic field directed in the direction of easy magnetization.
Au lieu d'avoir une forme torique, l'élément magnétostritif pourrait avoir toute autre forme, en particulier une forme de disque (il faudrait alors prévoir plusieurs types de précontrainte placées latéralement). Instead of having a toroidal shape, the magnetostritive element could have any other shape, in particular a disc shape (it would then be necessary to provide several types of preload placed laterally).
A titre de variante encore, on pourrait totalement se passer d'aimants permanents pour la création de la polarisation magnétique, et réaliser cette dernière au moyen d'une bobine de champ parcourue par un courant continu de polarisation : dans le cas de la réalisation selon Figure 2 par exemple, cette bobine de champ serait simplement constituée par la bobine d'excitation 10, qui recevrait donc en outre un courant continu de polarisation. As a further variant, one could totally do without permanent magnets for the creation of magnetic polarization, and realize the latter by means of a field coil traversed by a direct current of polarization: in the case of the realization according to Figure 2 for example, this field coil would simply be constituted by the excitation coil 10, which would therefore also receive a direct bias current.
L'invention s'applique bien entendu à d'autres types de transducteurs électro-acoustiques que les transducteurs de type "Tonpilz". C'est ainsi qu'elle peut avantageusement être utilisée pour la réalisation de transducteurs "flextenseurs", par exemple tels que décrits dans le document FR-A-2.639.786 de la Société demanderesse. The invention obviously applies to other types of electro-acoustic transducers than the "Tonpilz" type transducers. Thus it can advantageously be used for the production of "flexural" transducers, for example as described in document FR-A-2,639,786 of the Applicant Company.
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