FR2694981A1

FR2694981A1 - Emetteur de sonar et procédé pour rayonner un signal acoustique à une fréquence prédéterminée.

Info

Publication number: FR2694981A1
Application number: FR9310162A
Authority: FR
Inventors: Wolfe William Richard; Kupiszewski Thomas
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1994-02-25
Also published as: US5375101A

Abstract

Cet émetteur de sonar comprend un élément mobile d'un corps (16) pouvant fonctionner de manière à émettre un signal acoustique à partir d'une surface de rayonnement de cet élément, deux électroaimants (31, 32) fixés à l'élément mobile et réagissant à un signal d'actionnement électrique en produisant une force d'attraction électromagnétique comprenant une composante à une fréquence prédéterminée pour actionner l'élément mobile et une source (40) de signal d'actionnement électrique, ledit signal d'actionnement comprenant des premier et second signaux d'excitation dont la différence de fréquence est égale à ladite fréquence prédéterminée.

Description

"Emetteur de sonar et procédé pour rayonner un signal acoustique à une

fréquence prédéterminée " La présente invention concerne, d'une façon générale,

des émetteurs électromagnétiques de sonar Plus particu-

lièrement, la présente invention a trait à un émetteur élec-

tomagnétique de sonar et à un procédé qui élimine les be-

soins existant dans la technique antérieure d'une aimanta-

tion de polarisation par utilisation de signaux d'excitation ou signaux de commande ayant des fréquences décalées par

rapport à la fréquence du signal acoustique rayonné.

Les systèmes sonar détectent et identifient les objets dans un milieu liquide en envoyant tout d'abord un signal acoustique dans le milieu et en analysant ensuite l'écho qui revient Pour obtenir le signal acoustique nécessaire, on a

mis au point divers émetteurs De façon typique, ces émet-

teurs comprennent une source de signal commandant un projec-

teur acoustique immergé comprenant un certain type de trans-

ducteur de signal.

Un premier type de transducteur de projecteur acousti-

que bien connu dans la technique antérieure est le transduc-

teur piézo-électrique Ces transducteurs utilisent des élé-

ments piézo-électriques qui se déforment lors de l'applica-

tion d'une tension en produisant un signal acoustique Tou-

tefois, on s'est aperçu que les transducteurs piézo-électri-

ques présentaient des inconvénients importants Par exemple,

ils deviennent massifs et compliqués aux fréquences basses.

En outre, les transducteurs piézo-électriques sont suscepti-

bles de variations de performances en fonction de la profon-

i deur. Un autre type de transducteur de projecteur acoustique dont on s'est aperçu, par exemple, qu'il convenait mieux, pour un fonctionnement à des fréquences plus basses, que le transducteur piézo-électrique est le transducteur électroma-

gnétique De par leur construction, les transducteurs élec-

tromagnétiques comportent, de façon typique, au moins un électroaimant mobile fixé à une surface de rayonnement Un signal d'excitation appliqué à l'électroaimant engendre une force d'attraction magnétique qui provoque un déplacement de

la surface de rayonnement Cette force d'attraction magnéti-

que est en général obtenue par une polarisation préalable

des électroaimants et par leur excitation à la fréquence dé-

sirée à l'aide d'une source de tension ou de courant comman-

dée On pense qu'une aimantation de polarisation, qui peut être fournie par des électroaimants alimentés en courant

continu ou, d'une façon équivalente, par des aimants perma-

nents de polarisation (ou par des électroaimants et des ai-

mants permanents) est nécessaire pour produire un fonction-

nement linéaire du transducteur électromagnétique.

L'utilisation d'une aimantation de polarisation dans

les transducteurs électromagnétiques introduit un grand nom-

bre de caractéristiques indésirables Par exemple, le besoin

d'un fonctionnement linéaire avec une faible distorsion har-

monique limite, de façon sévère, le degré de fluctuation du champ magnétique autour du niveau de champ de polarisation

préalable Ceci est dû au fait que les mouvements d'excur-

sion importants de l'électroaimant peuvent entraîner une attraction, l'une vers l'autre, et un accotement, l'une à

l'autre, des faces polaires respectives En outre, l'utili-

sation d'un aimant permanent pour une polarisation préalable peut augmenter la sensibilité vis-à-vis de la profondeur de

fonctionnement, car une augmentation de la pression hydro-

statique externe entraîne en conséquence une déformation

structurale du projecteur Ceci, à son tour, diminue la sé-

paration entre les faces polaires des électroaimants, ce qui peut se traduire par un collage de ces faces, comme décrit ci-dessus.

Des émetteurs de sonar auxquels est appliquée la pré-

sente invention comprennent un moyen formant source de si- gnal pour fournir un signal d'actionnement à un projecteur de transducteur électromagnétique Le projecteur comprend une surface de rayonnement à partir de laquelle un signal

acoustique est rayonné dans le milieu liquide lorsque le si-

gnal d'actionnement est appliqué Le signal d'actionnement est le résultat d'au moins un signal d'excitation ayant une

fréquence fondamentale différente de la fréquence présélec-

tionnée du signal acoustique La conception d'excitation par une fréquence décalée selon la présente invention élimine

d'une façon générale le besoin de faire fonctionner le pro-

jecteur du transducteur électromagnétique avec une aimanta-

tion de polarisation comme c'était le cas dans le passé En plus d'apporter un remède aux inconvénients de la technique antérieure, on pense que la présente invention se comporte de façon plus efficace à l'intérieur d'une structure globale de projecteur plus petite que celle qui était précédemment nécessaire.

Le signal d'actionnement peut comprendre un ou deux si-

gnaux d'excitation selon les exigences de l'application par-

ticulière Par exemple, si on désire un signal acoustique

d'une fréquence relativement élevée, on peut utiliser un si-

gnal d'excitation dont la fréquence est égale à la moitié de la fréquence du signal acoustique désirée De plus, on peut utiliser une paire de signaux d'excitation de fréquence plus faible pour produire un signal acoustique de fréquence plus

élevée égale à la somme des fréquences des signaux d'excita-

tion Si on désire obtenir un signal acoustique de fréquence basse, on peut utiliser une paire de signaux d'excitation

qui présentent une différence de fréquence égale à la fré-

quence désirée du signal acoustique rayonné.

Dans les modes de réalisation actuellement préférés, le transducteur comprend une enveloppe ou coque elliptique,

travaillant en flexion et en tension en classe IV, compor-

tant une paire d'électroaimants opposés et sensiblement identiques Les électroaimants opposés peuvent être orientés

le long soit du grand axe soit du petit axe de l'enveloppe.

Les faces polaires opposées des noyaux des électroaimants

sont séparées par un entrefer.

Le signal d'actionnement engendré par la source est ap-

pliqué aux enroulements des électroaimants Il en résulte la création d'une force d'attraction électromagnétique ayant une composante importante à la fréquence désirée du signal acoustique Cette composante de force rapproche les faces

polaires opposées, ce qui entraîne un fléchissement élasti-

que de l'enveloppe La variation résultante dans le volume de l'enveloppe engendre une fluctuation de vitesse dans le volume, cette fluctuation engendrant à son tour le signal acoustique. On va maintenant décrire, à titre d'exemples, des modes de réalisation préférés en se référant aux dessins annexés, sur lesquels:

les figures l A et 1 B sont des vues schématiques mon-

trant l'actionnement le long du grand axe et du petit axe, respectivement, d'une enveloppe travaillant en flexion et en tension en classe IV, du type qui peut être utilisé avec la présente invention; la figure 2 est une représentation schématique d'un émetteur de sonar réalisé selon la présente invention et

montrant, en perspective, un projecteur de transducteur com-

portant une enveloppe extérieure partiellement coupée pour montrer les divers composants internes; la figure 3 est un graphique montrant le rapport entre la superficie de section droite de noyau du dispositif de l'invention et la superficie de section droite de noyau du dispositif de la technique antérieure en fonction de alpha

(défini comme étant égal à deux fois la distorsion harmoni-

que d'ordre second de la technique antérieure); la figure 4 A est une représentation schématique d'un circuit résonnant électrique équivalent de l'émetteur de la présente invention;

la figure 4 B est une courbe caractéristique de l'impé-

dance en fonction de la fréquence du circuit de la figure 4 A;

la figure 5 est une vue schématique d'un modèle expéri-

mental d'un émetteur de sonar qui peut être utilisé pour vé-

rifier certains des enseignements de la présente invention; la figure 6 est un schéma de principe d'une source de

courant bon marché que l'on peut utiliser avec le modèle ex-

périmental de la figure 5.

Selon la présente invention, on peut réaliser un émet-

teur de sonar en utilisant un projecteur-transducteur élec-

tromagnétique produisant un signal acoustique sans aimanta-

tion de polarisation Pour la même force de sortie fondamen-

tale désirée, l'invention permet d'obtenir, d'une façon gé-

nérale, une largeur de bande plus grande avec moins de dis-

torsion harmonique et avec une taille et un poids globaux plus faibles que ceux que l'on obtenait dans la technique antérieure. Bien que les enseignements de la présente invention puissent être utilisés pour modifier les transducteurs de sonar électromagnétiques existants, les nouveaux modes de

réalisation actuellement préférés utilisent des transduc-

teurs comportant une coque travaillant en flexion et en ten-

sion en classe IV Comme décrit dans le brevet US N 05 126

979, ces transducteurs présentent l'avantage d'avoir un com-

portement indépendant de la profondeur et un nombre relati-

vement faible de pièces mobiles En outre, ces transducteurs se prêtent à une grande souplesse d'utilisation étant donné qu'ils peuvent être excités alternativement le long de l'un

et l'autre des deux axes mutuellement orthogonaux.

En se référant aux figures l A et LB, on voit que l'on y

a représenté une coque ou enveloppe 10 travaillant en fle-

xion et en tension en classe IV, cette coque étant actionnée respectivement le long d'un grand axe 12 et d'un petit axe

14.

Des moyens électromagnétiques orientés le long de cha-

cun de ces axes produisent des forces magnétiques d'attrac-

tion qui provoquent la flexion du corps elliptique 16 sui-

vant un mode volumétrique quadripolaire.

En se référant spécifiquement à la figure LA, on voit

que des forces d'attraction 18 et 19 dirigées de façon oppo-

sée font fléchir la surface rayonnante 20 vers l'intérieur aux régions d'extrémités 22 et 23 qui sont adjacentes aux

extrémités respectives de l'axe 12 Ceci provoque une fle-

xion de la surface rayonnante 20 vers l'extérieur aux ré-

gions intérieures 25 et 26 comme représenté par les flèches.

Dans une variante, comme on peut le voir sur la figure l B, des forces 28 et 29 dirigées de façon opposée provoquent une

flexion vers l'intérieur aux régions 25 et 26 Ceci se tra-

duit par une flexion vers l'extérieur aux régions 22 et 23.

Lorsque les forces d'attraction diminuent, les propriétés élastiques du corps 16 font revenir celui-ci dans sa forme initiale De ce fait, lors d'une action sélective des forces d'attraction, il se produit un mouvement qui émet un signal

acoustique lorsque l'enveloppe 10 est immergée dans un mi-

lieu liquide approprié, tel que l'eau de mer.

Comme on peut le voir sur la figure 2, les forces d'at-

traction dirigées de façon opposée peuvent être créées par une paire d'électroaimants 31 et 32 sensiblement identiques et opposés Les électroaimants 31 et 32 sont formés par des noyaux, tels que les noyaux 33 et 34 en forme U, qui sont séparés par un entrefer "g" L'entrefer "g doit être choisi de manière à être supérieur à l'étendue prévue du mouvement des noyaux 33 et 34 Les noyaux 33 et 34 sont fixés à la surface intérieure du corps 16 Le brevet US N 15 126 979 précité représente, sur sa figure 4, un moyen actuellement

préféré pour la fixation des noyaux 33 et 34.

Pour produire dans les noyaux un flux magnétique qui, à son tour, engendre les forces d'attraction magnétiques, les noyaux 33 et 34 sont entourés par des ensembles d'enroule- ments, tels que les ensembles d'enroulements 36 et 37 De préférence, les ensembles 36 et 37 sont montés de manière à

couvrir l'entrefer "g" entre les faces polaires opposées.

Cette configuration permet d'utiliser des joints d'étanchéi-

té et des guides d'entrefer, si on le désire, et également

de minimiser les champs parasites De préférence, les ensem-

bles 36 et 37 sont reliés électriquement en série Des en-

roulements équivalents en parallèle ou indépendants peuvent toutefois être souhaitables dans certaines applications et/

ou installations.

Une source, telle qu'une source de courant 40, fournit le signal d'actionnement pour entraîner sélectivement les

électroaimants 31 et 32 Selon les enseignements de l'inven-

tion, le signal d'actionnement est de préférence le signal

résultant d'un ou de deux signaux d'excitation de fréquen-

ce fondamentale autre que la fréquence fondamentale du si-

gnal de sortie acoustique Les signaux d'excitation sont fournis par une seule ou par deux sources respectives 42 et 43 de signaux d'excitation De préférence, les signaux d'excitation respectifs sont des signaux sinusoïdaux ou leur équivalent effectif et peuvent avoir des amplitudes à peu près égales si on le désire Au lieu de sources de courant, on peut aussi utiliser des sources de tension équivalentes

conformément aux principes de la réciprocité des sources.

Les sources de tension seraient, comme il est classique, reliées en série si on désire deux signaux d'entraînement

de fréquences différentes.

Les sources 42 et 43 de signaux peuvent comprendre

n'importe quelle source capable de fournir les signaux d'ex-

citation respectifs Si les fréquences sont suffisamment

basses, on peut utiliser un système électronique d'alimenta-

tion à commutation Une autre possibilité est un dispositif d'excitation à angle de conduction faible On pourrait

aussi utiliser deux générateurs identiques de courant alter-

natif monophasé reliés mécaniquement de manière à tourner à des vitesses légèrement différentes et entraînés par une

seule et même source.

La ligne de transmission intermédiaire entre la source

et le transducteur devrait être choisie de manière à optimi-

ser les performances en fonction de l'application particu-

lière Un simple câble coaxial convient raisonnablement bien

à cette fin De plus, des dispositifs magnétiques intermé-

diaires, tels que des transformateurs, peuvent être souhai-

tables dans certaines applications.

Les noyaux 33 et 34 doivent être réalisés en un maté-

riau présentant une perméabilité magnétique élevée On con-

nait un matériau appelé Microlams qui minimise le feuilleta-

ge et les pertes par courants de Foucault dans les transfor-

mateurs ou autres appareils analogues quand un courant de

fréquence relativement élevée est présent Le matériau Mi-

crolams est un matériau qui est formé de pièces de base qui sont des grains et que l'on presse de manière à former un

matériau composite La nature composite du Microlams permet-

trait de former des branches rondes et une structure magné-

tique moulée sur mesure en vue d'un poids minimal et d'un

montage monobloc commode On estime de ce fait que le maté-

riau Microlams convient parfaitement pour cette application.

La structure d'un transducteur électromagnétique de so-

nar conçue pour un fonctionnement à basse fréquence en com-

binaison avec le milieu liquide dans lequel il fonctionne peut, au mieux, posséder les caractéristiques d'un filtre

passe-bas Un filtre passe-bas transmet toutes les fréquen-

ces situées en dessous d'une fréquence de coupure élevée ca-

ractéristique, t avec une faible atténuation Dans un filtre passe-bas idéal, toutes les fréquences supérieures a

(à) hsont complètement bloquées Toutefois, un filtre passe-

hc

bas réel atténue, d'une façon générale, les fréquences si-

tuées au dessus de th d'un nombre de décibels qui augmen-

te à mesure que la fréquence augmente De ce fait, pour que le signal acoustique se propage avec une faible atténua- tion, il faut que la force d'attraction magnétique comporte

une composante inférieure à W h Toutes les fréquences in-

hc

désirables doivent être absolument éliminées.

Un émetteur électromagnétique de sonar conçu pour fonc-

tionner à des fréquences plus élevées est, de façon ca-

ractéristique, physiquement plus petit qu'un transducteur

fonctionnant à des fréquences basses Dans ce cas, les ca-

ractéristiques du transducteur peuvent se rapprocher des ca-

ractéristiques d'un filtre passe-bande dans lequel les fré-

quences inférieures à une fréquence de coupure basse, ic, sont également atténuées Cette fréquence de coupure basse

est principalement dûe à la résonance mécanique de l'enve-

loppe plus petite du transducteur Il est fréquent que la

structure du transducteur présente simplement un pic au voi-

sinage de la fréquence de coupure supérieure, W, res-

semblant ainsi à un filtre passe-bande au voisinage de cette fréquence Le milieu liquide dans lequel le transducteur

fonctionne présente, d'une façon générale, les caractéristi-

ques d'un filtre passe-bas.

Ces caractéristiques de filtrage d'un transducteur

électromagnétique ont posé des problèmes dans le passé, com-

me décrit ci-après, par le fait que la force électroma-

gnétique est proportionnelle au carré de l'intensité du cou-

rant dans les ensembles d'enroulements 36 et 37 Spécifique-

ment, la présence d'une aimantation de polarisation créait des harmoniques se situant à l'intérieur, ou au voisinage immédiat, de la bande passante du transducteur On va donner

ci-après une analyse qui sera utile pour expliquer la pré-

sente invention et l'amélioration qu'elle apporte par rap-

port à la technique antérieure: 1 Le courant total suivant étant fourni: I(t) = I + i (t) + i (t)

0 1 2

o:

I est un courant continu (pour le flux de po-

larisation) i (t) = I cos tt

1 1 1

i (t) = I cos W t

2 2 2

2 Du fait que la force est proportionnelle au carré de l'intensité du courant, I(t) au carre: I (t) = (I i 1 (t) + i 2 (t)) (I+ i 2 (t)+ i (t)) O 1 2 O l 2 I + i (t) + i (t))

0 O 1 2

+ i (t) (I + i (t) + i (t))

1 O 1 2

152 + i (t) (I + i (t) + i (t))

2 O 1 2

2 2

I Ol O tO 2 (t l 1 2 =I+ I i (t) + I i (t) + i (t) + i (t) i (t)

O 1 02 2 1 2

2 2 2

= I + 2 I i (t) + i (t) + i (t) 2 ii (t)

0 O 1 O 21

+ 2 i (t) i (t)

1 2

2 2 2

( 1) = (I + (I + I)/2)

0 1 2

( 2) + I I cos ( W u)t

1 2 1 2

( 3) + I I cos W t

0 11

3 ( 4) + I cos 2 t

0 2 2

( 5) +I /2 cos 2 Ct ( 6) + I /2 cos 2 W t

2 2

+ I I cos ( " + W)t

1 2 1 2

( 7)

il Cette analyse montre que les composantes de force sont produites à sept fréquences: DC, X W, G>, W, 2 W, i 2 i 2 1 2 (ô, @ + On peut se rendre compte de la pratique de la

2 1 2

technique antérieure dans l'analyse ci-dessus en donnant I la valeur zéro Dans ce cas, les composantes de fréquence suivantes sont présentes dans la force: DC, (A,1 2 C" Tandis qu'une composante de force est engendrée à W, comme cela est recherché, une distorsion harmonique importante d'ordre second peut aussi être introduite à 2 (O

1

*D = A /A 1 ( 2) = I /2 I = /2

2 1 1 1 O 1 O

o

1 O

Cette distorsion harmonique peut avoir pour effet de réduire la largeur de bande de fonctionnement du transducteur, étant donné qu'il s'est révélé nécessaire d'utiliser uniquement les fréquences d'actionnement de sorte que l'harmonique 2 L&> est bien supérieure h X hc Toutefois, on peut voir que la distorsion harmonique est inversement proportionnelle à la valeur du courant de polarisation continu I De ce fait, on avait tendance dans

dans le passé à diminuer cette distorsion indésirable en au-

gmentant l'aimantation de polarisation Cette technique

tend à réduire la profondeur de fonctionnement du transduc-

teur en raison de l'instabilité inhérente que l'on introduit à mesure que l'on augmente l'aimantation de polarisation En

outre, si l'aimantation de polarisation est obtenue par aug-

mentation du courant de polarisation, I, la section droite du fer des noyaux doit alors être suffisante pour contenir le flux supplémentaire Il faut donc augmenter la taille globale du transducteur pour obtenir cette aimantation de polarisation supplémentaire (que ce soit sous forme d'un aimant permanent coûteux ou d'un noyau plus grand et du cuivre supplémentaire) C'est pourquoi, dans le passé, la

conception consistait en un choix de compromis entre plu-

sieurs possibilités indésirables.

Grâce à la présente invention, le phénomène quadratique des électroaimants, qui a été traditionnellement considéré comme étant indésirable, peut être utilisé avantageusement pour réaliser un émetteur de puissance élevée présentant, d'une façon générale, une plus faible distorsion et une plus grande largeur de bande que celles des émetteurs que l'on utilisait dans le passé On peut obtenir tout ceci en utilisant un projecteur qui est plus petit et plus efficace

que ceux qui ont été utilisés dans le passé Au lieu d'uti-

liser un signal d'excitation électrique à la fréquence dési-

rée du signal acoustique, la source du dispositif de l'in-

vention excite le transducteur en l'absence d'une aimanta-

tion de polarisation à des fréquences électriques décalées

par rapport à la fréquence désirée du signal acoustique.

On a identifié trois cas de l'invention que l'on pense

avoir une utilité particulière Ces cas sont: ( 1) deux si-

gnaux d'excitation d'une fréquence plus élevée produisant un signal acoustique de fréquence de différence; ( 2) deux signaux d'excitation de fréquence plus faible produisant un signal acoustique de fréquence de sommation; et ( 3) un

seul signal d'excitation de fréquence plus faible produi-

sant un signal acoustique de fréquence doublée On peut se rendre compte du fait que ces fréquences sont produites comme décrit dans le présent exposé en faisant en sorte que,

dans les calculs ci-dessus, divers courants soient nuls.

Spécifiquement, on met en évidence les cas 1 et 2 en donnant à l'intensité du courant de polarisation, I, une valeur nulle Il en résulte que les composantes de forces sont alors produites aux cinq fréquences suivantes: DC, (J > W,

1 2

2 W 1 24 >,2 J+W On met en évidence le cas 3, en donnant aux deux courants de polarisation, I et I, une valeur

0 2

nulle, ce par quoi on peut voir que les composantes de for-

ces ne sont produites qu'aux deux fréquences suivantes: DC,

2 W

Une simple comparaison spectrale des composantes de forces de source de la technique antérieure comparées avec celles de la présente invention est utile pour comprendre

complètement et se rendre compte de l'importance des ensei-

gnements du présent exposé Pour des raisons de commodité et de comparaison, on va supposer que les fréquences de I et

I sont très voisines Les résultats d'une telle comparai-

son sont donnés dans le tableau ci-après, dans lequel les

valeurs indiquées sont normalisées en ce qui concerne l Jam-

plitude de la composante de force de la fréquence du signal

acoustique qui a été identifiée par soulignement.

TABLEAU

Comparaison spectrale des amplitudes des composantes des forces de source

HYPOTHESES:

Technique antérieure: A I =l, I =l, I = 0,a

O 1 2

B I = 5, I = 1,I = 0, a

0 1 2

Présente invention: Cas 1: I = 0, I = 1, I = 1

0 1 2

Cas 2: A l l2 '= 0, I i 2 O 1

B 1 J> W 2,I = 0, I

Cas 3: I = 0, I = 1, I =

0 1 2

=l, D = 0 5 (distorsion plus grande) = 0.2, D= O 1 (distorsion plus élevée) -= 0 2, D = 0 1 (distorsion plus élevée> =l, I = 1 =l, I = 1 Technique antérieure Présente (polarisation) invention Eq.No Casl Cas 2 Cas 3 (p. 10)Amplitude Freq A B A B 2 22

( 1) + 1 + 1 + 1)/2DC 3/2 5 1 1 1 1 1

0 1 2 ( 2) 1 i 11 O O 1 1 O

1 2 1 2

( 3) 1011 1 1 O O O O

( 4) 1012 12 O O O O O O

( 5) 1 /2 2 L) 1/2 0 1 O 1/2 1

1 1

( 6) 1 /2 2) O O 1/2 1/2 O

2 2

( 7) h 1 1 W+

12 1 2 O O 1/2 1 1 O

On peut utiliser le cas 1, par exemple, dans des appli-

cations o l'on souhaite que des signaux acoustiques de fré-

quence faible soient produits Il est souvent difficile, voire impossible, dans ces conditions d'obtenir une source d'excitation produisant directement de telles fréquences

basses Toutefois, un signal acoustique se propage effica-

cement à la fréquence de différence, tant que la différence de fréquence entre le signal d'excitation à úO et le signal

d'excitation à W est inférieure à M La composante cou-

1 hc rant continu ne se propage pas Il en est de même pour les trois autres composantes qui sont choisies de manière à être bien au dessus de W v Bien que l'on puisse utiliser des hc fréquences plus basses, il est généralement souhaitable que les fréquences L et W se situent au moins une dizaine au

1 2

dessus de ( v S'il en est ainsi, même une caractéristique hc

modeste de filtre passe-bas, par exemple un circuit unipo-

laire à 20 d B/décades donnera ce résultat.

Dans le cas 2, il est généralement souhaité que les

deux fréquences aient la même valeur (condition A) pour mi-

nimiser la distorsion Dans la condition A, l'amplitude de la fréquence de différence, W L = 0, est ajoutée à la

1 2

composante de courant continu Les composantes 2 (W et 2 W

1 2

sont égales à W + W En tant que telles, leurs amplitu-

des sont ajoutées à la fréquence de sommation Dans certai-

nes applications du cas 2, il peut être souhaitable que W 1

et (J aient des fréquences différentes (condition B) Mal-

gré l'apparition éventuelle d'une certaine distorsion sous-

harmonique dans la condition B, l'invention procure néan-

moins des avantages importants par rapport à la technique

antérieure.

Le cas 3 produit, d'une façon idéale, des composantes de force uniquement à la composante de courant continu et à 2 "J Toutefois, comme on peut le voir, le cas 3 (au moins dans le modèle idéal) est complètement exempt de distorsion

harmonique Ceci peut être une conséquence très souhaitable.

Un agencement équivalent du point de vue fonctionnel, dans lequel un signal d'excitation basse fréquence à la fréquence w est porté par une "porteuse haute fréquence" à o peut,

dans certaines applications et/ou installations, être utili-

sé avantageusement pour réduire les phénomènes magnétiques intermédiaires Dans ce cas, le signal de sortie unique est à 2 6 j (en supposant W > ( 2) avec les autres composantes

2 1 2

de forces ( 2 Co, Co et CO W) groupées mutuellement1 1 2 1 2

à un niveau supérieur au signal acoustique à 2 W)2 (et facile-

ment filtrées de ce signal).

Comme décrit ci-dessus, l'élimination des aimants de polarisation selon la présente invention permet également

une réduction de la taille globale de la structure de trans-

ducteur Pour démontrer cette réduction, la figure 3 montre

une comparaison entre la superficie de section droite requi-

se d'un noyau d'électroaimant excité selon les enseignements de la présente invention et la superficie de section droite du noyau si le transducteur est excité selon la technique antérieure (avec une polarisation fournie par un courant

continu) Dans le cas de la technique antérieure o une po-

larisation est fournie par des aimants permanents, lesquels peuvent aussi être supprimés dans la présente invention, les

avantages de dimension que procure la présente invention de-

vraient être même encore plus évidents.

Pour cette comparaison de noyau, on a supposé les mêmes amplitude et fréquence (et la même géométrie d'enroulement et de noyau) pour la force correspondant au signal de sortie

désiré On a alors modifié la superficie du noyau pour obte-

nir la même densité de flux maximale dans le circuit magné-

tique Le résultat est le rapport entre la superficie de section droite de noyau requise par la présente invention et celle dans la technique antérieure Du fait que le procédé de la technique antérieure exige également de régler avec

soin le degré de distorsion harmonique d'ordre second pré-

sent dans la source, le facteur de mérite résultant est in-

diqué en fonction de G Il peut être utile de remarquer que a, tel que défini ci-dessus, est le double de la distorsion

harmonique d'ordre second et est égal au rapport entre l'am-

plitude du courant de source et le courant de polarisation continu La courbe 44 correspond aux résultats si le trans-

ducteur est excité comme décrit pour les cas 1 ou 2 ci-des-

sus La courbe 45 correspond à un actionnement selon le cas 3 Comme on peut le voir, la présente invention procure sur la technique antérieure des résultats d'autant meilleurs que

le niveau de distorsion acceptable dans la technique antéri-

eure est plus faible.

Bien que la présente invention ait été décrite d'une

façon générale en termes de sources de courant, les princi-

pes de dualité s'appliquent, de sorte que l'on peut aussi utiliser des sources de tension Pour réduire la tension de source requise, il peut être souhaitable de faire résonner l'émetteur à une fréquence intermédiaire 6, entre W 1 et CO Comme on peut le voir sur les figures 4 A et 4 B, ceci réduit la grandeur d'impédance à peu près à la résistance équivalente, R du circuit global R est représenté eq eq schématiquement par une résistance 45 Quand on utilise des sources de courant, la résonance peut être obtenue à l'aide d'un condensateur 46 de capacité appropriée placé en série avec les ensembles d'enroulements 36 et 37 Pour obtenir des tensions de résonance élevées, le condensateur 46 peut être inclus dans le corps 16 Dans une variante, quand on utilise une paire de sources de tension, une résonance parallèle

peut être souhaitable.

Le condensateur 46 impose une contrainte sur la largeur de bande globale du transducteur Toutefois, si C, se situe

bien au dessus de la fréquence de fonctionnement du trans-

ducteur et si le facteur de qualité "Q" du circuit résonnant est choisi judicieusement, on peut obtenir en réalité une largeur de bande de résonance supérieure à celle de la

structure du transducteur De plus, l'inductance des élec-

troaimants 31 et 32 varie quelque peu avec le déplacement

(c'est-à-dire, varie dans l'entrefer "g") Ceci se tradui-

rait par une variation de la tension aux bornes de l'induc-

teur excitées par une source de courant de fréquence cons-

tante Ceci était un problème dû à une contrainte imposée à la longueur maximale de l'entrefer, ce problème peut être minimisé en utilisant un circuit bouchon ou bobine de self

induction ou un condensateur extérieur d'équilibrage.

Un modèle simple et de coût relativement faible pour vérifier un grand nombre des enseignements de la présente invention est représenté sur la figure 5 Une masse mobile

47 représente la combinaison du milieu liquide et de l'élé-

ment flexible La masse 47 est supportée entre des bases ri-

gides 48 et 49 par des ressorts de support, tel que le res-

sort 52 Les ressorts de support peuvent être, par exemple,

des ressorts sous précontrainte travaillant à la compres-

sion Les électroaimants sont formés par une paire de noyaux 54 et 55 en forme de C Le noyau 54 en forme de C est fixé de façon inamovible à la masse 47 De façon similaire, le noyau 55 en forme de C est fixé à la base 48 On peut former un amortisseur d'oscillation, représentant les pertes dûes à la viscosité de la masse du liquide transmetteur, en montant

une mince plaque conductrice 60 qui s'étend vers le bas de-

puis la masse 47 de telle sorte qu'elle s'interpose entre

les pôles magnétiques opposés 61 et 62.

Une source de courant 65 actionne les électroaimants.

La figure 6 montre une source appropriée dans laquelle deux générateurs de signaux normaux 68 et 69 pour laboratoire agissent comme source de tension pour commander un circuit

de sommation comprenant un amplificateur opérationnel 72.

Les générateurs 68 et 69 de signaux produisent des tensions

de signaux d'excitation respectifs ayant les fréquences dé-

sirées des sources de courant Le circuit agit comme un con-

vertisseur tension-courant qui excite les électroaimants (représenté par une impédance Z) à l'aide d'un courant L i (t) Une force d'attraction électromagnétique est ainsi

engendrée laquelle force provoque un déplacement dans la di-

rection "x" lorsque le signal d'actionnement passe par un pic, c'est-àdire un maximum O Pendant les minima du signal d'actionnement, les ressorts poussent la masse 47 en direc- tion de son équilibre initial à X=O Ce déplacement peut

être observé visuellement Dans une variante, une simple si-

mulation numérique du circuit analogique électrique du sys-

tème peut être configurée de manière à apporter facilement une solution pour "x(t)" O

On peut donc voir que lton a réalisé un émetteur élec-

tromagnétique de sonar sans qu'une aimantation de polarisa-

tion soit nécessaire Pour un niveau de source équivalent

et une surperficie de surface rayonnante équivalente, l'in-

vention permet d'obtenir une largeur de bande plus grande

et une distorsion harmonique plus faible que dans la techni-

que antérieure Une réduction considérable du poids et du prix de revient est possible en raison du fait qu'il n'est

pas nécessaire d'augmenter le flux de polarisation pour ré-

duire la distorsion de sortie Bien que certains modes de réalisation préférés aient été décrits, il est bien entendu

que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre pu-

rement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de

la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 Emetteur de sonar pour rayonner un signal acoustique à une fréquence prédéterminée dans un milieu liquide, ledit émetteur de sonar étant caractérisé en ce qu'il comprend: un élément mobile ( 10) pouvant être actionné de manière à émettre ledit signal acoustique à partir d'une surface de rayonnement ( 20) de cet élément; un moyen ( 31, 32) faisant office d'électroaimant, fixé

à l'élément mobile ( 10) et réagissant à un signal d'action-

nement électrique en engendrant une force d'attraction élec-

tromagnétique ( 18, 19; 28, 29) comprenant une composante à ladite fréquence prédéterminée pour actionner ledit élément mobile; et un moyen formant source ( 40) pour fournir ledit signal

d'actionnement électrique, ledit signal d'actionnement com-

prenant un premier signal d'excitation et un second signal d'excitation, lesdits premier et second signaux d'excitation

présentant une différence de fréquence égale à ladite fré-

quence prédéterminée.

2 Emetteur de sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile ( 10) comprend un corps flexible elliptique ( 16) ayant deux axes mutuellement orthogonaux ( 12, 14) et en ce qu'en outre le moyen faisant office d'électroaimant comprend une paire d'électroaimants ( 31, 32) fixés à des parties opposées du corps ( 16), le long d'un des

deux axes mutuellement orthogonaux ( 12, 14).

3 Emetteur de sonar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électroaimants ( 31, 32) comprennent une paire

d'ensembles d'enroulements ( 36, 37) pour conduire ledit si-

gnal d'actionnement.

4 Emetteur de sonar selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ensembles d'enroulements ( 36, 37) sont reliés électriquement en série. Emetteur de sonar selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ensembles d'enroulements ( 36, 37) sont situés de manière à recouvrir un entrefer entre les faces polaires mutuellement opposées de ladite paire d'électroaimants ( 31, 32). 6 Emetteur de sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second signaux d'excitation sont

des signaux effectivement sinusoïdaux.

7 Emetteur de sonar selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premier et second signaux d'excitation ont

sensiblement la même amplitude effective.

8 Emetteur de sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un condensateur ( 46) relié

électriquement au moyen ( 31, 32) faisant office d'électroai-

mant de manière à constituer un circuit résonnant accordé

sur une fréquence de résonance se situant entre les fréquen-

ces respectives du premier signal d'excitation et du second

signal d'excitation.

9, Emetteur de sonar selon la revendication 8, caractérisé en ce que le condensateur ( 46) est relié électriquement en

série avec le moyen ( 31, 32) faisant office d'électroaimant.

Procédé pour rayonner un signal acoustique à partir d'un projecteur acoustique électromagnétique ( 10) dans un milieu liquide, le procédé utilisé comprenant: l'établissement d'un premier signal d'excitation;

l'établissement d'un second signal d'excitation présen-

tant une différence de fréquence par rapport audit premier signal d'excitation, ladite différence de fréquence étant égale à une fréquence prédéterminée du signal acoustique;

la superposition des premier et second signaux d'exci-

tation pour produire un signal d'actionnement électrique ré-

sultant;

l'application du signal d'actionnement électrique ré-

sultant à au moins un ensemble d'enroulements ( 36, 37) du projecteur acoustique électromagnétique ( 10) immergé au moins partiellement dans ledit milieu liquide, de manière à produire ainsi une force électromagnétique actionnant le

projecteur acoustique électromagnétique ( 10) à ladite fré-

quence prédéterminée pour rayonner ledit signal acoustique.

ll, Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce

que les premier et second signaux d'excitation sont des si-

gnaux effectivement sinusoïdaux.

12 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les premier et second signaux d'entraînement sont des

signaux de courant essentiellement constant.

13 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les premier et second signaux d'excitation ont chacun

sensiblement la même amplitude effective.

14 Emetteur de sonar pour rayonner un signal acoustique

à une fréquence prédéterminée dans un milieu liquide, l'é-

metteur de sonar susvisé étant caractérisé en ce qu'il com-

prend: un élément mobile ( 10) pouvant fonctionner de manière à émettre ledit signal acoustique à partir d'une surface de rayonnement ( 20) de cet élément; t: un moyen ( 31, 32) faisant office d'électroaimant, fixé

à l'élément mobile ( 10) et réagissant à un signal d'action-

nement électrique en engendrant une force d'attraction élec-

tromagnétique ( 18, 19; 28, 29) comportant une composante à ladite fréquence prédéterminée pour actionner l'élément mo- bile ( 10); et un moyen formant source ( 40) pour fournir ledit signal

d'actionnement électrique, ledit signal d'actionnement com-

prenant un premier signal d'excitation et un second signal

d'excitation, la somme des fréquences desdits premier et se-

cond signaux d'excitation étant égale à ladite fréquence prédéterminée.

Emetteur de sonar selon la revendication 14,r caractéri-

sé en ce que l'élément mobile ( 10) comprend un corps flexi-

ble elliptique ( 16) ayant deux axes mutuellement orthogonaux

( 12, 14) et en ce qu'en outre le moyen ( 31, 32) faisant of-

fice d'électroaimant comprend une paire d'électroaimants ( 31, 32) fixés à des parties opposées dudit corps le long

d'un des deux axes mutuellement orthogonaux ( 12, 14).

16 Emetteur de sonar selon la revendication 15, caractéri-

sé en ce que les électroaimants ( 31, 32) comprennent une

paire d'ensembles d'enroulements ( 36, 37) pour conduire le-

dit signal d'actionnement.

17 Emetteur de sonar selon la revendication 16, caractéri-

sé en ce que les ensembles d'enroulements ( 36, 37) sont re-

liés électriquement en série.

18 Emetteur de sonar selon la revendication 16, caractéri-

sé en ce que les ensembles d'enroulements ( 36, 37) sont si-

tués de manière à recouvrir un entrefer entre les faces po-

laires mutuellement opposées de ladite paire d'électroai-

mants ( 31, 32).

19 Emetteur de sonar selon la revendication 14, caractéri-

sé en ce que les premier et second signaux d'excitation sont

des signaux effectivement sinusoïdaux.

20 Emetteur de sonar selon la revendication 19, caractéri- sé en ce que les premier et second signaux d'excitation ont

sensiblement la même amplitude effective.

21 Emetteur de sonar selon la revendication 14, caractéri-

sé en ce qu'il comprend, en outre, un condensateur ( 46) re-

lié électriquement au moyen ( 31, 32) faisant office d'élec-

troaimant de manière à constituer un circuit résonnant ac-

cordé sur une fréquence de résonance se situant entre les fréquences respectives du premier signal d'excitation et du

second signal d'excitation.

22 Emetteur de sonar selon la revendication 21, caractéri-

sé en ce que le condensateur ( 46) est relié électriquement

en série au moyen ( 31, 32) faisant office d'électroaimant.

23 Procédé pour rayonner un signal acoustique à une fré-

quence prédéterminée à partir d'un projecteur acoustique électromagnétique ( 10) dans un milieu liquide, le procédé susvisé étant caractérisé en ce qu'il comprend: l'établissement d'un premier signal d'excitation; l'établissement d'un second signal d'excitation; ladite fréquence prédéterminée dudit signal acoustique étant égale à la somme des fréquences des premier et second signaux d'excitation;

la superposition des premier et second signaux d'exci-

tation pour produire un signal d'actionnement électrique résultant; l'application dudit signal d'actionnement électrique résultant à au moins un ensemble d'enroulements ( 36, 37) du projecteur acoustique électromagnétique ( 10) immergé au moins partiellement dans ledit milieu liquide, de manière à produire ainsi une force électromagnétique actionnant le projecteur acoustique électromagnétique à ladite fréquence

prédéterminée de manière qu'il rayonne ledit signal acousti-

que. 24 Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce

que les premier et second signaux d'excitation sont des si-

gnaux effectivement sinusoïdaux.

Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce

que les premier et second signaux d'excitation sont des si-

gnaux de courant essentiellement constant.

26 Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que les premier et second signaux d'excitation ont chacun

sensiblement la même amplitude effective.

27 Emetteur de sonar pour rayonner un signal acoustique à

une fréquence prédéterminée dans un milieu liquide, l'émet-

teur de sonar susvisé étant caractérisé en ce qu'il com-

prend: un élément mobile ( 10) pouvant fonctionner de manière à émettre ledit signal acoustique à partir d'une surface de rayonnement ( 20) de cet élément; un moyen ( 31, 32) faisant office d'électroaimant, fixé à l'élément mobile ( 10) et réagissant à un signal électrique

d'actionnement en engendrant une force d'attraction électro-

magnétique ( 18, 19) ayant une composante à ladite fréquence prédéterminée pour actionner l'élément mobile ( 10); et un moyen formant source ( 40) pour fournir ledit signal

électrique d'actionnement, ledit signal électrique d'action-

nement ayant une fréquence égale à la moitié de ladite fré-

quence prédéterminée.

28 Emetteur de sonar selon la revendication 27, caractéri-

sé en ce que l'élément mobile ( 10) comprend un corps flexi-

ble elliptique ( 16) ayant deux axes mutuellement orthogonaux

( 12, 14) et en ce qu'en outre le moyen ( 31, 32) faisant of-

fice d'électroaimant comprend une paire d'électroaimants ( 31, 32) fixés à des parties opposées du corps ( 16) le long

d'un des deux axes mutuellement orthogonaux ( 12, 14).

29 Emetteur de sonar selon la revendication 28, caractéri-

sé en ce que les électroaimants ( 31, 32) comprennent une paire d'enroulements ( 36, 37) pour conduire ledit signal d'actionnement.

Emetteur de sonar selon la revendication 29, caractéri-

sé en ce que les enroulements ( 36, 37) sont reliés électri-

quement en série.

31 Emetteur de sonar selon la revendication 29, caractéri-

sé en ce que les enroulements ( 36, 37) sont situés de maniè-

re à recouvrir un entrefer entre les faces polaires mutuel-

lement opposées de ladite paire d'électroaimants ( 31, 32).

32 Procédé pour rayonner un signal acoustique à partir d'un projecteur acoustique électromagnétique ( 10) dans un milieu liquide, le procédé susvisé étant caractérisé en ce qu'il comprend:

l'établissement d'un signal d'excitation ayant une fré-

quence égale à la moitié d'une fréquence prédéterminée dudit signal acoustique; et l'application dudit signal électrique résultant à au moins un ensemble d'enroulements ( 36, 37) du projecteur

acoustique électromagnétique ( 10) immergé au moins partiel-

lement dans ledit milieu liquide, de manière à engendrer

ainsi une force électromagnétique actionnant ledit projec-

teur acoustique électromagnétique à ladite fréquence prédé-

terminée pour rayonner ledit signal acoustique.

33 Procédé selon la revendication 32, caractérisé en ce

que le signal d'excitation est un signal de courant essen-

tiellement constant. 340 Procédé selon la revendication 32, caractérisé en ce que le signal d'excitation est transporté par un signal de porteuse haute fréquence ayant une fréquence de porteuse

présélectionnée.