FR2800229A1

FR2800229A1 - Transducteur acoustique sous-marin a large bande

Info

Publication number: FR2800229A1
Application number: FR9913215A
Authority: FR
Inventors: Yves Lagier; Vito Suppa; Gerard Roux; Gilles Lubrano
Original assignee: Thales Underwater Systems SAS
Current assignee: Thales Underwater Systems SAS
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2001-04-27
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: EP1222653A1; FR2800229B1; DE60005382T2; DE60005382D1; US6617765B1; EP1222653B1; WO2001029820A1

Abstract

L'invention concerne les transducteurs acoustiques sous-marins destinés à émettre un signal acoustique large bande à basse fréquence.Elle consiste à utiliser un capot (105) en forme de cylindre fermé d'un côté et ouvert de l'autre. Une lame piézoélectrique (101) fonctionnant en flexion est fixée sur la base de ce cylindre à l'extérieur de celui-ci. La cavité intérieure (106) définie par le cylindre est ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel les ondes acoustiques doivent être émises.Elle permet à dimensions identiques de diminuer la fréquence centrale d'émission et d'augmenter la largeur de bande.

Description

TRANSDUCTEUR ACOUSTIQUE SOUS-MARIN A LARGEBANDE. présente invention se rapporte aux transducteurs acoustiques sous-marinsà large bande qui sont essentiellement utilisés comme émetteurs signaux acoustiques dans les sonars actifs des bâtiments de surface. Toutefois ces transducteurs peuvent également être utilisés comme récepteurs, ainsi que dans les sonars pour sous-marins.

On sait que dans l'évolution des sonars on chercheà diminuer la fréquence de travail, afin entre autres d'augmenter la portée de sonars, ainsi que puissance d'émission. On cherche aussià avoir des transducteurs qui fonctionnent en large bande pour pouvoir, par un traitement adequat, s'affranchir des phénomènes de réverbération ainsi que pour pouvoir utiliser plusieurs sonars dans une même zone géographique, en réalisant ainsi une interopérabilité des systèmes.

Actuellement les transducteurs émetteurs les plus utilises sont du type dit "tonpilz", Ces transducteurs utilisent un pavillon émetteur qui est excité par pilier de céramique qui s'appuie sur une contre masse.

émetteurs "tonpilz" permettent d'obtenir un niveau d'émission une réjection arrière importante, permettant d'effectuer des formations voiesà faible niveau de secondaires. En outre ils sont utilisables aussi bien en émission qu'en réception.

contre ils présentent le désavantage d'avoir une largeur de bande relativement faible, correspondant typiquementà un coefficient de surtension<B≥_ 3,5. Par ailleurs la jonction transducteur/boitier est relativement fragile ce qui entraîne un risque d'entrée d'eauà ce niveau. Enfin les frequences pouvant être émises étant strictement reliées aux dimensions du pavillon, on ne peut descendre en fréquence qu'en augmentant ces dimensions, ce qui devient rapidement prohibitif.

Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un transducteur acoustique sous-marinà large bande, comprenant au moins une lame piezoélectrique fonctionnant en flexion, principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capot cylindrique ferméà une extrémité par une plaque base et ouvertà l'autre extrémité pour former une première cavité; la lame piézoélectrique étant fixée sur la face extérieure de la plaque de base et première cavité du capot étant ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel le capot est plongé. Selon une autre caractéristique, la section droite capot est circulaire.

Selon une autre caractéristique, la section droite capot est elliptique.

Selon une autre caractéristique, la première cavite est remplie au moins partiellement par un matériau d'adaptation dont les caractéristiques acoustiques sont différentes de celles du milieu extérieur dans lequel le transducteur est plongé.

Selon une autre caractéristique il comprend en outre un corps comportant une deuxième cavité intérieure fermée par le capot de manièreà être isolée du milieu extérieur avec la lame piézoélectrique enfermée dans la deuxieme cavité intérieure et la première cavité étant tournée vers l'extérieur.

Selon une autre caractéristique, il comprend deux ensembles capot/lame piézoélectrique fixés ensemble tête-bêche.

Selon une autre caractéristique, le capot forme face avant d'un transducteur de type connu "tonpilz".

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentéeà titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure1, une vue en coupe d'un transducteur selon l'invention - la figure 2, un diagramme fréquence/amplitude de l'emission d'un tel transducteur; et - la figure3, une vue en coupe longitudinale d'une variante de l'invention, dans laquelle le transducteur est double.

Le dispositif selon l'invention représenté en coupe longitudinale sur figure1 présente une structure dont on constate aisément qu'elle est en rupture complète avec la technologie utilisée actuellement, repose sur la structure "tonpilz" citée plus haut.

Ce dispositif comporte comme élément actif plaque de céramique101, qui est de préférence unique et qui comporte de manière classique une paire d'électrodes 102 et103 fixées chacune l'une des faces principales de cette plaque. Préférentiellement ces électrodes sont constituées d'une argenture par dépôt. Ces électrodes sont reliées par des filsà un amplificateur qui délivre un signal d'excitationà la fréquence désirée. Compte tenu de la structure de l'appareil, il serait toutà fait possible limiter ces fils d'alimentationà un seul fil reliéà l'électrode103 est isolée. L'autre électrode, qui est reliéeà la masse de l'appareil, serait alors alimentée par l'intermédiaire de cette masse.

L'électrode 102 est fixée sur la face inférieure plane d'une pièce 1 en forme de cylindre ferméà sa base et ouvertà son extrémité supérieure. Nous appellerons cette pièce "capot".

Les vibrations de la plaque de céramique101 sont transmises au capot, dont la structure entre en vibration selon deux modes de résonance principaux. Les couplages critiques de ces deux modes de résonance permettent alors d'obtenir une grande largeur de bande, correspondantà environ60% de la fréquence centrale.

Le premier mode de résonance est le mode naturel de flexion de face inférieure du capot sous l'action de la céramique travaillant en mode 1 .

Le second mode provient de l'action du fluide remplissant la cavité intérieure106 formée par le capot qui est directement plongé dans le milieu extérieur, l'eau de mer en général. En effet dans cette cavité la célérité des ondes acoustiques est plus basse que dans l'espace libre, car les parois du capot ne sont pas infiniment rigides. On obtient alors un mode de résonance correspondantà une lame #J4. Plus la rigidité des parois augmente, plus la fréquence haute augmente. Plus la hauteur des parois augmente, plus la fréquence basse diminue.

Comme représenté sur la figure, l'invention propose également la paroi inférieure107 du capot présente une surépaisseur centrale telle que la section droite de cette lame correspondà la forme d'une poutre d'égale résistance. De cette manière, les contraintes appliquées par la pression du fluide extérieur sur la lame de céramique101 par l'intermédiaire fond107 du capot sont uniformément réparties sur cette lame, qui l'empêche de se courber sous l'action de cette pression et donc élimine ainsi risques de rupture de la lame de céramique sous l'effet de la pression.

Cette forme augmente d'un facteur 2 la surface de rayonnement dans le fluide. Au total on obtient ainsi une meilleure tenue de la céramique, un meilleur rendement mécanoacoustique et une diminution du seuil de cavitation par rapportà un transducteur de flexion standard. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, le transducteur complété par un corps, ou "tape",107 qui a la forme d'un cylindre concentrique au capot105 et qui présenteà sa partie supérieure une cavité1 dans laquelle vient s'enfoncer le capot. Ce capot est fixé par sa face latérale extérieure au corps par soudure par exemple au niveau de l'extrémité supérieure de ce corps. Cette fixation109 est en surépaisseur à l'intérieur de cavité108 de manièreà ménager un espace libre10 entre la paroi interne de la cavité108 et la paroi externe du capot105, pour éviter de perturber régime vibratoire. Les câbles d'alimentation 104 sortent du corps par un canal axial111 qui débouche d'un côté dans la cavité108 et d'un autre côteà la surface inférieure du corps. Ce canal axial bouché par des moyens non représentés, un bouchonà vis par exemple, qui permettentà fois d'assurer la connexion des fils 104 et fermeture hermétique de la cavité108/111. De cette manière, cette cavité reste remplie d'air sans que l'eau extérieurey pénètre, ce qui permetà lame de céramique de vibrer et aussi mettrait en court circuit les électrodes101.

Suivant un exemple de réalisation on a représenté sur figure 2 une courbe sensibilitéà l'émission pour un tel transducteur dont le capot 105 présente un diamètre extérieur de115 millimètres avec une épaisseur des parois latérales de 4 millimètres, et une hauteur totale de 46 millimètres avec une épaisseur centrale de la face inférieure du capot égaleà 14 millimètres. constate bien sur cette courbe l'élargissement de la bande de fréquence. En outre cette bande de fréquence est décalée vers basses fréquences pour un dimensionnement qui correspondrait pour un transducteur classique du type "tonpilz" à une fréquence d'émission nettement plus élevée.

A titre de variante, l'invention propose également de réaliser le capot105 sous la forme d'un cylindreà section droite elliptique au lieu de circulaire. Ceci permet d'obtenir alors deux résonances distinctes au niveau de la cavité1 en plus de la résonance de la lame de céramique101. De cette manière on augmente encore la largeur de bande.

Il est aussi possible d'utiliser l'ensemble capot 105/lame de céramique101 tout seul, sans lui rajouter le corps107, mais tout en assurant l'isolation des électrodes 102 et103 par un revêtement approprié, une couche de peinture étanche par exemple. Ce transducteur, qui est alors du type connu sans l'expression anglo-saxonne "free flooded", peut être utilise sans aucune limite d'immersion mais avec toutefois un rendement plus faible dû à l'action de l'eau sur la face arrière de la céramique. Dans ce cas hauteur de la cavité sera avantageusement choisie pour être égaleà la moitié la longueur d'onde centrale de transducteur, afin d'obtenir une bonne adaptation en effectuant une remise en phase entre les ondes émises à l'avant celles qui dans ce cas sont émisesà l'arrière.

L'invention propose aussi,à titre de variante, de remplir la cavité du capot, éventuellement sur une hauteur qui ne soit pas égaleà celle du capot, avec un matériau d'adaptation- dont les caractéristiques acoustiques, en particulier la vitesse de propagation du son, sont différentes de celles de l'eau. Ceci permet de modifier la courbe de réponse, par exemple pour la rendre plus plate ou pour l'élargir encore plus.

Une autre variante, représentée sur la figure3, consisteà utiliser deux ensembles capot/céramique, l'un105/101 et l'autre205/201, fixés tête- bêche sur un capot117 présentant la forme d'un cylindre ouvert des deux côtés. Les fils de connexion 114 aux deux lames de céramique sortent alors par un connecteur 211 fixé sur la paroi latérale du corps117. Une telle disposition permet d'obtenir un transducteur présentant un rayonnement de type dipolaire, caractérisé par une réjection important selon son axe longitudinal.

Enfin une extension de l'invention consisteà aménager le pavillon d'émission d'un transducteur connu de type "tonpilz", de manièreà ce qu'il prenne la forme du capot105. On obtient ainsi un transducteur "tonpilz" à large bande qui, par rapportà la réalisation de base de la figure1, permet d'obtenir une puissance d'émission plus importante en raison de l'empilement de céramique caractéristique d'un "tonpilz". Toutefois cet avantage se fait au prix d'une augmentation de l'encombrement et du retour des problèmes connus d'étanchéité du système "tonpilz" puisqu'il est alors nécessaire de maintenir la liberté de débattement du pavillon du "tonpilz" rapport au corps de celui-ci.

En résumé l'invention permet, par rapportà la technologie utilisee actuellement, d'obtenir simultanément un élargissement de la bande fréquence émise, un décalage de cette bande vers les basses fréquences sans modification de l'encombrement du dispositif, une amélioration l'étanchéité de la face avant, et la réduction du coût de l'appareil par diminution du nombre des pièces utilisées pour le fabriquer.

Claims

REVENDICATIONS 1 . Transducteur acoustique sous-marinà large bande, comprenant au moins une lame piézoélectrique (101) fonctionnant en flexion caracterisé en ce qu'il comprend en outre un capot cylindrique(105) fermé' une extrémité par une plaque de base(107) et ouvertà l'autre extrémité pour former une première cavité(106) ; la lame piézoélectrique (101) étant fixée sur la face extérieure de la plaque de base et la première cavité(106) du capot etant ouverte librement vers le milieu extérieur dans lequel le capot est plongé. 2. Transducteur selon la revendication1, caractérisé en ce que la section droite du capot(105) est circulaire. 3. Transducteur selon la revendication1, caractérisé en ce que la section droite du capot(105) est elliptique. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendications1 à 3, caractérisé en ce que la première cavité(106) est remplie au moins partiellement par un matériau d'adaptation dont les caractéristiques acoustiques sont différentes de celles du milieu extérieur dans lequel le transducteur est plongé. 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un corps(107) comportant une deuxième cavité intérieure(108) fermée par le capot(105) de manièreà être isolée milieu extérieur avec la lame piézoélectrique (101) enfermée dans la deuxième cavité intérieure(108) et la première cavité(106) étant tournée vers l'extérieur. 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles capot/lame piézoélectrique (105, 101, 205, 201) fixés ensemble tête-bêche. 7. Transducteur selon l'une quelconque des revendications1 à 4, caractérisé en ce que le capot(105) forme la face avant d'un transducteur de type connu "tonpilz".