WO2017060620A1 - Dispositif d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande - Google Patents

Dispositif d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande Download PDF

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WO2017060620A1
WO2017060620A1 PCT/FR2016/052559 FR2016052559W WO2017060620A1 WO 2017060620 A1 WO2017060620 A1 WO 2017060620A1 FR 2016052559 W FR2016052559 W FR 2016052559W WO 2017060620 A1 WO2017060620 A1 WO 2017060620A1
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tonpilz
transducer
electroactive
ring
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PCT/FR2016/052559
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Frédéric MOSCA
Raphaël EYMARD
Guillaume Matte
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Ixblue
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    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices

Definitions

  • the present invention relates to a broadband underwater acoustic emission / reception device.
  • This device has applications in particular for positioning, detection, telemetry or underwater acoustic communication.
  • Underwater acoustic transducers have been known and used for a long time. There are several types that can implement magnetostrictive, electrostrictive or piezoelectric materials. Among the known types of transducers are the following two:
  • Tonpilz which is a stack composed of a rear counterweight, electroactive elements, typically piezoelectric, and a front flag.
  • the electroactive elements are sandwiched between the rear counterweight and the front horn and this assembly is generally held by a central preload rod extended between the rear counterweight and the roof.
  • Tonpilz can be either resinated or, more generally, inserted in a housing filled with a fluid whose acoustic properties are adapted to the desired operating mode: for example, castor oil for acoustic transparency or air for bafflage.
  • the FFR Free Flooded Ring
  • a fluid which can be either seawater if the ring is previously resinated, or castor oil, for example, if the ring is inserted into a waterproof hood.
  • a "tape" usually a metal disk, is installed at the rear of the ring, acting as an acoustic reflector.
  • the width of the frequency band that can be used by an underwater acoustic transducer is generally proportional to the center frequency of this band.
  • the transducers constituting the state of the art implemented for the targeted applications generally cover an octave, ie 2/3 of the central frequency.
  • the frequency bands exploited differ. Indeed, for an identical propagation distance, the high frequencies Acoustics are more absorbed by the environment, the ocean in this case, than the lower frequencies.
  • a transmitting / receiving device capable of operating at least two distinct bands, of an octave each, for example.
  • Band covering low frequencies center frequency F B F
  • band covering high frequencies frequency central FHF
  • acoustic emitter / receiver devices consisting of electroactive elements generally require for their application an angular aperture that is at least hemispherical .
  • the present invention proposes a combination of transducers of different types, at least one element of the device being common to the operation of the combined transducers.
  • the solution proposed by the present invention is to overcome the effects of masking by using a functional part common to two transducers of different type and each emitting in a desired band.
  • This approach differs from that of US4373143 where it is used a transducer type Tonpilz low frequency whose flag serves as a counterweight to a high frequency Tonpilz antenna, so with two transducers of the same type.
  • the two emitters are simultaneously excited to produce a parametric-type non-linear emission.
  • US6690621 where a Tonpilz transducer covering the low frequency is juxtaposed to an active ring ceramic covering the high frequency, the latter forming the annular housing of the system.
  • the invention considered here consists of the functional combination of two transducers of different types: Tonpilz and FFR ("Free Flooded Ring").
  • the present invention therefore proposes to combine a Tonpilz transducer and a FFR transducer to cover a band of two octaves, the Tonpilz covering the low frequency octave (BF) and the FFR, the high frequency octave (HF), the latter being arranged forward in the direction of emissions.
  • Tonpilz covering the low frequency octave (BF) and the FFR
  • HF high frequency octave
  • one element of each transducer is made functionally common and it is the reflective "tape" of the FFR transducer which is also the flag of Tonpilz (and vice versa), in order to avoid two problems resulting from a simple association transducers.
  • the transducer placed forward on the axis of emission masks the transducer placed rearwardly and, on the other hand, the emission towards the rear of the transducer placed towards the before it is reflected on the emitting surface of the transducer placed to the back (tape for the FFR, pavilion for the Tonpilz), this reflection can interfere destructively with the direct / forward wave emitted by the transducer placed to the front .
  • the Tonpilz no longer has a piece masking its radiation in the axis and the wave emitted backwards by the FFR is baffled by the stack of Tonpilz and can not be reflected.
  • Such a configuration has another advantage in the case where the two frequency subbands are adjacent and Tonpilz covers the low band. Indeed, the cavity resonance of the FFR can be excited by the emission of Tonpilz and thus increase the sensitivity to the emission of Tonpilz at the top of its band.
  • a FFR naturally covers an octave band, by coupling between the cavity resonances and the radial mode of the ceramic.
  • a Tonpilz naturally covers, in the best case, a half-octave. It is therefore useful to expand the Tonpilz band by coupling Tonpilz's spring-mass mode with other modes.
  • the cavity mode of the FFR combined with it can be used.
  • the proposed solution consists in integrating a cylindrical acoustic baffle around the Tonpilz transducer and especially around its stack of rings and / or the pooled element, that is to say the flag serving as "tape". And thus to generate a radial cavity mode in a manner similar to what is obtained in a Janus-Helmholtz type structure (cf US5579287) and whose frequency is adjusted on the bottom of the low frequency band. It is thus possible to cover an octave with such a baffled Tonpilz solution combined with a FFR.
  • this cabinet must be massive and be the least elastic possible, can perform other functions, such as serve as protection or support for a protective cage for the complete transducer.
  • the broadband underwater acoustic emission / reception system of the invention has a hemispherical directivity.
  • the present invention relates to a broadband underwater acoustic emission / reception device comprising at least one Tonpilz transducer and a FFR "Free Flooded Ring" type transducer,
  • the Tonpilz transducer cylindrical in shape, being symmetrical about an anteroposterior axis, said Tonpilz transducer having elements arranged rearwardly along its anteroposterior axis of revolution, said elements being less: a reverse counterweight, electroactive elements and a front horn,
  • the FFR-type transducer being symmetrical in revolution about an anteroposterior axis, said FFR-type transducer comprising elements arranged from rear to front along its anteroposterior axis of revolution, said elements being at least: And an electroactive ring.
  • the Tonpilz and FFR-type transducers are aligned, their anteroposterior axes of revolution superimposed, the Tonpilz-type transducer being arranged towards the rear and the FFR-type transducer being arranged forward and having their respective forward directional directions facing forward, and the transducers are combined within the device by pooling one of their elements, said common element, said tape-flag element, being the "tape" of the FFR and the Tonpilz Pavilion.
  • the electroactive elements of the Tonpilz transducer are covered with a layer of a protective composition
  • the electroactive ring of the FFR type transducer is covered with a layer of a protective composition
  • the protective composition layer is resinated or vulcanized and is typically based on polyurethane, chlorosulphonated polyethylene or nitrile,
  • At least one prestressing rod is extended anteroposteriorly between the rear counterweight and the common tile-flag element
  • said at least one prestressing rod is tightened so that the electroactive elements sandwiched between the rear counterweight and the headband element are tightly constrained between them;
  • the Tonpilz type transducer comprises hollow electroactive elements in the form of rings or rings or perforated discs and the prestressing rod is central / axial,
  • the Tonpilz type transducer comprises hollow electroactive elements in the form of rings or rings and the device comprises a set of prestressing rods, the prestressing rods being external to the electroactive elements,
  • the Tonpilz type transducer comprises hollow electroactive elements in the form of rings or rings and the device comprises a set of prestressing rods, one of the prestressing rods being central / axial and the other prestressing rods being external to the electroactive elements,
  • the device comprises a single prestressing rod, said prestressing rod being carried by the anteroposterior axis of revolution of the Tonpilz transducer,
  • the electroactive elements of the Tonpilz transducer are solid and the device comprises a set of prestressing rods, the prestressing rods being external to the electroactive elements,
  • the common tape-horn element serves as a support for the electroactive ring of the FFR transducer by means of elastomer suspensions
  • the common tile-flag element is perforated
  • the common tape-flag element is a cylinder
  • the common tape-flag element is a cone
  • - the common tape-flag element is flat
  • the common flag-flag element is hemispherical
  • the common tile-flag element is smooth on the surface
  • the common tile-flag element is grooved
  • the common tape-flag element is structured, in particular at the surface of the FFR type transducer side,
  • the common tile-flag element is made of metal, in particular steel, aluminum or magnesium in an alloy,
  • the common tile-flag element is a composite, in particular made of glass or carbon,
  • the common tape-flag element can be bi-material
  • the bi-material common flag-flag element comprises an epoxy core and a metal periphery
  • the common tape-flag element is adjusted to perform a flapping mode
  • the common tape-flag element comprises at least one non-through hole for fixing the end of the prestressing rod
  • the non-through orifice is tapped for fixing a threaded preloading rod
  • an annular cavity comprising a fluid is disposed against the lateral periphery of the Tonpilz type transducer, at least against the electroactive elements,
  • a guard ring consisting of a rigid metal mass is arranged at the lateral periphery of the device, at least opposite the Tonpilz type transducer,
  • the guard ring forms a rigid baffle
  • the guard ring is separated from the electroactive elements of the Tonpilz transducer by a layer of material
  • the guard ring is separated from the electroactive elements of the Tonpilz transducer by the annular cavity
  • the guard ring is separated from the electroactive elements of the Tonpilz transducer by the annular cavity and at least one layer of material,
  • the guard ring is externally covered at the periphery of the device by a layer of material
  • the guard ring and the back counter are separate elements, the guard ring and the rear counterweight are separated by a layer of acoustic damping material,
  • the layer of acoustic damping material is an elastomer or a foam with open or closed cells
  • the electroactive ring of the FFR-type transducer is at least partly coated with a protective material, the electroactive ring of the FFR-type transducer being applied against the common tape-flag element by means of a layer of protective material and the front end of the electroactive ring of the FFR type transducer is closed and a fluid is disposed inside said electroactive ring of the FFR type transducer, said fluid coming into contact with the flag-horn element common,
  • the fluid of the annular cavity is chosen from: a gas, a gaseous composition, a liquid, a gel,
  • the fluid disposed inside the electroactive ring of the FFR type transducer is chosen from: a gas, a gaseous composition, a liquid, a gel
  • the liquid is an acoustic impedance matching liquid chosen from: castor oil, isoparaffins (in particular Isopar®), silicone oil, perfluorocarbon, etc.
  • the device is covered with a sealing membrane that performs a hydrostatic compensation
  • the material constituting the protective material is the same as that of the waterproofing membrane
  • the electroactive elements of the Tonpilz type transducer and of the FFR type transducer are piezoelectric ceramics.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention
  • FIG. 2 represents the emission response curve of said device.
  • the section of FIG. 1 passes through the axis of revolution of symmetry of the underwater acoustic transmission / reception device 1, which axis corresponds to the front axes. front emission of each of the two transducers Tonpilz and FFR or, in other words, who carries these axes.
  • the Tonpilz type transducer 2, 3, 4, 5 is to the left of FIG. 1 and also the rear of the device, considering the frontal transmission direction 13 of the device which is oriented towards the right of FIG. .
  • the FFR transducer 4, 6 is to the right of Figure 1 and also the front of the device.
  • the Tonpilz-type transducer comprises from the rear towards the front of the device, a rear counterweight 2, a stack of piezoelectric disks and more specifically here piezoelectric rings 3 so that a prestressing rod 5 can pass through the center of the device. stack, and a flag that is the common tape-flag element 4.
  • the prestressing rod 5 is stretched between the rear counterweight 2 and the common tape-flag element 4 in order to apply a constraint to the stacking of the rings 3 .
  • the FFR type transducer comprises from the rear towards the front of the device, the common tape-horn element 4 and a piezoelectric ring 6.
  • the central part of the piezoelectric ring 6 is closed at the front by a front wall 8 and at the rear by the common tape-flag element 4 and forms a closed central cavity.
  • a fluid 7, for example a liquid which is castor oil, is disposed in this portion / central cavity of the piezoelectric ring 6. The fluid therefore comes into contact with the common tape-horn element 4.
  • the piezoelectric ring 6 does not apply directly to the common tape-element 4 and a layer of a material is interposed between the two.
  • the flag-tape serves as support for the electroactive ring of the FFR transducer via elastomeric suspensions.
  • it is the waterproofing membrane January 1 which also serves as a suspension between the two 4, 6.
  • Tonpilz and FFR transducers has another advantage in the case where the two frequency subbands of each transducer are adjacent and Tonpilz covers the low band. Indeed, the cavity resonance of the FFR can be excited by the emission of Tonpilz and thus increase the sensitivity to the emission of Tonpilz at the top of its band.
  • the Tonpilz transducer can be either resinated or inserted into a casing filled with a fluid whose acoustic properties are adapted to the desired operating mode: for example, castor oil for transparency acoustic or air for a bafflage.
  • a fluid whose acoustic properties are adapted to the desired operating mode: for example, castor oil for transparency acoustic or air for a bafflage.
  • the cabinet has a rigid housing which encloses the cavity of air and the transducer is then generally limited to shallower immersions.
  • a lateral cavity 9 comprising a fluid, for example a liquid which is castor oil, is arranged at the lateral periphery of the Tonpilz transducer.
  • This lateral cavity 9 is annular in that the Tonpilz-type transducer is substantially cylindrical, as is the other transducer, the FFR.
  • the lateral cavity 9 extends opposite and against at least a part of the stack of the rings 3. In the example shown in FIG. 1, this cavity rises on a lateral part of the common tile-flag element 4 and does not come not in contact with the rear counterweight 2, a layer 12 of a material being disposed between the two 9, 2.
  • the fluid is air or a gas or a gaseous composition in order to obtain a bafflage effect.
  • the pressure of the gaseous fluid will be adapted to the needs.
  • a guard ring 10 In order to further improve the usable frequency bandwidth, there is disposed at the periphery of the device, facing the Tonpilz type transducer, a guard ring 10.
  • the guard ring 10 is distinct from the counterweight 2 and is separated from it by a layer of material with elastic property, typically with modulus of elasticity ⁇ 100 MPa or, alternatively, by a fluid vent.
  • a layer of material with elastic property typically with modulus of elasticity ⁇ 100 MPa or, alternatively, by a fluid vent.
  • it is the waterproofing membrane January 1 which also covers the device that forms the separation.
  • the frequency response curve for transmission, makes it possible to visualize the effects of each type of transducer and the contribution of the implementation of the common tape-flag element.
  • a baffling device was analyzed to produce this curve. The lowest frequencies are on the left along the frequency abscissa axis. The step of graduation of the ordinates is of 10dB.
  • the represented curve corresponds to the transmission ratio with respect to the applied voltage, in dB as an arbitrary unit.
  • Tonpilz-type transducer is visible in the "Octave BF" part, mainly with the MMR spring-spring mode.
  • Tonpilz-type transducer is visible in the "Octave BF" part, mainly with the MMR spring-spring mode.
  • the action of the FFR type transducer is visible in the "Octave HF" part with mainly a radial mode of the MRA ring and, lower in frequency, a cavity mode of the MCA ring which makes it possible to widen the response. in low frequency.
  • only one of the two transducers is powered by an alternating current of frequency (s) related to that (s) which the we want to produce.
  • the generated waves are discontinuous to allow reception between transmissions.
  • the alternating current may have a waveform other than sinusoidal and in particular any shape that is useful for the generation of pure waves and / or with harmonics and / or other linear or nonlinear effects.
  • the two transducers are fed at the same time by alternating currents adapted to each of them.
  • the invention can be realized in many other ways.
  • the discs or rings 3 of the Tonpilz type transducer and / or the piezoelectric ring 6 may be made in various known ways including in the form of monobloc or composite transduction elements, in the latter case by assembling elementary transducers forming a disk or a ring.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande. Ce dispositif a des applications notamment pour le positionnement, la détection, la télémétrie ou la communication acoustique sous-marine. L'invention consiste à combiner dans un dispositif d'émission/réception, un transducteur de type Tonpilz (2, 3, 4, 5) et un transducteur de type FFR (4, 6), de manière coaxiale, le FFR étant disposé devant la face émettrice/pavillon du Tonpilz. Dans une telle configuration, le pavillon du Tonpilz sert également de « tape » réflectrice du transducteur FFR, formant un élément tape-pavillon (4) commun. En outre, un baffle annulaire entourant le pilier du Tonpilz crée une cavité de Helmhoitz permettant d'élargir la bande d'émission vers les basses fréquences.

Description

DISPOSITIF D'EMISSION/RECEPTION ACOUSTIQUE SOUS-MARINE A LARGE BANDE
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande. Ce dispositif a des applications notamment pour le positionnement, la détection, la télémétrie ou la communication acoustique sous- marine.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les transducteurs acoustiques sous-marins sont connus et utilisés de longue date. Il en existe plusieurs types qui peuvent mettre en œuvre des matériaux magnétostrictifs, électrostrictifs ou piézoélectrique. Parmi les types de transducteurs connus on peut citer les deux suivants :
Le Tonpilz qui est un empilement composé d'une contremasse arrière, d'éléments électroactifs, typiquement piézoélectriques, et d'un pavillon avant. Les éléments électroactifs sont pris en sandwich entre la contremasse arrière et le pavillon avant et cet ensemble est généralement maintenu par une tige de précontrainte centrale étendue entre la contremasse arrière et le pavillon. Un Tonpilz peut être soit résiné, soit, plus généralement, inséré dans un boîtier rempli d'un fluide dont les propriétés acoustiques sont adaptées au mode de fonctionnement recherché : par exemple, de l'huile de Ricin pour la transparence acoustique ou de l'air pour le bafflage.
Le transducteur FFR (« Free Flooded Ring ») qui est un anneau électroactif, typiquement piézoélectrique, inséré dans un fluide, qui peut être soit de l'eau de mer si l'anneau est préalablement résiné, soit de l'huile de ricin, par exemple, si l'anneau est inséré dans une capuche étanche. Afin d'obtenir des directivités hémisphériques, une « tape », généralement un disque métallique, est installée à l'arrière de l'anneau, jouant le rôle de réflecteur acoustique.
L'augmentation des performances d'un grand nombre de dispositifs acoustiques sous-marins nécessite l'utilisation de signaux acoustiques exploitant une large bande de fréquence.
La largeur de la bande de fréquence exploitable par un transducteur acoustique sous-marin est généralement proportionnelle à la fréquence centrale de cette bande. Les transducteurs constituant l'état de l'art mis en œuvre pour les applications visées couvrent généralement une octave, soit 2/3 de la fréquence centrale.
En fonction des portées recherchées, les bandes de fréquences exploitées diffèrent. En effet, pour une distance de propagation identique, les hautes fréquences acoustiques sont plus absorbées par le milieu, l'Océan en l'espèce, que les fréquences moins élevées.
Ainsi, en fonction des besoins, il peut être utile de disposer d'un dispositif d'émission/réception capable d'exploiter au moins deux bandes distinctes, d'une octave chacune par exemple. La bande couvrant les basses fréquences (de fréquence centrale FBF) pour les applications visant la grande portée, mais de largeurs de bandes plus réduites (typiquement : 2/3 FBF), et la bande couvrant les hautes fréquences (de fréquence centrale FHF), visant des portées plus courtes mais de largeurs de bandes plus larges (2/3 FHF)- Enfin, les dispositifs émetteurs/récepteurs acoustiques constitués d'éléments électroactifs, nécessitent généralement pour leur application une ouverture angulaire qui soit au moins hémisphérique.
Afin d'augmenter la bande de fréquence exploitable des dispositifs d'émission/réception acoustique sous-marin, il a été proposé de modifier la structure des transducteurs ou, pour un meilleur résultat, d'associer ensemble plusieurs transducteurs ayant des structures et/ou caractéristiques dynamiques différentes, en particulier ayant des bandes de fréquence exploitables différentes.
Par exemple, dans les documents EP 0413633 A1 « Emetteur large-bande sous- marin » de Safare-Crouzet ou US8027224 « Broadband Underwater Acoustic Transducer » de Brown et al., il est proposée de couvrir plusieurs sous-bandes par mise en œuvre de sphères et/ou d'anneaux de type FFR (« Free Flooded Ring ») associés. Toutefois, une telle solution pose la difficulté du masquage du rayonnement dans l'axe d'alignement des transducteurs associés.
On connaît également d'autres modalités d'élargissement de la bande passante par les documents US4373143 « Parametric Dual Mode Transducer », US6690621 « Active Housing Broadband Tonpilz Transducer » et US5579287 « Process and transducer for emitting wide band and low frequency acoustic waves in unlimited immersion depths ».
OBJET DE L'INVENTION
Contrairement à ces solutions associant des transducteurs, la présente invention propose une combinaison de transducteurs de types différents, au moins un élément du dispositif étant commun au fonctionnement des transducteurs combinés. Ainsi, la solution proposée par la présente invention consiste à s'affranchir des effets du masquage en utilisant une pièce fonctionnelle commune à deux transducteurs de type différent et émettant chacun dans une bande souhaitée. Cette approche se distingue de celle du document US4373143 où il est utilisé un transducteur de type Tonpilz basse fréquence dont le pavillon sert de contremasse à une antenne de Tonpilz haute fréquence, donc avec deux transducteurs de même type. En outre, dans ce même document, les deux émetteurs sont excités simultanément pour produire une émission non-linéaire de type paramétrique. Elle se distingue également du document US6690621 où un transducteur Tonpilz couvrant la basse fréquence est juxtaposé à une céramique annulaire active couvrant la haute fréquence, cette dernière formant le boîtier annulaire du système.
L'invention considérée ici, consiste en la combinaison fonctionnelle de deux transducteurs de types différents : le Tonpilz et le FFR (« Free Flooded Ring »).
La présente invention propose donc de combiner un transducteur Tonpilz et un transducteur FFR pour couvrir une bande de deux octaves, le Tonpilz couvrant l'octave basse fréquence (BF) et le FFR, l'octave haute fréquence (HF), ce dernier étant disposé vers l'avant dans le sens des émissions. En outre, un élément de chaque transducteur est rendu fonctionnellement commun et c'est la « tape » réflectrice du transducteur FFR qui est également le pavillon du Tonpilz (et inversement), ceci afin d'éviter notamment deux problèmes résultant d'une simple association de transducteurs. A savoir, d'une part, le transducteur placé vers l'avant sur l'axe d'émission masque le transducteur placé vers l'arrière et, d'autre part, l'émission vers l'arrière du transducteur placé vers l'avant se réfléchit sur la surface émettrice du transducteur placé vers l'arrière (tape pour le FFR, pavillon pour le Tonpilz), cette réflexion pouvant interférer destructivement avec l'onde directe/vers l'avant émise par le transducteur placé vers l'avant.
Grâce à cette mise en œuvre d'un élément en commun entre les deux transducteurs de type différent, le Tonpilz n'a plus de pièce masquant son rayonnement dans l'axe et l'onde émise vers l'arrière par le FFR est bafflée par l'empilement du Tonpilz et ne peut se réfléchir. Une telle configuration présente un autre avantage dans le cas où les deux sous-bandes fréquentielles sont adjacentes et où le Tonpilz couvre la bande basse. En effet, la résonance de cavité du FFR peut être excitée par l'émission du Tonpilz et donc augmenter la sensibilité à l'émission du Tonpilz dans le haut de sa bande.
En outre, si on souhaite encore augmenter les bandes de fréquences exploitables, on peut mettre en œuvre des moyens additionnels. En effet, un FFR couvre naturellement une bande d'une octave, par couplage entre les résonances de cavité et le mode radial de la céramique. En revanche, un Tonpilz couvre naturellement, dans le meilleur des cas, une demi-octave. Il est donc utile d'élargir la bande du Tonpilz en couplant le mode masse-ressort du Tonpilz avec d'autres modes. Pour la partie haute de la bande, on peut utiliser le mode de cavité du FFR qui lui est combiné. En bas de bande, la solution proposée consiste à intégrer un baffle acoustique cylindrique autour du transducteur Tonpilz et notamment autour de son empilement d'anneaux et/ou de l'élément mis en commun, c'est à dire du pavillon servant de « tape », et ainsi de générer un mode de cavité radial d'une manière semblable à ce qui est obtenu dans une structure de type Janus-Helmholtz (cf. US5579287) et dont la fréquence est ajustée sur le bas de la bande basse fréquence. Il est ainsi possible de couvrir une octave avec une telle solution de type Tonpilz bafflé combiné à un FFR. A noter enfin que ce baffle qui doit être massif et être le moins élastique possible, peut remplir d'autre fonction, comme par exemple servir de protection ou de support à une cage de protection pour le transducteur complet.
On peut enfin noter que le système d'émission/réception acoustique sous-marin à large bande de l'invention présente une directivité hémisphérique.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande comportant au moins un transducteur de type Tonpilz et un transducteur de type FFR « Free Flooded Ring »,
le transducteur de type Tonpilz, de forme cylindrique, étant symétrique de révolution autour d'un axe antéropostérieur, ledit transducteur de type Tonpilz comportant des éléments disposés d'arrière vers l'avant le long de son axe antéropostérieur de révolution, lesdits éléments étant au moins : une contremasse arrière, des éléments électroactifs et un pavillon avant,
le transducteur de type FFR étant symétrique de révolution autour d'un axe antéropostérieur, ledit transducteur de type FFR comportant des éléments disposés d'arrière vers l'avant le long de son axe antéropostérieur de révolution, lesdits éléments étant au moins : une « tape » et un anneau électroactif. Selon l'invention, les transducteurs de type Tonpilz et de type FFR sont alignés, leurs axes antéropostérieurs de révolution se superposant, le transducteur de type Tonpilz étant disposé vers l'arrière et le transducteur de type FFR étant disposé vers l'avant et ayant leurs directions d'émission frontale respectives orientées vers l'avant, et les transducteurs sont combinés au sein du dispositif par mise en commun d'un de leurs éléments, ledit élément commun, dit élément tape-pavillon, étant la « tape » du FFR et le pavillon du Tonpilz.
Dans divers modes de mise en œuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés :
- les éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz sont recouvert d'une couche d'une composition protectrice,
- l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est recouvert d'une couche d'une composition protectrice,
- la couche de composition protectrice est résinée ou vulcanisée et est typiquement à base de Polyuréthane, de polyéthylène chlorosulfoné ou de nitrile,
- au moins une tige de précontrainte est étendue antéropostérieurement entre la contremasse arrière et l'élément tape-pavillon commun,
- ladite au moins une tige de précontrainte est serrée de manière à ce que les éléments électroactifs pris en sandwich entre la contremasse arrière et l'élément tape- pavillon soient contraints serrés entre ces derniers,
- le transducteur de type Tonpilz comporte des éléments électroactifs creux en forme de bagues ou anneaux ou disques troués et la tige de précontrainte est centrale/axiale,
- le transducteur de type Tonpilz comporte des éléments électroactifs creux en forme de bagues ou anneaux et le dispositif comporte un ensemble de tiges de précontrainte, les tiges de précontrainte étant extérieures aux éléments électroactifs,
- le transducteur de type Tonpilz comporte des éléments électroactifs creux en forme de bagues ou anneaux et le dispositif comporte un ensemble de tiges de précontrainte, une des tiges de précontrainte étant centrale/axiale et les autres tiges de précontrainte étant extérieures aux éléments électroactifs,
- le dispositif comporte une seule tige de précontrainte, ladite tige de précontrainte étant portée par l'axe antéropostérieur de révolution du transducteur de type Tonpilz,
- les éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz sont pleins et le dispositif comporte un ensemble de tiges de précontrainte, les tiges de précontrainte étant extérieures aux éléments électroactifs,
- l'élément tape-pavillon commun sert de support pour l'anneau électroactif du transducteur FFR par l'intermédiaire de suspensions en élastomère,
- l'élément tape-pavillon commun est plein,
- l'élément tape-pavillon commun est creux,
- l'élément tape-pavillon commun est ajouré,
- l'élément tape-pavillon commun est un cylindre,
- l'élément tape-pavillon commun est un cône, - l'élément tape-pavillon commun est plat,
- l'élément tape-pavillon commun est contourné,
- l'élément tape-pavillon commun est hémisphérique,
- l'élément tape-pavillon commun est lisse en surface,
- l'élément tape-pavillon commun est rainuré,
- l'élément tape-pavillon commun est structuré, en particulier en surface côté du transducteur de type FFR,
- l'élément tape-pavillon commun est en métal, notamment en acier, aluminium ou magnésium dans un alliage,
- l'élément tape-pavillon commun est un composite, notamment à base de verre ou de carbone,
- l'élément tape-pavillon commun peut être bi-matériau,
- l'élément tape-pavillon commun bi-matériau comporte un cœur en époxy et un pourtour métallique,
- l'élément tape-pavillon commun est ajusté pour réaliser un mode de papillonnage,
- l'élément tape-pavillon commun comporte au moins un orifice non traversant de fixation d'extrémité de tige de précontrainte,
- l'orifice non traversant est taraudé pour fixation d'une tige de précontrainte filetée,
- une cavité annulaire comportant un fluide est disposée contre la périphérie latérale du transducteur de type Tonpilz, au moins contre les éléments électroactifs,
- un anneau de garde constitué d'une masse métallique rigide est disposé en périphérie latérale du dispositif, au moins en regard du transducteur de type Tonpilz,
- l'anneau de garde forme un baffle rigide,
- l'anneau de garde est séparé des éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz par une couche de matériau,
- l'anneau de garde est séparé des éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz par la cavité annulaire,
- l'anneau de garde est séparé des éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz par la cavité annulaire et au moins une couche de matériau,
- l'anneau de garde est recouvert extérieurement, en périphérie du dispositif par une couche de matériau,
- l'anneau de garde et la contremasse arrière sont un seul et même élément,
- l'anneau de garde et la contremasse arrière sont des éléments distincts, - l'anneau de garde et la contremasse arrière sont séparés par une couche de matériau d'amortissement acoustique,
- la couche de matériau d'amortissement acoustique est un élastomère ou une mousse à cellules ouvertes ou fermées,
- l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est plaqué contre l'élément tape-pavillon commun,
- l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est enrobé au moins en partie par une matière de protection, l'anneau électroactif du transducteur de type FFR étant appliqué contre l'élément tape-pavillon commun par l'intermédiaire d'une couche de matière de protection et l'extrémité frontale de l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est fermée et un fluide est disposé à l'intérieur dudit anneau électroactif du transducteur de type FFR, ledit fluide venant au contact de l'élément tape-pavillon commun,
- le fluide de la cavité annulaire est choisi parmi : un gaz, une composition gazeuse, un liquide, un gel,
- le fluide disposé à l'intérieur de l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est choisi parmi : un gaz, une composition gazeuse, un liquide, un gel
- le liquide est un liquide d'adaptation d'impédance acoustique choisi parmi : l'huile de Ricin, des isoparaffines (notamment Isopar®), l'huile silicone, du Perfluorocarbone...
- le dispositif est recouvert d'une membrane d'étanchéité réalisant une compensation hydrostatique,
- le matériau constituant la matière de protection est le même que celui de la membrane d'étanchéité,
- les éléments électroactifs du transducteur de type Tonpilz et du transducteur de type FFR sont des céramiques piézoélectriques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la Figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention, et
- la Figure 2 représente la courbe de réponse en émission dudit dispositif.
La coupe de la Figure 1 passe par l'axe de révolution de symétrie du dispositif 1 d'émission/réception acoustique sous-marine, axe qui correspond aux axes frontaux d'émission avant de chacun des deux transducteurs Tonpilz et FFR ou, en d'autres termes, qui porte ces axes. Le transducteur de type Tonpilz 2, 3, 4, 5 est vers la gauche de la Figure 1 et, aussi, l'arrière du dispositif en considérant la direction d'émission frontale 13 du dispositif qui est orientée vers la droite de la Figure 1 . Le transducteur de type FFR 4, 6 est vers la droite de la Figure 1 et, aussi, l'avant du dispositif.
Le transducteur de type Tonpilz comporte de l'arrière vers l'avant du dispositif, une contremasse arrière 2, un empilement de disques piézoélectriques et plus spécifiquement ici des anneaux 3 piézoélectriques afin qu'une tige de précontrainte 5 puisse passer au centre de l'empilement, et un pavillon qui est l'élément tape-pavillon commun 4. La tige de précontrainte 5 est tendue entre la contremasse arrière 2 et l'élément tape-pavillon commun 4 afin d'appliquer une contrainte à l'empilement des anneaux 3.
Le transducteur de type FFR comporte de l'arrière vers l'avant du dispositif, l'élément tape-pavillon commun 4 et un anneau piézoélectrique 6. La partie centrale de l'anneau piézoélectrique 6 est fermée à l'avant par une paroi avant 8 et à l'arrière par l'élément tape-pavillon commun 4 et forme une cavité centrale fermée. Un fluide 7, par exemple un liquide qui est de l'huile de ricin, est disposé dans cette partie/cavité centrale de l'anneau piézoélectrique 6. Le fluide vient donc au contact de l'élément tape-pavillon commun 4. Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 1 , l'anneau piézoélectrique 6 ne s'applique pas directement sur l'élément tape-pavillon commun 4 et une couche d'un matériau est interposée entre les deux. Dans un mode de réalisation particulier, le pavillon-tape sert de support pour l'anneau électroactif du transducteur FFR par l'intermédiaire de suspensions en élastomère. Sur la Figure 1 , c'est la membrane d'étanchéité 1 1 qui sert également de suspension entre les deux 4, 6.
Cette combinaison des deux transducteurs Tonpilz et FFR présente un autre avantage dans le cas où les deux sous-bandes fréquentielles de chaque transducteur sont adjacentes et où le Tonpilz couvre la bande basse. En effet, la résonance de cavité du FFR peut être excitée par l'émission du Tonpilz et donc augmenter la sensibilité à l'émission du Tonpilz dans le haut de sa bande.
D'une manière générale, le transducteur de type Tonpilz peut être soit résiné, soit inséré dans un boîtier rempli d'un fluide dont les propriétés acoustiques sont adaptées au mode de fonctionnement recherché: par exemple, de l'huile de Ricin pour la transparence acoustique ou de l'air pour un bafflage. A noter que dans le cas où on utilise de l'air pour le bafflage, le baffle comporte un boîtier rigide qui renferme la cavité d'air et le transducteur est alors généralement limité à des immersions moins profondes.
Dans le dispositif 1 représenté Figure 1 , en périphérie latérale du transducteur de type Tonpilz, une cavité 9 latérale comportant un fluide, par exemple un liquide qui est de l'huile de ricin, est aménagée. Cette cavité 9 latérale est annulaire du fait que le transducteur de type Tonpilz est sensiblement cylindrique, tout comme l'autre transducteur, le FFR. La cavité 9 latérale s'étend en regard et contre au moins une partie de l'empilement des anneaux 3. Dans l'exemple représenté Figure 1 , cette cavité remonte sur une partie latérale de l'élément tape-pavillon commun 4 et ne vient pas au contact de la contremasse arrière 2, une couche 12 d'un matériau étant disposée entre les deux 9, 2.
Dans une variante de réalisation, le fluide est de l'air ou un gaz ou une composition gazeuse afin d'obtenir un effet de bafflage. La pression du fluide gazeux sera adaptée aux besoins.
Afin d'encore améliorer la largeur de bande de fréquence exploitable, on a disposé en périphérie du dispositif, en regard du transducteur de type Tonpilz, un anneau de garde 10. Dans cet exemple, l'anneau de garde 10 est distinct de la contremasse arrière 2 et est séparé d'elle par une couche de matériau à propriété d'élasticité, typiquement à module d'élasticité < 1 00 MPa ou, dans une variante, par un évent fluide. Dans le cas d'espèce, c'est la membrane d'étanchéité 1 1 qui recouvre également le dispositif qui forme la séparation.
Sur la Figure 2, la courbe de réponse en fréquence, pour l'émission, permet de visualiser les effets de chaque type de transducteur et l'apport de la mise en œuvre de l'élément tape-pavillon commun. Un dispositif à bafflage a été analysé pour produire cette courbe. Les fréquences les plus basses sont sur la gauche le long de l'axe des abscisses de fréquence. Le pas de graduation des ordonnées est de 10dB. La courbe représentée correspond au rapport de transmission par rapport au voltage appliqué, en dB en tant qu'unité arbitraire.
L'action du transducteur de type Tonpilz est visible dans la partie « Octave BF » avec principalement le mode masse-ressort MMR. On peut noter une remontée de la courbe vers les plus basses fréquences grâce à la mise en œuvre du bafflage qui crée un mode de cavité du baffle MCB.
L'action du transducteur de type FFR est visible dans la partie « Octave H F » avec principalement un mode radial de l'anneau MRA et, plus bas en fréquence, un mode de cavité de l'anneau MCA qui permet d'élargir la réponse en basse fréquence. Dans le mode d'utilisation préféré du dispositif, en fonction des fréquences basses ou hautes que l'on souhaite produire, on alimente seulement un des deux transducteurs par un courant alternatif de fréquence(s) en rapport avec celle(s) que l'on souhaite produire. Si on le souhaite, les ondes générées le sont d'une manière discontinue afin de permettre une réception entre les émissions. Le courant alternatif peut avoir une forme d'onde autre que sinusoïdale et notamment toute forme utile à la génération d'ondes pures et/ou avec des harmoniques et/ou autres effets linéaires ou non linéaires. On envisage cependant le cas où les deux transducteurs sont alimentés en même temps par des courants alternatifs adaptés à chacun d'eux.
On comprend que l'invention peut être réalisée de bien d'autres manières. Par exemple, on peut omettre l'anneau de garde 10 ou mettre en œuvre un élément monobloc formant à la fois la contremasse arrière 2 et l'anneau de garde 10. En outre, les disques ou anneaux 3 du transducteur de type Tonpilz et/ou l'anneau piézoélectrique 6 peuvent être réalisés de diverses manières connues notamment sous forme d'éléments de transduction monoblocs ou composites, dans ce dernier cas par assemblage de transducteurs élémentaires formant un disque ou un anneau.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine à large bande comportant au moins un transducteur de type Tonpilz (2, 3, 4, 5) et un transducteur de type FFR « Free Flooded Ring » (4, 6),
le transducteur de type Tonpilz (2, 3, 4, 5), de forme cylindrique, étant symétrique de révolution autour d'un axe antéropostérieur (13), ledit transducteur de type Tonpilz (2, 3, 4, 5) comportant des éléments disposés d'arrière vers l'avant le long de son axe antéropostérieur de révolution, lesdits éléments étant au moins : une contremasse arrière (2), des éléments électroactifs (3) et un pavillon avant (4),
le transducteur de type FFR (4, 6) étant symétrique de révolution autour d'un axe antéropostérieur, ledit transducteur de type FFR (4, 6) comportant des éléments disposés d'arrière vers l'avant le long de son axe antéropostérieur (13) de révolution, lesdits éléments étant au moins : une « tape » (4) et un anneau électroactif (6),
caractérisé en ce que les transducteurs de type Tonpilz et de type FFR sont alignés, leurs axes antéropostérieurs de révolution se superposant, le transducteur de type Tonpilz étant disposé vers l'arrière et le transducteur de type FFR étant disposé vers l'avant et ayant leurs directions d'émission frontale respectives orientées vers l'avant, et en ce que les transducteurs sont combinés au sein du dispositif par mise en commun d'un de leurs éléments, ledit élément commun, dit élément tape-pavillon (4), étant la « tape » du FFR et le pavillon du Tonpilz.
2. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins une tige de précontrainte (5) est étendue antéropostérieurement entre la contremasse arrière (2) et l'élément tape-pavillon (4) commun.
3. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément tape-pavillon (4) commun sert de support pour l'anneau électroactif du transducteur FFR (6) par l'intermédiaire de suspensions en élastomère.
4. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une cavité annulaire
(9) comportant un fluide est disposée contre la périphérie latérale du transducteur de type Tonpilz, au moins contre les éléments électroactifs (3).
5. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un anneau de garde (10) constitué d'une masse métallique rigide est disposé en périphérie latérale du dispositif, au moins en regard du transducteur de type Tonpilz.
6. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'anneau de garde (10) et la contremasse arrière (2) sont des éléments distincts.
7. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'anneau de garde et la contremasse arrière (2) sont séparés par une couche (12) de matériau d'amortissement acoustique.
8. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau électroactif (6) du transducteur de type FFR (4, 6) est enrobé au moins en partie par une matière de protection, l'anneau électroactif (6) du transducteur de type FFR étant appliqué contre l'élément tape-pavillon (4) commun par l'intermédiaire d'une couche de matière de protection et en ce que l'extrémité frontale (8) de l'anneau électroactif du transducteur de type FFR est fermée et un fluide (7) est disposé à l'intérieur dudit l'anneau électroactif du transducteur de type FFR, ledit fluide venant au contact de l'élément tape-pavillon (4) commun.
9. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide de la cavité annulaire (9) est choisi parmi : un gaz, une composition gazeuse, un liquide, un gel et en ce que le fluide (7) disposé à l'intérieur de l'anneau électroactif (6) du transducteur de type FFR est choisi parmi : un gaz, une composition gazeuse, un liquide, un gel.
10. Dispositif (1 ) d'émission/réception acoustique sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments électroactifs (3) (6) du transducteur de type Tonpilz et du transducteur de type FFR sont des céramiques piézoélectriques.
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