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pour! DISPOSITIF POUR LA TRANSFORMATION DE L'ENERGIE ACOUSTIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE, ET INVERSEMENT.
La. présente invention, tout! en ayant un champ d'applications plus large, concerne,, en particulier des dispositifs destinés à transformer lénergie acoustique en énergie électrique et inversement. Dans une application parti- culière, la présente invention concerne une membrane,.
II a été reconnu, depuis longtemps, pour'des raisons théoriques, qui n'ont pas besoin d'être rappelées lei, que le dispositif idéal pour émettre un faisceau concentré d'énergie acoustique dans un milieu liquide ou gazeux, ou pour recevoir dtune manière sélective, un faisceau d'énergie acoustique dirigé et pour convertir cette énergie en énergie
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électrique, et constitué par une membrane dont les dimensions sont grandespar rapportà la longueur d'onde de l'énergie acoustique dans le milieu considéré, et dans laquelle tous les points de la surface émettrice vibrent En phase et avec des amplitudes égales comme un piston.
la membrane métallique ordinaire, généralement employée à l'heure actuelle, ne satisfait pas complètement à cette condition idéale. Elle ne peut pas se déplacer comme un piston car elle'se trouve fixée le long de sa périphérie,. Une telle membrane peut introduire une dispersion de l'énergie -rayonnée par production d'hermoniques es qui aura pour effet que les différentes parties de la membrane ne seront pas en phase de sorte que l'énergie transmise ne se trouve pas convenablement dirigée,. Il est bien connu qu'un tel diaphragme, pour constitter un moyen de transmission efficace, doit être accordé sur la fréquence de l'énergie acoustique émise ou reçue.
A des fréquences très élevées utilisées dans les disposidfs à fréquence ultra-audible, par exemple 30 ldilocycles, un disque vibrant; en résonance à la manière d'une membrane téléphonique habituelle devient totalement inutilisable.' Pour de telles fréquences, un disque ou une plaque en résonance est contitué plutôt comme un cylindre court.
Dans une membrane habituelle fixée le long de sa périphérie et vibrant suivant sa fréquence fondamentale, toutes les parties se déplacent à tout instant dansla même direction, c'est-à-dire qu'elles sont en phase. Dans la membrane décrite dans la présente invention, le plan médian parallèle et équidistant des deux ;faces de la membrane
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se déplace d'une mâniére non appréciable suivant son axe, c'est à dire qu'il constitue un noeud; au contraire, les deux faces de la membrane se déplacent suivant l'axe dans les directions opposés à tout instant, c'est à dire qu'elles vibrent: en opposition de phase,.
Cette forme de vibration, pour une fréquence particulière, est obtenue eh donnant à l'épaisseur de la membrane, c'est à dire à la longueur mesurée suivant l'axe une valeur sensiblement égale à une demi-longueur d'onde du son dans la substance dont est constituée la membrane. On appellera plus loin "vibration de dilatation" le mode .de fonctionnement de cette membrane.
Tout élément longitudinal de la membrane se trouve, dans ce cas, comprimé et dilaté suivant l'axe de la membrane et parallèlement à celui-ci.La partie centrale de la membrane qui constitue un noeud et qui ne subip aucun déplacement longitudinal, subit néanmoins,pendant ce temps. des compressions et des dilatations perpendiculaires à l'axe dans le plan nodal CI 0'est pour permettre à de déplacement transversal, dans le plan nodal, que la membrane se trouve subdivisée comme indiqué ci-dessous.
L'objet de la présente intention est un convertisseur d'énergie très sensible du. type décrit ci-dessus.$ susceptible de transformer l'énergie acoustique en énergie électrique ou inversement avec un rendement supérieur à celui qu'il a été possible de réaliser jusqu'à présent.
Un autre objet de la présente invention est un nouveau piston acoustique perfectionné. Dans la description qui suit ce piston perfectionné sera appelé membrane par'analogie avec les dispositifs existants.
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Un autre objet de l'invention est une membrane divisée dont les différentes part: les, ou secteurs.sont convenablement dimensionnées et mues individuellement en phase les unes avec les autres de maniérée, ce que la membrane vibre comme un seul bloc.
Un autre objet de l'invention est une membrane divisée en secteurs subissant des dilatations et des compressions trans- versales de marne qu'elles' subissent des compressions et des dila- tations longitudinales suivant leur axe.
Un autre objet de l'invention est une nouvelle membrane métallique soumise à des vibrations de dilatation.
Un autre objet de l'invention est une nouvelle membrane excitée par des organes moteurs actionnés par des forces internes, telles que les forces mises en jeu par exemple par magnéte-strietion ou piezo-électricité.
Un autre objet de l'invention est une membrane particu- lièrement ,adaptée pour les fréguences ultra-ausdibles.
Enfin, d'autres objets de l'invention seront exposés ci-dessous et en particulier précisés dans le résume,
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté aus dessins annexés plusieurs fermes de réalisation du dispositif faisant l'objet de l'invention. vue 1,
La fige 1 est uns /en plan de la forme de réalisation préférée de la membrane-piston.
La fig. 2 est une section suivant la ligne 2-2 de la fig. 1 vue dans'le sens des flèches. , ,
La fige , est une vue en perspective à plus grande échelle dans laquelle l'un des éléments moteurs à magnéto-striction et une des bobines d'excitation sont vus en section, : II
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.La fig. 4 est une vue en perspective d'une autre forme de réalisation.'
La Fig. 5, est une vue schématique des circuits et des appareils employés dans le cas où la membrane est commandée par cristaux pizeo-électriques.
L'invention telle que décrite ci-dessous et représentée aux dessins annexés s'applique à un transmetteur ou à un récepteur à fréquence ultra-audible; il est toutefois évident que l'invention n'est pas limitée à ce cas particulier et peut être appliquée à d'autres types de transmetteurs et de récepteurs Le dispositif, lorsqu'il est utilisé sous l'eau, peut être monté - dans un carter tournant immergé ou bien il peut être fixé sur n'importe quel support 1, par exemple sur la paroi d'une coque de navire à l'aide de boulons 3 passant à travers des ouvertures ( ménagées dans une partie extérieure 2, relativement immobile, servant d'anneau d'inertie.
La partie intérieure vibrante 4 de la membrane, en forme de'disque de cylindre est reliée à la parbie postérieure annulaire 2 par un joint annulaire 6 relativement mince disposé entre ces deux parties, Une liaison métallique uniforme est obtenue de cette façon entre l'anneau extérieur. 2 et la membrane 4,. Lé joint 6 est suffisam- ment mince pour être quelque peu flexible de manière à permettre à la face émettrice '1 de la membrane 4 de vibrer sensiblement comme un piston avivant une direction normale à cette face, toutes les flexions ayant lieu sensiblement dans le joint 6 Bar suite de la grande masse de l'anneau d'inertie 2 les vibrations de la membrane ne sont pas transmises à ce dernier.
Tous les points des faces supérieure et inférieure des éléments cylindriques soumis à des vibrations de dilatation
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et formant la membrane, doivent vibrer en phase sue chacune des faces; ces éléments cylindriques individuels doivent svoir un diamètre aussi grand et une longueur aussi petite que possible,.
Toutefois, le rapport et la section transversale à la longueur axiale se trouve limité à une valeur faible parce que le cylindre a une tendance à vibrer, non seulement sur sa fréquence fondamentale mais également suivant plusieurs harmoniques; ce qui a pour effet l'apparition de lignes noda- les sur sa face inférieure émettrice ?, Ce phénomène se trouve aggravé par le fait que si le diamètre-de la membrane est grand par rapport à sa longueur axiale, les v ibrati ons trans- versales nécessaires se produisant dans le plan médian de la membrane se trouvent diminuées. Par suite, certaines parties de cette face émettrice ont une tendance à vibrer en opposition de phase les unes avec les autres.
Dans ces conditiobs,les vibrations émises par la face transmèttrice 7 s'annuleront les unes des autres à une certaine distance dans le milieu où ces vibrations sont transmises, de sorte que la membrane ne pourra émettre d'une manière efficace un faisceau dirigé d'énergie acoustique. Ces considérations sont particulière- ment importantes pour les fréquences élevées.
La partie 4 de la membrane représentée dans les fig,, 1, 2,3 et 4 se trouve par suite divisée en secteurs,, Conformé.-- ment à là forme. de réalisation représentée dans ces dessins, ces secteurs sont de deux espèces; d'une part, un noyau central 8 en forme de disque de cylindre et, d'acre part, sept éléments extérieurs 10 ayant chacun la forme d'un secteur d'une couronne divisée.
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Toutefois, il est bien entendu que cette disposition circulaire n'est indiquée qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres dispositions peuvent être également employées.
C'est ainsi qu'un assemblage rectangulaire d'éléments à section carrée peut être utilisé théoriquement; toutefois, des disposi tifs de fixation destinés à maintenir une membrane rectangulaire ne sont pas uniformes tout le long de leur périphérie ce qui a pour résultat un manque de sécurité de fonctionnement On peut également employer des formes hexagonales ou autres.
Les éléments en forme de secteurs 10 sont rigidement reliés entre eux par des nervures relativement minces 12 disposées radialement au voisinage des faces supérieure ou inférieure de ces éléments, et sont reliées à l'élément central 8 par une nervure mince 13 analogue au précédent mais de forme circulaire. Ces éléments se trouvent de cette manière couplés mécaniquement de sorta qu'il est pesaible de les commender individuellement , chacune des faces opposées 7 et 9 de la membrane 4 vibrera comme un piston, les faces 7'et 9'ayant des phases'opposées.
Les membranes ainsi constituées pourront être réalisées conve. nablement par moulage.
La membrane 4.se trouve de cette manière divisée en huit éléments résonants et les espaces compris entre les nervures 12 et13 permettent aux:plans médians nodaux de ces éléments individus de vibrer transversalement indépendamment les uns des sans autres/que ces élément réagissent d'une manière défavorable les uns surles sutres et sans introduire, par suite, de vibrations de. phases différentes dans les différentes parties de la face émettrice 7. Ces espaces compris entre les nervures I2 et ceux compris entre les nervures 13 ne doivent pas être larges ;
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la valeur minima de la largeur transversale de ces espaces est déterminée surtout par des considérations de facilité de moulage.
Afin de rendre plus facile la fabrication, on peut supprimer'comme indiqué en figures 2 et 3 certaines de ces nervures 12 et 13 disposées près de la face supérieure ou inférieure de"la membrane. De même, le joint 6 reliant les parties mobile et immobile'du dispositif peut , ;
. être disposé de manière différente par exemple près de'la face motrice de la membrane, au lieu d'être disposé près de la face émettrice ou réceptrice comme indiqué sur le dessin. la membrane étant soumise comme indiqué ci*-' dessous à des'vibrations dites de dilatation, il existe un noeud de déplacement longitudinal à mi-distance entre les faces 7 et 9, et des ventres de déplacement longitudinal sur ces faces 0 - Il y a lieu de remarquer que les éléments de la. membrane sont'supportés par le joint annulaire 6 au voisinage de ces ventres de déplacement.
Conformément à la forme de réalisation préférée de la. présente invention, la commande des éléments individuels 8 et 10 est réalisée par magnéto-striation, Dans ce but, chacun des éléments 8, et 10 de la membrane se trouve muni d'un noyau magnéte-strictif 14-de manière à produire la commande indivi- duelle de ces éléments 8 et 10. Le noyau 14 peut, bien entendu, être remplacé par des cristanx piezo-électriques 24 comme indiqué en figure 5; ou bien ces éléments peuvent?'être encore commandés de toute''autre manière voulueLorsqu'ils sont actions nés par magnéto-striction ou piezo-électricité, les éléments 8 et 10 sont commandés au moyen de forces internes réversibles afin d'obtenir des fréquences élevées.
Les noyaux 14 peuvent
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'âtre réalisés en toute matière magnéto-strictive que l'on voudra. Un tube de dickel mince en résonance avec les éléments
8 et 10 auxquels il est fixé fonctionne très bien en pratique.
Une tête plate 16, filetée intérieurement, peut être fixée rigidement à l'extrémité inférieure du noyau 14, cette tête servant à visser son noyau sur un boulon 18 rigidement fixé aux éléments 8 et 10 de la membrane. Les noyaux 14 peuvent être entralnés individuellement et simultanément en'vibration au moyen de bobines d'excitation dont l'une se trouve repré- sentée en 20, ces bobines étant alimentées par toute source d'énergie convenable. Ces bobines peuvent également appliquer aunoyau une polarisation magnétique constante.
Les vibrations du noyau 14 sont de telle nature qu'il exécute des mouvements de compression et de dilatation longitudinales, les extrémi- tés libre et fixée à la membrane étant en mouvement tandis qu'un ou plusieurs noeuds se trouvent convenablement répartis le long du noyau.
Les vibrations de l'extrémité intérieure du noyau 14 sont transmises à l'élément 8 ou 10 auquel il est fixés et cet élément subit à son tour des vibrations de dilatation, l'amplitude de la vibration dépendant, d'une part, de la différence entre la fréquence propre de l'élément et des fréquences de commande et de résonance du noyau 14, et d'autre part de la valeur des pertes dues au frottement: interne). Théoriquement, le noyau 14 et l'élément auquel il est fixé doivent avoir sensiblement la même fréquence propre, II n'est pas nécessaire de prévoir d'autres masses que celle du tube lui-même pour transmettre la vibration du tube au diaphragme.
Le but de l'écrou plat 16 est de fournir des moyens d'assemblage convenables des noyaux 14 avec la face 9
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de manière à réaliser un couplage serré entre le noyau 14 et cette face 9. Toutefois, cet éorou plat a une influence sur la fréquence de résonance du dispositif de commande ainsi qu'on va le montrer ci-dessous.
On peut montrer, par le calcula et vérifier par Inexpérience que les longueurs optima des tubes 14 sont données par des séries de valeur résultant de l'équetion L= #/# (#/2# + K/4#) dans laquelle v est la vitesse de propagation longidutinale du son dans le métal constituant le tube, f la fréquence de commande, k un nombre entier impair quelconques tandis que qui est indépendant de L est déterminé par la masse de la tête filetée d'après l'équation # = ave tg V/2## #/M m0 étant la masse par l'unité de longueur du tube et L étant la masse totale de l'écrou.
L'équation donnant la. valeur de L montre que les valeurs'optima successives sont obtenues en commençant par la valeur la plus petite
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L - 1\ (!l- ..L) poUr k = 1 et en augmentant la longue ainsi obtenue par des additions successives de i/2 #, # représentant la longueur d'onde.
Lorsque'les éléments 8 et 10, les noyaux 14 et les bobines 20 sont convenablement'dimensionnées,'et lorsque les courants dans les bobines 20 sont en phase, les éléments 8 et 10 sont mûs à l'unisson de sorte que la face émettrice 7-de la membrane 4 vibrera comme un seul bloc à;la fréquence de résonance par exemple 30 kilocycles, son mouvement se rapprochant de très près de celui d'un
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véritable piston.Les nervures 12 et 13 sont courtes de sorte qu'elles ne peuvent avoir de fréquence''de vibration inférieure à 30 kilocycles, De cette manière, ces nervures n'introduiront aucun harmonique perturbateur dans le mouvement de la face 7 de la membrane.
La membrane 4 par suite présente ,vers le ' milieu, tel que l'eau une face'? sensiblement plane dont toutes les parties se trouvent en concordance de phase . la forme des différentes parties du disposififs peut varier suivant le but envisagé, Ainsi que le montre la figure 4 une couronne supplémentaire 15 de secteur peut être interposée entre les secteurs 10 et l'anneau 2, les deux couronnes de secteurs étant séparées par un joint 17 semblable au joint 6. Malgré cette modification, la membrane' constitue néanmoins une pièce compressible fonctionnant de la manière décrite ci-dessus.
Il est préférable de constituer la membrane avec un métal ayant une faible viscosité mécanique,, L'aluminium a une faible viscolité, ces pertes élastiques et son décrément sont faibles ,et se prête à la réalisation dune membrane très satisfaisante.
Le fonctionnement de la-membrane peut être amélioré an utilisant un aliage d'aluminium avec 5% de silicium.Le tout en ne modifiant; pas sensiblement les qualités du métal au point de vue vibrations, abaisse la température de fusion et facilite, par suite, les opérations de fonderie,
Il est désirable de présenter au milieu dans lequel les vibrations sont transmises une surface vibrante aussi grande que possible avec la forme la moins compliquée. Les éléments individuels ou secteurs 10 et 8 doivent avoir par conséquent une surface émettrice 7'aussi grande que possibles
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le métal constituant la membrane doit donc être tel que la vitesse de propagation du son à travers ce ,métal soit grande.
La vitesse de propagation du. son dans l'aluminium est grande , et ce métal possède, comme indiqué ci-dessus, une faible viscosité mécanique.
Il est possible d'évaluer les dimensions les plus convenables des éléments formant la membrane. Pour des éléments cylindriques, tels que l'élément 8, la limite minima du rapport de la longues au rayon de la section transversale est en pratique de 3 à 1 pour toutes les fré- quences. Si ce rapport était très inférieur' à cette valeur, l'élément'-ne vibrerait pas d'une manière simple comme décrit ci-dessus, des séries de lignes nodales apparaissant sur la face émettrice par suite de la diminution de la Vibration transversale qui doit se produire nécessairement dans le plan médian.
Le même rapport s'applique, approximativement aux éléments rectangulaires et en forme de secteurs, à condition de remplacer le rayon par la moitié d'un coté de la section carrée ou par la moitié de la longueur de l'are moyen du secteur. La longues est déterminée par la fréquence désirée et par la vitesse de propagation du son dans la Entière dont est fait l'élément.
Pour des éléments en alumi- nium, on a trouvé que les dimensions suivantes posaient convenir à.- .le, fréquence de 30 kilocycles a = 2,5 cm, environ
L - 7,5 cm environ a étant de rayon'de l'élément 8 ou la moitié de la longueur de l'arc moyen de la section transversale des éléments la,et L étant la hauteur de ces éléments,, Le rapport de la longueur à la largeur n'est pas sensiblement inférieur de cette façon à 3/2.
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Les fréquences e résonance de deux cylindres courts de longueur égale et de sections d'aires égales mais dont une est circulaire et l'autre carrée sont presque mais pas tout à fait égales. Si le nombre des secteurs 10 a été choisi convenablement, leur section ne sera pas très différente de la section du noyai central q, ,, Bn disposant; convenablement les choses, les sections des blocs'8 et 10 peuvent tre rendues exactement égales*, le rapport entre la largeur de l'arc moyen et l'épaisseur dans le étant sens du rayon/égal à l'unité pour chacun des secteurs.
Le degré d'approbation avec lequel ce rapport est égal à l'unité dépend du nombre de blocs disposés sur la couronne, il devient d'autant meilleur que le rayon moyen de la couronne devient plus grande Dans le projet du diaphragme$ on calcule le nombre des blocs dans la couronne donnée.
L'écart de la valeur du rapport ci-dessus entre la largeur et l'épaisseur, à partir de l'unité, rendu nécessaire pour égaliser l'aire des sections, n'introduit qu'une erreur négligeable dans le calcul de la fréquence,
L'on trouve cependant que par suite de la différence de forme entre le bloc 8 et les blocs 10 et de l'effet de charge dû aux nervures 6, 12 et 13, que la hauteur du bloc 8 peut, dans certaines conditions, être légèrement différente de celle des blocs 10, sinon la fréquence du bloc central 8 serait légèrement différente de celle des autres blocs 10. Les dimen. sions exactes ne peuvent pas être calculées aisément;mais on peut les vérifier expérimentalement.
Dans la figure , le bloc central 8 est représenté légèrement plus court que les blocs annulaires 10 et les faces supérieures des nervures 12 et 13 sont disposées sur le même plan que la face supérieure dù secteur central. Ces nervures ne doivent pas, bien entendu,
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tre placées plus bas à un point nodal de détente ou de contraction, mais elles peuvent être disposées à un autre endroit ,
La fréquence d'une tige vibrant longitudinalement peut être calculée même lorsque le rapport an rayon de la section à la longueur devient grand, en faisant une correction convenable pour l'inertie dans le sens du rayon.
Si la longueur n'est pas grande par rapport au diamètre de la tige, l'zxpres- sion de la fréquence de résonance d'une tige courte et grosse, de section elliptique ou rectangulaire est dtaprès Ohree (Quart. Math, Journal, Vol. 23, page 3I7, 1889)1
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'.?. Â F- 7/-4 p * YZ . tif D{7Ïft z où f est la fréquence en cycles par seconde, k un entier quelconque pair ou impair, L la longueur totale de la barre, E le module d'élasticité: d@ la densité, P le coefficient de poisson pris normalement comme égal à I/3, et K le rayon de gyration de la section autour de l'axe'perpendiculaire à son plan.
L'équation ci-dessus est applicable aussi au cas où K/L est petit. Dans ce cas elle se réduit à; # = K/2L # formule bien connue pour la fréquence des vibrations longitudina- les d'une barre mince.
La différence entre cette formule et celle plus exacte d de Chree pour le cas générale est un petit terme de correction - atteignant à peu près 3% pour les barres dont le rapport da
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rayon ou du demi-côté du rectangle de la section %A>, la longueur est à peu près de 1 à 3.
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Le rapport E/d qui est le carré de la vitesse de propagation peut être évalué par des expériences réalisées sur le corps utilisé et. le résultat peut être utilisé pour le calcul de nouveaux vibrateurs fabriqués avec le même corps.
En appliquant ces formules pour les fréquences des- blocs$ on trouve pour a = 2,5 cm. comme ci-dessus que la longueur'coresspôndante du bloc central 8 en aluminium, déterminée pour une fréquence de 30 kilocycles est de
L = 8 cm.
Ceci donne une valeur suffisamment approchée du rapport 3 à 1 mentipnné ci-dessus.Dans la pratique on peut cependant obtenir de bons résultats-avec des rapports atteignant et même dépassant 20 à 1. L'épaisseur du diaphragme est égale à une demi-longuétur d'onde de la vibration dans le corps constituant ce diaphragme ou à un multipe entier de la demi-longueur d'onde,
Ces dimensions conviennent pour une fréquence de 30 kilocycles.Pour augmenter ' aire de la surface 7 énettant le son de cette fréquence, il est préférable d'ajoutèr des couronnes supplémentaires 22 de secteurs entre la couronne de secteurs 10 et la couronne fixe 2, comme le montre la fig. 4.
Suivant la modification représentée dans la figure 5, chacun des blocs est actionné par un cristal pieso-électrique 24 fixé d'une manière rigide par une de ses faces au moyen d'un ciment convenable à la face supérieure 9 du bloc. Les électrodes du cristal peuvent être constituées Par-une couche de feuille d'étain 26 recouvrant deux faces opposées du cristal, mais tout autre type d'électrodes convenables peut être employée
Les couches de feuille d'étain ou les électrodes
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d'autre type peuvent etre reliées au moyen de conducteurs 28 en dérivation à une bobine 30 couplée à une bobine 32 'dans le circuit de sortie d'un'oscillateur àtube à vidé 34 ou à toute autre source de courant alternatif.
La fréquence de cet oscillateitr peut être réglée au moyen d'un condensateur d'accord 36. Un autre condensateur 38 en parallèle sur les
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vibrateurs-a'cristaux 24 peut 0tre "employé pour régler la tension sur les dits'cristaux.
Il va de soi que l'invention n'est pas, limitée aux formes de'réalisation représentées ici, mais qu'elle est susceptible de subir des modifications et des changements dépendant de l'habilité de l'homme du métier, toutes ces modifications et changements tombant cependant dans l'esprit et dans le but de l'invention telle qu'elle est définie dans les revendications jointes,
REVENDICATIONS
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"Ayant ainsi décrit mon'inVènt1on et me réservant d'y ap porter tous perfectionnements ou modifications qui me paraitraient nécessaires, je revendique comme ma propriété exclusive et privative:
1.
Diaphragme pour la transformation d'énergie électrique en énergie acoustique ou ultra-sonore, ou vice...versa, vibrant de manière à présenter un noeud et un ventre et caractérisé par le fait quilà est supporté à proximité dudit ventre.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.