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" Elément piezo-électrique à flexion "
Les lames de cristal piezo-électrique, comme on le sait, lorsqu'on les tend sur une de leurs faces, la face supérieure, par exemple, possèdent la propriété de développer une charge électrique positive sur cette face et une charge négative sur l'autre face, c'est-à-dire, dans le cas envisagé, sur la face inférieure. Si, au contraire, les lames sont com- primées,en supposant, bien entendu, la même orientation ,cristallographique, c'est l'effet inverse qui se produit : une charge négative appariait sur la face supérieure et une charge positive sur la face inférieure. Cet effet est rever- sible, c'est-à-dire que les lames se dilatent ou se contractent lorsqu'on charge électriquement leurs surfaces d'une façon correspondante.
La force électro-motrioe ainsi développée ou
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transformée en effort mécanique correspond au produit de 1' épaisseur par la dilatation ou la contraction de la lame.
L'utilisation de cet effet pour des appareils enregis- treurs ou reproducteurs du son se fait usuellement au moyen d'éléments dits à flexion. Ceux-ci, en règle générale, se composent de deux lames de cristal piezo-électrique de même grandeur, rigidement reliées l'une à l'autre et munies d'un revêtement métallique sur leurs farces supérieure et inférieure ainsi que sur leur face de contact.Les deux revêtements ex- érieurs connectés l'un à l'autre forment l'un des pôles; le revêtement médian forme l'autre pôle.
Suivant le mode de réalisa tion de l'élément la déformation qui se produit dans les lames peut être une flexion simple ou une torsion. Comme les lames ont la même résistance à la flexion, la zone neutre pour la flexion est située dans la face de contact des lames; par conséquent, au cours de la déformation l'une des lames se contracte pendant que l'autre se dilate. Comme les deux lames ont la même orientation cristallographique, les revête- ments des deux faces externes prennent un potentiel de sens inverse de celui du potentiel du revêtement des faces en contact.
Les deux lames cristallines sont donc connectées en parallèle.
Leur dualité agit sur l'intensité du courant fourni par l'élément, mais non sur sa force électro-motrice. Mais dans les appareils qui utilisent les éléments à flexion, c'est pratiquement la force électro-motrice qui seule intervient et non l'intensité du courant ; des lames peut donc être sup- primée si l'on a soin que la grandeur de la déformation de l'au- tre lame ne se trouve pas modifiée de de fait.
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La présente invention consiste é remplacer l'une des lames de cristal piezo-électrique par une lame de substance quelconque non piezo-électrique et possédant une épaisseur telle que les deux plaques offrent exactement la même raideur de flexion afin que, pendant la déformation de l'élément, le'plan neutre coincide avec le plan de contact des lames.
On connai t déjà des éléments piezo-électriques à flexion formés d'une lame cristalline et d'une lame non cristalline, par exemple d'une lame métallique. Mais, jusqu'ici, on s'est conten- té, en pareil cas, d'imposer à la seconde lame la condition d' être assez forte pour opposer une résistance considérable à la contraction ou à la dilatation. On obtient ainsi des éléments dont la zone neutretombe à l'intérieur d'une des lames et qui, en conséquence, pour une meme épaisseur de la lame cristalline ont un rendement plus faible que les éléments à deux lames cris- tallines. Les figures 1 et 2 en expliquent la raison.
Par l'ex- pression rendement de l'élément, on désigne le rapport entre la force électro-motrice développée aux pôles de l'élément et l'effort mécanique dé veloppé par lui ou exercé sur lui.
; La figure 1 montre une partie de l'élément de flexion en état de déformation.L'élément se compose des deux lames 1 et 2 et des revêtements 3 et 4. On a représenté le cas où la plaque non cristalline 1 est moins résistante à la flexion que la lame cristalline 2. La zone neutre de l'élément se place alors à 1' intérieur de la lame cristalline et non dans le plan de contact des deux lames, plan dans lequel est placée une électrode 3. La couche située entre les plans 5 et 3 est donc comprimée et son effet piezo-éleotrique est opposé à celui qui se produit dans la couche située entre les plans 5 et 4.
L'effet total;qui
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@ serait proportionnel à la surface du triangle ABC si la zone neutre tombait dans le plan 3, n'est même plus proportionnel à la surface plus faible du triangle ADE, mais seulement à la différence des surfaces des deux triangles ADE et CEF .
La figure 2 représente la même portion d'élément, mais dans le cas où la lame non cristalline 1 est celle qui offre le plus désistance à la flexion. La zone neutre 5 tombe alors 4 l'intérieur de la lame 1. Dans ce cas, la dilatation de la couche cristalline 2 est, il est vrai, plus grande que si la zone neutre coïncidait avec le plan du revêtement 3;mais pour produire cette dilatation et la force électro-motrice corres-pondante, il a fallu développer un effort mécanique proportionnellement beaucoup plus Grand, ce qui diminue le ren- dement de l'élément. En effet, ce n'est pas seulement toute la lame cristalline 2 qui est tendue ; mais aussi la couche 12 de la lame 1.
Cette couche composite est maintenue en équilib-re, du point de vue de la flexion, par la couche 13 de la lame 1.
L'effort mécanique, dans le cas de la figure 2, dépasse donc du double de la résistance de la couche 12 l'effort à exercer sur un élément qui se composerait de deux plaques cristallines ayant l'épaisseur de la lame 2. Dans le Cas d'un élément géné- rateur de son, ce supplément d'énergie mécanique devra être utilisé, tandis que dans le cas d'un élément enregistreur de son, il serait pe-rdu pour l'effet utile.
La fig.3 montre l'absence de proportionn alité entre l'augmentation de la force électro-motrice due à l'augmentation de la dilatation de la plaque 2 et l'effort mécanique développé .
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On a supposé que l'épaisseur totale de l'élément et l'angle de flexion restent les mêmes; et que les lames 1 et 2 ont la même épaisseur. Quand l'épaisseur de la couche 12 augmente,le gain, en force électro-motrice par rapport à la valeur initia. le augmente comme l'épaisseur de la couche 12 par rapport à l'épaisseur totale de l'élément. Sur la figure 3, on a porté en abscisses le rapport entre l'épaisseur de la Touche 12 et l'épaisseur totale de l'élément, en ordonnées le rapport entre l'effort de flexion développé et l'effort correspondant dans un élément pour lequel les plans 3 et 5 coincideraient. On voit que, pour un effort mécanique quadruplé, l'augmentation de force électro-motrice n'est que de 20 % environ. Ce défaut
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depxoportionn.-alité s'accentue lorsque l'épaisseur d-je la cou- che 12 augmente.
Le cas limite serait celui où la zone 5 tom- berait au milieu de la plaque 1. L'abscisse correspondante serait alors 0,25 et l'ordonnée serait infinie. Ce résultat est, du reste, facile à établir à priori, car le cas envisagé signifie que.la résistance de la lame cristalline à la flexion serait négligeable par rapport à celle de l'autre la- me ; cettedernière serait donc absolument rigide,,
Le rendement d'un élément piezô-électrique dans lequel on
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awemplacé une des lames par une lame non piezo-électrique ne peut donc être maintenu que si,conformément à l'invention, la zone neutre reste dans le plan de contact des deux éléments, c'es t-à-dire que si les deux plaques ont même raideur absolue à la flexion.
Tel est le cas lorsque le rapport entre l'épaisseur des deux lames est égal à l'inverse du rapport des racines cu- biques des modules d'élasticité des matières dont les lames
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sont faites.L'invention permet alors d'économiser l'une des laines piezo-électriques. On sait que le prix de ces lames est très élevé.
Comme la condition à remplir pour réaliser l'invention se limite à un dimensionnement convenable des lames, on peut employer une matière quelconque pour constituer la lame non piezo-électrique; on peut donc la choisir en tenant compte d'autres conditions dictées par exemple par des considérations de technique électro-acoustique ou vibratoire. On peut employer des matières qui donnent à l'ensemble de l'élément un amortis- sement dét erminé, ou qui influencent l'amortissement dans telle ou telle direction.La matière peut aussi être conduc- trice de l'électricité et, dans ce cas,elle peut en même temps remplacer le revêtement situé dans la zone neutre.
Si, au contraire, la lame non piezo-électrique est faite en une matière non conductrice et que l'un des pôles de l'élément à cristal doive avoir la forme d'un écran,on peut agrandir le revêtement extérieur de la lame cristalline de façon à lui faire enserrer les deux lames . La lame piezo-électrique, ou même les deux lames peuvent se composer de plusieurs lamel- les superposées , en appliquant, bien entendu, à l'épaisseur totale de chacune des deux lames la règle qui fait l'objet de l'invention.
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