EP2670536B1 - Transducteur électro-acoustique basse fréquence et procédé de génération d'ondes acoustiques - Google Patents

Transducteur électro-acoustique basse fréquence et procédé de génération d'ondes acoustiques Download PDF

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EP2670536B1
EP2670536B1 EP12707834.3A EP12707834A EP2670536B1 EP 2670536 B1 EP2670536 B1 EP 2670536B1 EP 12707834 A EP12707834 A EP 12707834A EP 2670536 B1 EP2670536 B1 EP 2670536B1
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EP
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acoustic
cylindrical part
transducer
frequency
electroacoustic
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Frédéric MOSCA
Marcel VIAL
Gilles GRENINGUEY
Guillaume Matte
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iXBlue SAS
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iXBlue SAS
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • 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
    • B06B1/06—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
    • 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
    • B06B1/0622—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 on one surface
    • B06B1/0633—Cylindrical array
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • B06B1/0611—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 in a pile
    • B06B1/0618—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 in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
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    • H04R1/403—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers loud-speakers
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/44—Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to an electro-acoustic transducer for underwater acoustic communication or else for underwater acoustic tomography. More precisely, the invention relates to a submersible electro-acoustic transducer operating in the low frequency range (less than 1 kHz) compatible with great depths of immersion (greater than 3000 m.) And having great autonomy. The invention also relates to a method for generating low frequency, wide bandwidth acoustic waves.
  • An electro-acoustic transducer is used for transmitting and / or receiving acoustic pressure waves.
  • an acoustic transducer transforms an electrical potential difference into an acoustic pressure wave, and vice versa in reception mode.
  • a transducer has a frequency bandwidth and has a so-called center frequency which corresponds to the middle of the bandwidth.
  • Underwater acoustic communications over distances greater than ten kilometers require the use of low-frequency acoustic sources (with a frequency less than 1kHz) to achieve the objectives of long range and wideband (with a bandwidth greater than 10% center frequency) and allow sufficient data rates.
  • a Janus-Helmhotz type transducer also called a double Tonpilz, is based on the use of a stack of piezoelectric components forming a piezo-acoustic motor.
  • a Janus-Helmholtz transducer comprises two piezo-acoustic motors aligned along the same axis and fixed to a central contermass, each piezo-acoustic motor being connected to a horn by a prestressing rod. The two pavilions are thus located at opposite ends on the axis of the device and symmetrical with respect to a plane transverse to the axis.
  • a Janus-Helmholtz transducer generally comprises a rigid, non-resonant cylindrical housing which defines a fluid cavity located between the internal wall of the housing and the rear faces of the horns.
  • a Janus-Helmholtz transducer makes it possible to work at lower acoustic frequencies (from 150 Hz to 20 kHz) than a Tonpilz type transducer (frequency greater than 1 kHz).
  • a Janus-Helmholtz transducer generates a longitudinal acoustic resonance mode in a direction of emission located along the axis of the transducer. In the remainder of this document, we call this resonance mode longitudinal resonance mode.
  • Janus-Helmholtz transducers have low frequency limitations ( ⁇ 1kHz). In particular, the resonant frequency being inversely proportional to the volume of the cavity, a low frequency Janus-Helmholtz transducer poses space constraints.
  • a piezo-acoustic resonator is generally placed in a waterproof protective case.
  • the outer face of the horn is in direct contact with the immersion medium or placed behind an acoustically transparent membrane.
  • the interior cavity of the housing is filled either with air or with a fluid chosen to have good acoustic impedance without loss, that is to say without impedance break with water.
  • the fluid used is generally an oil.
  • electro-acoustic transducers that include a sealed gas-filled housing, but the housing must be strong enough to withstand the pressures of immersion in the liquid, which greatly increases the weight of the transducer when the immersion depth is great.
  • electro-acoustic transducers comprising a pneumatic compensation system to compensate for the forces of the hydrostatic pressure on the housing and to increase the resistance to the external pressure in deep immersion.
  • pneumatic compensation systems are limited to immersion depths of less than 3000 m.
  • electro-acoustic transducers comprising a housing
  • it is generally sought to attenuate the transmission of acoustic waves through the housing, this transmission from the housing being the source of radiation losses in undesirable transmission or reception directions.
  • decoupling devices between the limp and the piezoelectric stack, based in particular on the use of means for absorbing or diffraction of the acoustic waves in directions transverse to the axis of the transducer.
  • a known solution consists in placing compliant tubes filled with gas in the resonant cavity. Such a transducer then has a resonant frequency of between 500 and 1000 Hz.
  • the complying tubes being subjected to the hydrostatic pressure of the immersion medium, they are crushed at high pressures, which limits the depth of immersion of the immersion medium. transducer within 1000 m.
  • the document EP 684 084 describes a Helmoltz resonator with an opening of dimensions determined so that the Helmholtz frequency of the cavity is close to the fundamental frequency of the vibrations of the mechanical assembly.
  • One of the aims of the invention is to provide an autonomous underwater acoustic communication system for emitting acoustic waves at great depth of immersion and at low frequency.
  • Another aim of the invention is to provide a method for generating low frequency acoustic waves with a wide passband.
  • the technical problem is to reduce the resonant frequency of a submersible electro-acoustic transducer of the Janus-Helmhotz type without increasing the dimensions or the weight of the transducer in order to ensure high electro-acoustic efficiency and high autonomy at great depths. immersion.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of the prior devices and relates more particularly to a low-frequency electro-acoustic transducer submersible in an immersion fluid for underwater acoustic communication, said transducer comprising two horns, a countermass, two electro-acoustic motors, placed on either side of the countermass, said motors being aligned along an axis of symmetry, the opposite ends of said motors being respectively connected to a horn, the assembly consisting of said electro-motors acoustic, said countermass and said horns being able to generate a longitudinal electro-acoustic resonance mode.
  • said transducer comprises a rigid and hollow cylindrical part extending around said countermass, said cylindrical part having an axis coincident with the axis of symmetry of the transducer, the interior of said cylindrical part forming a suitable fluid cavity.
  • said electro-acoustic motors and said cylindrical part being dimensioned so that said fluid cavity forms an acoustic coupling between said longitudinal electro-acoustic resonance mode of said transducer and a circumferential resonance mode of said cylindrical part when said fluid cavity is filled with said immersion fluid.
  • said cylindrical part is fixed to said countermass by suspension means capable of acoustically decoupling said cylindrical part from said countermass.
  • said cylindrical part is made of a metallic material or of a composite material capable of producing an acoustic vibration mode of the circumferential type.
  • said transducer is able to provide an acoustic emission source with an acoustic frequency less than 10000 Hz and having a passband width greater than 10% of the central acoustic frequency.
  • said transducer is able to provide an acoustic emission source with an acoustic frequency less than 1000 Hz and having a passband width greater than 10% of the central acoustic frequency.
  • the invention will find a particularly advantageous application in underwater acoustic communication systems.
  • Another application of the transducer of the invention relates to underwater acoustic tomography.
  • the present invention also relates to the characteristics which will emerge during the description which follows and which must be considered in isolation or in all their technically possible combinations.
  • the transducer of the figure 1 is an electro-acoustic transducer allowing underwater acoustic communication by resonant coupling between a piezoelectric stack and a cylindrical part of annular section of axis coincident with the piezoelectric stack.
  • the cylindrical part has circumferential resonance, this resonance mode also being called the breathing mode.
  • the figure 1 schematically shows a sectional view of a transducer comprising two piezoelectric motors (1a, 1b) aligned along a longitudinal axis (6).
  • the piezo-electric motors are fixed on either side of a central countermass (4).
  • the opposite ends of the two motors (1a, 1b) are respectively fixed to a flag (3a, 3b).
  • the assembly made up of the piezoelectric motors (1a, 1b), the countermass (4) and the pavilions (3a, 3b) is kept prestressed by so-called prestressing rods, which can be either outside or inside the pillar. axial.
  • the transducer further comprises a cylindrical part (5), preferably of annular section, hollow and coaxial with the longitudinal axis (6).
  • the cylindrical part (5) is arranged around the countermass (4) and preferably centered on the plane of symmetry of the transducer.
  • the length of the cylindrical part (5) is less than the total length of the piezoelectric stacks and of the countermass, or even less than the distance separating the two horns (3a, 3b).
  • the outside diameter of the cylindrical part (5) is substantially equal to the outside diameter of the horns.
  • the thickness of the cylindrical part is typically of the order of a centimeter.
  • the walls of the cylindrical part are preferably solid, the cylindrical part (5) having two openings at its two opposite ends.
  • the dimensions of the hollow cylindrical part (5) are such that it defines a fluid internal cavity (7).
  • the fluid cavity (7) is open to the outside through the openings located at its two ends so that when the transducer is submerged the volume of the cavity (7) is filled with the immersion fluid (8), for example sea water.
  • the components of the transducer are permanently in equal pressure with respect to the hydrostatic pressure of the immersion medium, regardless of the immersion depth.
  • the structure of the transducer allows it to withstand high hydrostatic pressures associated with great depths of immersion, without requiring a pneumatic compensation system.
  • the physical parameters of the cylindrical part (5) are determined so that it is able to generate a circumferential acoustic resonance mode.
  • F r represents the resonant frequency
  • S r the radial flexibility
  • p the density of the material
  • the application of this formula typically gives, for an aluminum disc 1m in diameter, a resonant frequency close to 1500Hz.
  • the excitation of the circumferential resonance mode of the cylindrical part (5) is effected by the electrical excitation of a piezoelectric resonator (1a, 1b) via an acoustic coupling of the fluid cavity (7 ).
  • the electro-acoustic transducer constitutes a source of low-frequency ( ⁇ 1000Hz) broadband acoustic emission based on the coupling of two resonators.
  • the first resonator is the piezoelectric resonator of the mass-spring type, the fundamental mode of which is longitudinal, called expansion-compression.
  • the second resonator is a resonator formed from the cylindrical part (5) having a circumferential or radial resonance mode.
  • the longitudinal resonance mode and the circumferential resonance mode are coupled via the fluid cavity (7) made of seawater from the surrounding environment.
  • the coupling is carried out via the fluid cavity (7) contained within the cylindrical part (5).
  • the longitudinal resonance mode of the piezoelectric stack is dimensioned to be close in frequency to the circumferential mode of the annular part in order to allow efficient coupling between the two resonances.
  • the radial part can be metallic or made of a composite material (such as carbon fiber / epoxy) and is kept integral with the piezoelectric stack by the central countermass.
  • the radial piece is connected to the central countermass by suspension means forming an acoustic decoupler.
  • the suspension means are produced by suspension blocks (or silence block), for example in the form of rubber washers.
  • the suspension means are not shown on the figure 1 , in order to illustrate the acoustic decoupling between the countermass (4) and the cylindrical part (5).
  • the suspension means are not waterproof and do not obstruct the open fluid cavity.
  • the mechanical structure of the transducer allows it to be used at great depths of immersion (greater than 3000 m).
  • the transducer has no internal fluid part filled with air or oil.
  • the transducer of the invention thus exhibits great robustness.

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Description

  • La présente invention concerne un transducteur électro-acoustique pour la communication acoustique sous-marine ou encore pour la tomographie acoustique sous-marine. Plus précisément, l'invention concerne un transducteur électro-acoustique submersible fonctionnant dans le domaine basse fréquence (inférieure à 1kHz) compatible avec de grandes profondeurs d'immersion (supérieures à 3000 m.) et ayant une grande autonomie. L'invention concerne également un procédé de génération d'ondes acoustiques à basse fréquence et à large bande passante.
  • Un transducteur électro-acoustique est utilisé pour l'émission et/ou la réception d'ondes de pression acoustiques. En mode émission, un transducteur acoustique transforme une différence de potentiel électrique en onde de pression acoustique, et inversement en mode de réception. Un transducteur a une bande passante en fréquence et présente une fréquence dite centrale qui correspond au milieu de la bande passante.
  • Les communications acoustiques sous-marines sur des distances supérieures à une dizaine de kilomètres nécessitent l'emploi de sources acoustiques basse fréquence (de fréquence inférieure à 1kHz) pour atteindre les objectifs de grande portée et large bande (de largeur de bande supérieure à 10% de la fréquence centrale) et permettre des débits de données suffisants.
  • Divers types de transducteurs basses fréquences sont utilisés couramment en acoustique sous-marine :
    • les sparkers sont des éclateurs acoustiques dont le codage de l'onde transmise n'est pas possible ;
    • les boomers génèrent des ondes acoustiques par courant de Foucault dans deux plaques métalliques parallèles, mais ne permettent pas une communication codée ;
    • les anneaux piézoélectriques sont des systèmes composés d'un ou de plusieurs anneaux métalliques sur la paroi interne desquels sont disposés radialement plusieurs moteurs piézo-électriques. Lorsqu'on excite les moteurs piézo-électriques, les anneaux sont mis en vibration. Ces anneaux remplissent ainsi le rôle de pavillon ou de paroi vibrante. Toutefois, la mise en œuvre des systèmes à anneaux piézoélectriques reste difficile et leur répétabilité est insuffisante.
    • les transducteurs Janus-Helmholtz sont compatibles avec un codage mais présentent des limitations à basse fréquence.
  • Dans la suite du présent document, on s'intéresse plus particulièrement à un transducteur de type Janus-Helmhotz. Un transducteur Janus-Helmholtz, encore appelé double Tonpilz, est basé sur l'utilisation d'un empilement de composants piézo-électriques formant un moteur piézo-acoustique. Un transducteur Janus-Helmholtz comprend deux moteurs piezo-acoustiques alignés selon un même axe et fixés sur une contermasse centrale, chaque moteur piezo-acoustique étant relié à un pavillon par une tige de précontrainte. Les deux pavillons sont ainsi situés aux extrémités opposées sur l'axe du dispositif et symétriques par rapport à un plan transverse à l'axe. Un transducteur Janus-Helmholtz comprend généralement un boîtier cylindrique rigide, non résonant, qui délimite une cavité fluide située entre la paroi interne du boîtier et les faces arrière des pavillons. Un transducteur Janus-Helmholtz permet de travailler à des fréquences acoustiques plus basses (de 150 Hz à 20 kHz) qu'un transducteur de type Tonpilz (fréquence supérieure à 1kHz). Un transducteur Janus-Helmholtz génère un mode de résonance acoustique longitudinal selon une direction d'émission située le long de l'axe du transducteur. Dans la suite du présent document, nous appelons ce mode de résonance mode de résonance longitudinal. Cependant les transducteurs Janus-Helmholtz présentent des limitations en basse fréquence (<1kHz). En particulier, la fréquence de résonance étant inversement proportionnelle au volume de la cavité, un transducteur Janus-Helmholtz à basse fréquence pose des contraintes d'encombrement.
  • Un résonateur piézo-acoustique est généralement placé dans un boîtier de protection étanche. La face externe du pavillon est en contact direct avec le milieu d'immersion ou placée derrière une membrane acoustiquement transparente. La cavité intérieure du boîtier est remplie soit d'air soit d'un fluide choisi pour avoir une bonne impédance acoustique sans perte, c'est-à-dire sans rupture d'impédance avec l'eau. Le fluide utilisé est généralement une huile. Quand la cavité est remplie d'air, le couplage acoustique entre le transducteur et le milieu d'immersion se fait par la face externe du pavillon. Quand la cavité est remplie d'huile, le couplage acoustique entre le transducteur et le milieu d'immersion se fait par le pavillon à travers l'huile et le boîtier. Le transducteur immergé transforme l'onde de vibration du résonateur en onde de pression acoustique qui se propage dans le milieu d'immersion.
  • Il est connu que les performances des céramiques piézo-électriques varient de manière importante dans le cas d'utilisation en immersion profonde, car les forces de pression hydrostatique croissent linéairement avec la profondeur d'immersion.
  • Il existe des transducteurs électro-acoustiques comprenant un boîtier étanche rempli de gaz, mais le boîtier doit être suffisamment solide pour résister aux pressions d'immersion dans le liquide, ce qui alourdit considérablement le poids du transducteur quand la profondeur d'immersion est importante.
  • Il existe des transducteurs électro-acoustiques comprenant un système de compensation pneumatique pour compenser les efforts de la pression hydrostatique sur le boîtier et augmenter la résistance à la pression externe en immersion profonde. Ces systèmes complexes de compensation pneumatique sont toutefois limités à des profondeurs d'immersion inférieures à 3000 m.
  • Dans les transducteurs électro-acoustiques comprenant un boîtier, on cherche généralement à atténuer la transmission d'ondes acoustiques au travers du boîtier, cette transmission du boîtier étant à l'origine de pertes par rayonnement dans des directions d'émission ou de réception indésirables. Il existe différents dispositifs de découplage entre le boiter et l'empilement piézo-électriques, basés notamment sur l'utilisation de moyens d'absorption ou de diffraction des ondes acoustiques dans des directions transverses à l'axe du transducteur.
  • D'autre part, afin de diminuer la fréquence de résonance d'un transducteur acoustique, une solution connue consiste à placer des tubes compliants remplis de gaz dans la cavité résonante. Un tel transducteur présente alors une fréquence de résonance comprise entre 500 et 1000 Hz. Cependant, les tubes compliants étant soumis à la pression hydrostatique du milieu d'immersion, ils subissent un écrasement aux fortes pressions, ce qui limite la profondeur d'immersion du transducteur à moins de 1000 m.
  • Le document EP 684 084 décrit un résonateur de Helmoltz avec une ouverture de dimensions déterminées pour que la fréquence de Helmholtz de la cavité soit voisine de celle fondamentale des vibration de l'ensemble mécanique.
  • Un des buts de l'invention est de fournir un système de communication acoustique sous-marin autonome pour émettre des ondes acoustiques à grande profondeur d'immersion et à basse fréquence. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de génération d'ondes acoustiques à basse fréquence et à large bande passante.
  • Le problème technique est de réduire la fréquence de résonance d'un transducteur électro-acoustique submersible de type Janus-Helmhotz sans augmenter les dimensions ni le poids du transducteur afin d'assurer un rendement électro-acoustique et une autonomie élevés à grande profondeur d'immersion.
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs antérieurs et concerne plus particulièrement un transducteur électro-acoustique à basse fréquence submersible dans un fluide d'immersion pour la communication acoustique sous-marine, ledit transducteur comprenant deux pavillons, une contremasse, deux moteurs électro-acoustiques, placés de part de d'autre de la contremasse, lesdits moteurs étant alignés le long d'un axe de symétrie, les extrémités opposées desdits moteurs étant reliées respectivement à un pavillon, l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques, ladite contremasse et lesdits pavillons étant apte à générer un mode de résonance électro-acoustique longitudinal. Selon l'invention, ledit transducteur comprend une pièce cylindrique rigide et creuse s'étendant autour de ladite contremasse, ladite pièce cylindrique ayant un axe confondu avec l'axe de symétrie du transducteur, l'intérieur de ladite pièce cylindrique formant une cavité fluide apte à être remplie par ledit fluide d'immersion, lesdits moteurs électro-acoustiques et ladite pièce cylindrique étant dimensionnés pour que ladite cavité fluide forme un couplage acoustique entre ledit mode de résonance électro-acoustique longitudinal dudit transducteur et un mode de résonance circonférentiel de ladite pièce cylindrique lorsque ladite cavité fluide est remplie dudit fluide d'immersion.
  • Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite pièce cylindrique est fixée à ladite contremasse par des moyens de suspension aptes à découpler acoustiquement ladite pièce cylindrique de ladite contremasse.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite pièce cylindrique est en matériau métallique ou en matériau composite apte à produire un mode de vibration acoustique de type circonférentiel.
  • Selon un aspect de l'invention, ledit transducteur est apte à fournir une source d'émission acoustique de fréquence acoustique inférieure à 10000Hz et ayant une largeur de bande passante supérieure à 10% de la fréquence acoustique centrale. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit transducteur est apte à fournir une source d'émission acoustique de fréquence acoustique inférieure à 1000Hz et ayant une largeur de bande passante supérieure à 10% de la fréquence acoustique centrale.
  • Selon des aspects particuliers de l'invention :
    • ladite pièce cylindrique a une section annulaire ;
    • les parois de ladite pièce cylindrique sont pleines ;
    • ladite cavité fluide est remplie d'eau ;
    • la différence de fréquence entre le mode de résonance longitudinal de l'empilement piézoélectrique et le mode circonférentiel de la pièce cylindrique est inférieure ou égale à environ 10% de la fréquence centrale du transducteur.
  • L'invention concerne également un procédé d'émission d'ondes acoustiques basse fréquence dans un fluide d'immersion comprenant les étapes suivantes :
    • Génération d'ondes acoustiques dans un fluide d'immersion suivant un mode de résonance longitudinal d'un résonateur comprenant deux empilements piézo-électriques disposés de part de d'autre d'une contremasse et alignés suivant un axe, les extrémités opposées desdits empilements étant reliées respectivement à deux pavillons ;
    • Couplage de ladite résonance longitudinale via une cavité fluide ouverte sur ledit fluide d'immersion à un mode de résonance acoustique circonférentiel d'une pièce cylindrique coaxiale avec lesdits empilements et entourant ladite contremasse, ladite pièce cylindrique délimitant ladite cavité fluide.
  • L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les systèmes de communication acoustiques sous-marins. Une autre application du transducteur de l'invention concerne la tomographie acoustique sous-marine.
  • La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
  • Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente une vue en coupe d'un transducteur électro-acoustique selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Le transducteur de la figure 1 est un transducteur électro-acoustique permettant la communication acoustique sous-marine par couplage résonant entre un empilement piézoélectrique et une pièce cylindrique de section annulaire d'axe confondu avec l'empilement piézo-électrique. La pièce cylindrique est à résonance circonférentielle, ce mode de résonance étant aussi appelé mode de respiration.
  • Plus précisément, la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un transducteur comprenant deux moteurs piezo-électrique (1a, 1b) alignés suivant un axe longitudinal (6). Les moteurs piezo-électriques sont fixés de part et d'autre d'une contremasse centrale (4). Les extrémités opposées des deux moteurs (1a, 1b) sont fixées respectivement à un pavillon (3a, 3b). L'ensemble constitué des moteurs piézo-électriques (1a, 1b), de la contremasse (4) et des pavillons (3a, 3b) est maintenu précontraint par des tiges, dites de précontrainte, qui peuvent être soit extérieures, soit intérieures au pilier axial.
  • Le transducteur comporte en outre une pièce cylindrique (5), de préférence de section annulaire, creuse et coaxiale avec l'axe longitudinal (6). La pièce cylindrique (5) est disposée autour de la contremasse (4) et de préférence centrée sur le plan de symétrie du transducteur. Sur le schéma de la figure 1, la longueur de la pièce cylindrique (5) est inférieure à la longueur totale des empilements piézo-électriques et de la contremasse, ou encore inférieure à la distance séparant les deux pavillons (3a, 3b). Le diamètre extérieur de la pièce cylindrique (5) est sensiblement égal au diamètre extérieur des pavillons. L'épaisseur de la pièce cylindrique est typiquement de l'ordre du centimètre. Les parois de la pièce cylindrique sont de préférence pleines, la pièce cylindrique (5) comportant deux ouvertures à ses deux extrémités opposées.
  • Les dimensions de la pièce cylindrique (5) creuse sont telles que celle-ci délimite une cavité interne fluide (7). La cavité fluide (7) est ouverte sur l'extérieur par les ouvertures situées à ses deux extrémités de sorte que lorsque le transducteur est immergé le volume de la cavité (7) est rempli par le fluide d'immersion (8), par exemple de l'eau de mer. Ainsi, les composants du transducteur sont en permanence en équipression vis-à-vis de la pression hydrostatique du milieu d'immersion, quelle que soit la profondeur d'immersion. La structure du transducteur lui permet de supporter de fortes pressions hydrostatiques associées aux grandes profondeurs d'immersion, sans requérir de système de compensation pneumatique.
  • Les paramètres physiques de la pièce cylindrique (5) sont déterminés de manière à ce qu'elle soit apte à générer un mode de résonance acoustique circonférentiel. Pour une pièce en anneau, le premier mode de résonance circonférentielle est déterminé par la formule suivante : F r = 1 / 2 * π * √ Sr * ρ * a 2
    Figure imgb0001
     où Fr représente la fréquence de résonance, Sr, la souplesse radiale, p, la masse volumique du matériau et a le rayon moyen. L'application de cette formule donne typiquement pour un disque d'aluminium de 1m de diamètre une fréquence de résonance proche de 1500Hz. Dans le transducteur de l'invention, l'excitation du mode de résonance circonférentiel de la pièce cylindrique (5) se fait par l'excitation électrique d'un résonateur piézoélectrique (1a, 1b) via un couplage acoustique de la cavité fluide (7).
  • Selon un mode de réalisation préféré, le transducteur électro-acoustique constitue une source d'émission acoustique basse fréquence (<1000Hz) large bande basée sur le couplage de deux résonateurs. Le premier résonateur est le résonateur piézo-électrique de type masse-ressort, dont le mode fondamental est longitudinal, dit de dilatation-compression. Le second résonateur est un résonateur formé de la pièce cylindrique (5) ayant un mode de résonance circonférentiel ou radial. Le mode de résonance longitudinal et le mode de résonance circonférentiel sont couplés via la cavité fluide (7) constituée de l'eau de mer du milieu environnant. Le couplage est réalisé via la cavité fluide (7) contenue au sein de la pièce cylindrique (5). Le mode de résonance longitudinal de l'empilement piézoélectrique est dimensionné pour être proche en fréquence du mode circonférentiel de la pièce annulaire afin de permettre un couplage efficace entre les deux résonances.
  • La pièce radiale, peut être métallique ou en matériau composite (tels que fibre de carbone/époxy) et est maintenue solidaire de l'empilement piézoélectrique par la contremasse centrale. La pièce radiale est reliée à la contremasse centrale par des moyens de suspension formant un découpleur acoustique. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de suspension sont réalisés par des blocs de suspension (ou silence bloc), par exemple sous la forme de rondelles de caoutchouc. Les moyens de suspension ne sont pas représentés sur la figure 1, afin d'illustrer le découplage acoustique entre la contremasse (4) et la pièce cylindrique (5). De plus, les moyens de suspension ne sont pas étanches et ne font pas obstacle à la cavité fluide ouverte.
  • La structure mécanique du transducteur permet son utilisation par grande profondeur d'immersion (supérieure à 3000 m). De plus, le transducteur ne comporte aucune partie fluide interne remplie d'air ou d'huile. Le transducteur de l'invention présente ainsi une grande robustesse.

Claims (9)

  1. Transducteur électro-acoustique à basse fréquence submersible dans un fluide d'immersion (8) pour la communication acoustique sous-marine, ledit transducteur comprenant :
    - deux pavillons (3a, 3b),
    - une contremasse (4),
    - deux moteurs électro-acoustiques (1a, 1b), placés de part de d'autre de la contremasse (4), lesdits moteurs (1a, 1b) étant alignés le long d'un axe (6) de symétrie, les extrémités opposées desdits moteurs (1a, 1b) étant reliées respectivement à un pavillon (3a, 3b),
    l'ensemble constitué par lesdits moteurs électro-acoustiques (1a, 1b), ladite contremasse (4) et lesdits pavillons (3a, 3b) étant apte à générer un mode de résonance électro-acoustique longitudinal,
    caractérisé en ce que ledit transducteur comprend :
    - une pièce cylindrique (5) rigide et creuse s'étendant autour de ladite contremasse (4), ladite pièce cylindrique (5) ayant un axe confondu avec l'axe de symétrie (6) du transducteur, l'intérieur de ladite pièce cylindrique (5) formant une cavité fluide (7) apte à être remplie par ledit fluide d'immersion (8),
    - lesdits moteurs électro-acoustiques et ladite pièce cylindrique (5) étant dimensionnés pour que ladite cavité fluide (7) forme un couplage acoustique entre ledit mode de résonance électro-acoustique longitudinal dudit transducteur et un mode de résonance circonférentiel de ladite pièce cylindrique (5) lorsque ladite cavité fluide (7) est remplie dudit fluide d'immersion (8),
    dans lequel la différence de fréquence entre le mode de résonance longitudinal de l'empilement piézoélectrique et le mode circonférentiel de la pièce cylindrique (5) est inférieure ou égale à environ 10% de la fréquence centrale du transducteur.
  2. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite pièce cylindrique (5) est fixée à ladite contremasse (4) par des moyens de suspension aptes à découpler acoustiquement ladite pièce cylindrique (5) de ladite contremasse (4).
  3. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite pièce cylindrique (5) est en matériau métallique ou en matériau composite apte à produire un mode de vibration acoustique de type circonférentiel.
  4. Transducteur électro-acoustique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite pièce cylindrique (5) a une section annulaire.
  5. Transducteur électro-acoustique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les parois de ladite pièce cylindrique (5) sont pleines.
  6. Transducteur électro-acoustique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit transducteur est apte à fournir une source d'émission acoustique de fréquence acoustique inférieure à 10000Hz et ayant une largeur de bande passante supérieure à 10% de la fréquence acoustique centrale.
  7. Transducteur électro-acoustique selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit transducteur est apte à fournir une source d'émission acoustique de fréquence acoustique inférieure à 1000Hz et ayant une largeur de bande passante supérieure à 10% de la fréquence acoustique centrale.
  8. Transducteur électro-acoustique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ladite cavité fluide (7) est remplie d'eau.
  9. Procédé d'émission d'ondes acoustiques basse fréquence par un transducteur électro-acoustique dans un fluide d'immersion comprenant l'étape suivante :
    • Génération d'ondes acoustiques dans un fluide d'immersion (8) suivant un mode de résonance longitudinal d'un résonateur comprenant deux empilements piézo-électriques (1a, 1b) disposés de part de d'autre d'une contremasse (4) et alignés suivant un axe (6), les extrémités opposées desdits empilements étant reliées respectivement à deux pavillons (3a, 3b),
    ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante :
    • Couplage de ladite résonance longitudinale via une cavité fluide (7) ouverte sur ledit fluide d'immersion (8), à un mode de résonance acoustique circonférentiel d'une pièce cylindrique (5) coaxiale avec lesdits empilements (1a, 1b) et entourant ladite contremasse (4), ladite pièce cylindrique (5) délimitant ladite cavité fluide (7) et la différence de fréquence entre le mode de résonance longitudinal de l'empilement piézoélectrique et le mode circonférentiel de la pièce cylindrique (5) étant inférieure ou égale à environ 10% de la fréquence centrale du transducteur.
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