FR2466931A1 - Transducteur electro-acoustique directionnel - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les transducteurs électro-acoustiques. Un transducteur électro-acoustique comporte notamment des éléments transducteurs à disque à flexion qui sont constitués par la juxtaposition de disques métalliques minces 20, 22 et de disques piézoélectriques 24, 26. Ces éléments sont montés par leur périphérie sur une masse intertielle 14 et ils sont accouplés par leur centre 15 au boîtier 12 du transducteur. Cet accouplement est réalisé par une structure réglable comprenant des goujons 34, 36 et des écrous 38, 40. Application aux hydrophones. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne les transducteurs directionnels et elle
porte plus particulièrement sur des transducteurs qui comportent des premier et second éléments transducteurs à disques à flexion, avec l'un de ces éléments monté à chaque extrémité axiale d'un boîtier cylindrique. Les éléments transducteurs sont connectés l'un à l'autre au point de vue électrique de façon à renforcer les signaux électriques qui résultent de signaux acoustiques atteignant le transducteur dans la direction axiale, et à atténuer les signaux électriques qui résultent de signaux acoustiques
atteignant le transducteur dans des directions qui sont per-
pendiculaires à l'axe du boîtier cylindrique.
Conformément à l'art antérieur, les transducteurs de ce type comportent des éléments transducteurs à disques à flexion qui sont montés directement sur le bottier, à chaque extrémité. Les centres des disques à flexion sont
reliés mécaniquement à une masse inertielle qui est suspen-
due à l'intérieur du boîtier, si bien que lorsqu'une onde acoustique incidente dirigée axialement atteint le boîtier, ce dernier vibre par rapport à la masse inertielle, entraînant ainsi une flexion des éléments transducteurs à disques, ce qui produit un signal de sortie électrique résultant.
Un but de l'invention est de réaliser un trans-
ducteur directionnel du type mentionné précédemment dont la structure soit plus robuste et présente une meilleure
résistance aux chocs, qui puisse être assemblé plus facile-
ment et qui puisse de préférence recevoir une précontrainte
de valeur choisie après l'assemblage du transducteur.
Conformément à l'invention, des premier et second éléments transducteurs à flexion, constitué chacun par une pièce plane comportant une périphérie, sont montés par leurs périphéries sur les extrémités axiales opposées d'une masse inertielle qui est pratiquement perpendiculaire à l'axe. Des moyens de transmission de force, tels que des boulons d'acccuplement, relient les parties centrales de
chacune des pièces plane- à un boîtier qui entoure l'ensem-
ble masse inertiee-transducteurs à flexion, le long d'un axe de la masse inertielle. Il existe des moyens qui connectent les éléments transducteurs à des moyens de
détection de signal électrique.
Dans un mode de réalisation préféré, le boîtier est en matière plastique et est cylindrique, avec un espace intérieur cylindrique. La masse inertielle comporte des cavités circulaires qui sont formées dans chaque extrémité axiale et qui sont fermées par des éléments transducteurs à disques qui sont montés-par leurs bords extérieurs sur les extrémités axiales de la masse inertielle. Les éléments transducteurs à disques consistent en une structure à bilame formée par une matière métallique à ressort et par une matière piézoélectrique. La surface intérieure, en direction axiale, de chaque disque à flexion, à l'intérieur
1-5 de la cavité, correspond à un disque de matière piezoélec-
trique. Les surfaces extérieures, en direction axiale, des éléments transducteurs à disques à flexion sont accouplées
par des tiges de transmission de force aux extrémités axia-
les adjacentes du boîtier cylindrique. Des pièces conduc-
trices interconnectent les éléments transducteurs en série et en opposition et elles connectent ces éléments à un dispositif de. détection de signal électrique. Un fluide à viscosité élevée peut être placé à l'intérieur du boîtier et il peut également y avoir des moyensd'amortissement de la vibration des disques à flexion, afin d'améliorer la réponse à large bande du transducteur. Dans un mode de réalisation préféré, les tiges de transmission de force sont conçuesdefaçon àappliquer aux disques à flexion un effort dirigé axialement vers l'extérieur, afin d'exercer des forces de compression sur les éléments piézoélectriques,
ainsi que d'établir des connexions électriques externes.
Le transducteur présente un avantage important sur les transducteurs de l'art antérieur de ce type, en ce
qui concerne la facilité de fabrication. Dans l'art anté-
rieur, il est nécessaire d'accoupler le centre des éléments à disques à flexion à la masse inertielle, puis de monter la masse inertielle à l'intérieur d'un boîtier qu'on fixe
de façon hermétique à la périphérie du disque à flexion.
Conformément à l'invention, l'assemblage est facilité par l'assemblage préalable de tous les éléments accouplés à la masse inertielle, suivi du montage final dans le boîtier et de l'accouplement des disques à flexion au bottier, par les tiges centrales, dans la phase finale. On réalise un réglage de la tension statique de ces tiges après assemblage. Ce type demontage est plus commode non seulement au point de vue mécanique mais également au point de vue électrique, du fait qu'on peut facilement préassembler les fils et les
éléments transducteurs au moment o ces derniers sont assem-
blés à la masse inertielle, après quoi on peut faire passer
les fils à travers le boîtier extérieur en matière plasti-
que au moment o on monte l'ensemble intérieur dans le bottier. L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en
se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation en vue
d'extrémité, en direction axiale, d'un transducteur direc-
tionnel correspondant à l'invention.
La figure 2 est une coupe du transducteur de la
figure 1.
On va maintenant considérer de façon générale les figures 1 et 2 qui représentent un transducteur directionnel 10 correspondant à l'invention. Le transducteur 10 comprend un bottier extérieur 12 qui est de façon générale en matière plastique, comme en un polycarbonate vendu sous les marques LEXAN ou MIACROLON. Le boîtier en matière plastique 12 contient une masse inertielle 14 dont la taille est légèrement inférieure à la taille de la cavité interne
définie dans le boîtier 12. Le.boîtier 12 et la masse iner-
tielle 14 ont une forme générale cylindrique et un axe de symétrie 15. La masse inertielle 14 est constituée de façon caractéristique par une matière de masse relativement élevée par rapport au boîtter 12 et elle est réalisée de préférence en tungstène fritté, en plomb ou en laiton. La masse 14 est placée en position centrale dans le boîtier 12 et elle est accouplée à ce boîtier, comme il ressortira de la suite de
la description.
Une bague cylindrique en matière plastique 16, 18, est placée à chaque extrémité axiale de la masse inertielle 14. Chaque bague est recouverte par un disque à flexion 20, 22 qui est de préférence en laiton d'une épaisseur d'environ 0,25 mm et tout l'ensemble 16, 18, 20, 22 est fixé à la
masse inertielle 14.
Les disques à flexion 20, 22 sont montés sur les bagues respectives-16 et 18 et ils sont donc supportés à
leur périphérie par la masse inertielle 14. Ils sont accou-
plés au boitier 12 par leurs centres respectifs.
Ainsi, contrairement à la configuration-habituelle pour un transducteur de ce type, les éléments transducteurs à disques à flexion sont accouplés à la masse inertielle à leur périphérie et au boîtier à leur centre, au lieu d'être montés sur le boltier-à leur périphérie et accouplés à la
masse inertielle à leur centre.-Cette configuration parti-
culière permet d'assembler plus commodément le transducteur, comme on le décrira, et elle permet également d'exercer une précontrainte sur les éléments transducteurs, comme on
le décrira également.
Chaque disque à flexion 20, 22 comporte un élément transducteur à disque 24, 26 qui est monté sur sa surface intérieure en direction axiale. Les éléments transducteurs 24, 26 sont constitués par une céramique piézoélectrique et ils portent des revêtements conducteurs sur leurs surfaces intérieures et extérieures-en direction axiale. Ces disques font donc fonction de transducteurs et ils convertissent en signaux électriques les contraintes mécaniques qui sont
induites par la vibration des disques à flexion 20, 22.
Les disques en céramique 24, 26 sont montés sur les disques à flexion en laiton 20, 22 en utilisant une résine époxy conductrice sur les surfaces en contact. Les disques 24, 26 ont approximativement la même épaisseur que les disques à flexion en laiton mais ils ont un diamètre légèrement inférieur de façon à s'ajuster.à l'intérieur des cavités creuses 28, 30 qui résultent de la fermeture des bagues 16 et 18 par les disques à flexion 20 et 22. Alors que les cavités 28et30 necontiennent que de l'air, l'espace 32 entre la masse inertielle 14 et le boîtier 12 est de préférence empli d'un fluide à viscosité élevée, comme par exemple un fluide ayant une viscosité de 30 cm /s, par 5.l'intermédiaire du trou de remplissage 54 qui est ensuite obturé avec un bouchon 52. Le fluide à viscosité élevée tend
à amortir la vibration de la masse 14 par rapport au bot-
tier 12. On peut régler l'écartement entre chaque disque à
flexion 20, 22 et la surface intérieure en regard du boî-
tier 12 afin de régler l'amortissement de la vibration du transducteur. Le fluide à viscosité élevée facilite cette fonction d'amortissement. Le dispositif peut être empli complètement ou partiellement, de façon que l'espace restant soit occupé par une bulle d'air 33. Le réglage de la taille de la bulle d'air permet d'agir sur l'amortissement afin de maintenir le mme amortissement en cas de variation de la
taille de l'espace sous l'effet des tolérances de fabrica-
tion. Les spécialistes de la conception des transducteurs noteront que cet amortissement de la vibration favorise le fonctionnement du transducteur avec une largeur de bande élevée et atténue les résonances vibratoires parasites dans
la structure de disques à flexion.
Conformément à l'invention, les disques à flexion et 22 sont accouplés au boîtier 12 le long de l'axe 15
du transducteur, par des goujons d'accouplement 34 et 36.
Les goujons 34 et 36 sont accouplés rigidement aux disques à flexion 20 et 22, par exemple par soudage ou brasage, et ils sont vissés dans des écrous 38 et 40 pour assurer un accouplement réglable. Ainsi, en réglant les goujons 34 et 36 on peut créer une précontrainte des disques 20 et 22 correspondant à une flexion vers l'extérieur, ce qui produit une contrainte initiale de compression sur les disques de
céramique 24 et 26.
On désire appliquer une précontrainte de compres-
sion aux disques de céramique 24 et 26 dans le but de régler
le peint zére de la courbe caractéristique du transducteur.
71 est également seuhaiiable de précentraindre la céramique dans le sens de lta cmnressrcn afin de la rendre moins
vulnérable à des chocs importants.
Au point de vue électrique, les éléments transduc-
teurs en céramique 24 et 26 sont branchés en série et en opposition de façon qu'une perturbation acoustique qui arrive sur le transducteur dans la direction axiale produise dans les deux éléments transducteurs 24 et 26 des tensions qui se renforcent mutuellement. Dans le mode de réalisation qui est représenté, des fils de connexion 42 et 44 sont connectés aux surfaces intérieures des disques respectifs 26 et 24 et sont connectés l'un à l'autre par la masse 14, tandis que les surfaces extérieures des disques 24 et 26 sont connectées aux bornes 46 et 48 par les goujons 34 et
36. Les écrous 38 et 40 et les goujons 34 et 36 sont enro-
bés hermétiquement par une matière d'obturation appropriée 50.
Les disques de céramique 24 et 26 sont de préfé-
rence réalisés à partir d'une matière piézoélectrique telle
que du titanate zirconate de plomb. La firme Gulton Indus-
tries fabrique une matière appropriée sous la référence
G1512.
Un transducteur réel tel que celui qui est représenté sur les figures 1 et 2 peut avoir un diamètre global légèrement supérieur à 2,5 cm et approximativement la même longueur. Les dimensions des disques de laiton à flexion 20 et 22 et des disques de céramique 24 et 26 sont choisies de façon que ces éléments s'ajustent à l'intérieur du boîtier 12 dans la position relative représentée et leur épaisseur est d'environ 0,25 mm. Le boîtier 12 est de façon caractéristique en matière plastique moulé et il peut
être constitué par plusieurs pièces qui sont réunies ensem-
ble au moment du montage à l'aide d'une résine époxy appro-
priée. Du fait que le principe de réciprocité s'applique, le transducteur décrit ci-dessus, qui est effectivement un hydrophone, peut être utilisé en tant qu'émetteur d'ondes acoustiques, avec les mêmes caractéristiques directionnelles que dans le mode de réception. Lorsqu'il fonctionne en émetteur, la précontrainte de compression des disques de céramique 24, 26 permet d'utiliser des signaux d'attaque
plus élevés que dans le cas de disques non contraints.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (10)
1. Transducteur comportant au moins un élément transducteur à disque à flexion (20, 22, 24, 26) assurant un accouplement mécanique entre une masse inertielle (14) et un bottier (12), caractérisé en ce que cet élément à disque à-flexion (20, 22, 24, 26) est accouplé à la masse inertielle (14) par sa périphérie et au bottier (12) par
son centre.
2. Transducteur selon la revendication 1, dans lequel le bottier (12) comporte un axe (15); la masse inertielle (14) est située à l'intérieur du bottier; il existe des premier et second-éléments transducteurs à flexion (20, 22, 24, 26) chacun d'eux comprenant une pièce
plane qui comporte une périphérie, et des moyens qui assu-
rent une connexion électrique entre les éléments transduc-
teurs et des circuits externes; caractérisé en ce que les pièces planes des éléments transducteurs sont montées par leurs périphéries sur les extrémités axiales opposées de
la masse inertielle (14), en étant pratiquement perpendi-
culairesà l'axe (15); et des moyens de transmission de
force (34, 36) accouplent au bottier (12) des parties cen-
trales de chaque pièce plane, le long de l'axe (15).
3. Transduoteur selon.l'une quelconque des
revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque pièce
plane (20, 22, 24, 26) comprend un disque à flexion..
4. Transducteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque disque
à flexion (20, 22, 24, 26) comprend un disque métallique
mince (20, 22).
5. Transducteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque élément
transducteur comprend un disque de céramique piezoélectri-
que (24, 26) placé sur le disque métallique (20, 22).
6. Transducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de trans-
mission de force (34, 36) sont conçus de façon à exercer
une contrainte statique sur les disques à flexion.
7. Transducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 6, caractérisé en ce que les disques de céra-
mique (24, 26) sont montés sur les surfaces intérieures, en direction axiale, des disques métalliques (20, 22) et les moyens de transmission de force (34, 36) sont conçus de façon à exercer sur les disques métalliques une contrainte qui les déforme axialement vers l'extérieur, afin de placer
les disques de céramique en compression.
8. Transducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque disque métal-
lique comporte une matière d'amortissement des vibrations
(32) contre l'une de ses surfaces.
9. Transducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 8, caractérisé en ce que le bottier contient
en outre un fluide à viscosité élevée (32).
10. Transducteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le boîtier (12)
est cylindrique et définit une région intérieure cylindri-
que; la masse inertielle (14) est de forme générale cylindrique et plus petite que la région intérieure du bottier, cette masse inertielle comportant une cavité circulaire formée dans chaque extrémité axiale; les disques à flexion plans (20, 22) sont montés respectivement à chaque extrémité axiale de la masse inertielle en couvrant la cavité circulaire; les disques piézoélectriques plans
(24, 26) sont montés respectivement sur la surface inté-
rieure, en direction axiale, de chaque disque à flexion, à l'intérieur des cavités; les moyens de transmission de
force (34, 36) consistent en une paire de tiges de trans-
mission de force qui sont dirigées axialement, chacune d'elles accouplant le centre du disque à flexion respectif
et l'extrémité axiale adjacente du boîtier; et les conne-
xions électriques connectent les disques piezoélectriques en série et en Opposition et connectent ces disques aux
circuits externes.
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