FR2581819A1 - Piezoelectric transducers of tonpilz type, wideband receivers and transmitters and sonar antenna made up of these transducers. - Google Patents
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Abstract
Description
Transducteurs piézo-électriques de type Tonpilz, récepteurs à large bande et émetteurs et antenne de sonar composée de ces transducteurs. Tonpilz type piezoelectric transducers, broadband receivers and transmitters and sonar antenna composed of these transducers.
La présente invention a pour objet des transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz utilisables alternativement comme émetteur sur une ou plusieurs fréquences de résonance bien déterminées et comme récepteurs à large bande passante. The subject of the present invention is piezoelectric transducers of the Tonpilz type which can be used alternately as a transmitter on one or more well-determined resonant frequencies and as receivers with wide bandwidth.
Elle a également pour objet des antennes de sonar composées de ces transducteurs. It also relates to sonar antennas composed of these transducers.
Le secteur technique de l'invention est celui de l'acoustique sous-marine. The technical sector of the invention is that of underwater acoustics.
Les antennes émettrices de sonars à grande puissance sont constituées généralement de rangées de transducteurs de type Tonpilz qui sont excités par un oscillateur électronique qui oscille sur une fréquence bien déterminée correspondant à l'une des fréquences de résonance du transducteur. High power sonar transmitting antennas generally consist of rows of Tonpilz type transducers which are excited by an electronic oscillator which oscillates on a well-determined frequency corresponding to one of the resonant frequencies of the transducer.
On rappelle qu'un transducteur de type Tonpilz comporte un moteur constitué par un empilement de plaquettes piézo-électriques entre lesquelles sont intercalées des électrodes reliées à l'oscillateur. Cet empilage est intercalé entre un pavillon qui est placé au contact de l'eau et une contremasse. It will be recalled that a Tonpilz type transducer comprises a motor constituted by a stack of piezoelectric plates between which are inserted electrodes connected to the oscillator. This stack is interposed between a pavilion which is placed in contact with water and a countermass.
I1 est avantageux d'utiliser une même antenne de sonar à la fois comme antenne émettrice et comme antenne d'écoute réceptrice. Mais une antenne d'écoute doit pouvoir détecter une source sonore pouvant émettre sur n importe quelle fréquence sonore et il faut donc qu'elle puisse explorer une large bande passante avec une bonne sensibilité. It is advantageous to use the same sonar antenna both as a transmitting antenna and as a receiving listening antenna. However, a listening antenna must be able to detect a sound source capable of transmitting on any sound frequency and it must therefore be able to explore a wide bandwidth with good sensitivity.
Or les transducteurs de type Tonpilz qui sont des transducteurs résonnants, ont une courbe de sensibilité présentant un ou plusieurs pics très accusés qui correspondent aux fréquence de résonance et ils ne peuvent pas être utilisés pour recevoir des fréquences situées en dehors des bandes étroites correspondant à ces pics de sensibilité. However, Tonpilz type transducers which are resonant transducers have a sensitivity curve having one or more very sharp peaks which correspond to the resonant frequency and they cannot be used to receive frequencies located outside the narrow bands corresponding to these sensitivity peaks.
Diverses solutions ont été proposées pour transformer un transducteur émetteur en transducteur récepteur à large bande passante en utilisant pour la réception, les mêmes plaquettes piézo-électriques ou d'autres plaquettes associées à celles qui constituent le moteur
d'ua transducteur.Various solutions have been proposed for transforming a transmitter transducer into a broadband receiver transducer by using for reception, the same piezoelectric plates or other plates associated with those which constitute the motor.
of a transducer.
Un objectif de la présente invention est de procurer des transducteurs piézo-électriques résonnants de type Tonpilz, qui sont associés à un transducteur d'un autre type, qui est utilisé comme hydrophone à large bande, qui est placé sur le pavillon de l'émetteur et qui est réalisé dans un matériau tel qu'il ne réduit pas la sensibilité de l'émetteur et sous une forme telle qu'il permet d'obtenir des antennes ayant une bonne directivité à l'émission et à la réception. An object of the present invention is to provide resonant piezoelectric transducers of the Tonpilz type, which are associated with a transducer of another type, which is used as a broadband hydrophone, which is placed on the roof of the transmitter. and which is made of a material such that it does not reduce the sensitivity of the transmitter and in a form such that it makes it possible to obtain antennas having good directivity at transmission and at reception.
L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un transducteur piézo-électrique de type Tonpilz dont la face externe du pavillon porte un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants, disposés symétriquement par rapport à au moins un plan passant par l'axe du transducteur. The objective of the invention is achieved by means of a piezoelectric transducer of the Tonpilz type, the external face of the roof of which carries an even number of identical and independent hydrophones, arranged symmetrically with respect to at least one plane passing through the axis of the transducer.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la face externe du pavillon porte quatre hydrophones symétriques deux à deux par rapport à d'ux plans orthogonaux passant par l'axe du transducteur. According to a preferred embodiment, the external face of the roof carries four symmetrical hydrophones in pairs with respect to two orthogonal planes passing through the axis of the transducer.
Chacun des hydrophones comporte une plaque mince, en un polymère piézo-électrique, dont les deux faces sont recouvertes d'un clinquant conducteur, qui est intercalée entre deux plaques minces en un matériau visco-élastique. Each of the hydrophones has a thin plate, made of a piezoelectric polymer, the two faces of which are covered with a conductive foil, which is interposed between two thin plates of a visco-elastic material.
L'invention a pour résultat de nouveaux transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz et des antennes de sonar construites avec ces transducteurs. Ces transducteurs et ces antennes ont sensiblement le même encombrement et le même poids que les antennes émettrices composées de transducteurs émetteurs de type Tonpilz dont les pavillons ne sont pas équipés d'hydrophones. The invention results in new piezoelectric transducers of the Tonpilz type and sonar antennas constructed with these transducers. These transducers and these antennas have substantially the same size and the same weight as the transmitting antennas composed of Tonpilz type transmitting transducers whose pavilions are not equipped with hydrophones.
Les antennes selon 1 invention peuvent être utilisées alternativement comme antennes émettrices à grande puissance et comme antennes d'écoute à large bande passante. The antennas according to the invention can be used alternately as high power transmitting antennas and as broadband listening antennas.
Un avantage important des transducteurs selon l'invention, associés à des hydrophones disposés sur la face externe du pavillon est que ces hydrophones sont facilement accessibles et donc faciles à réparer en cas d'avarie. An important advantage of the transducers according to the invention, associated with hydrophones arranged on the external face of the roof is that these hydrophones are easily accessible and therefore easy to repair in the event of damage.
Un autre avantage des transducteurs selon l'invention est qu'ils permettent de multiplier le nombre d'hydrophones et donc d'obtenir un meilleur diagramme de directivité en haute fréquence. Another advantage of the transducers according to the invention is that they make it possible to multiply the number of hydrophones and therefore to obtain a better directivity diagram at high frequency.
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un transducteur selon l'invention. The following description refers to the appended drawings which represent, without any limiting character, an exemplary embodiment of a transducer according to the invention.
La figure 1 est une coupe axiale d'un transducteur mixte selon l'invention. Figure 1 is an axial section of a mixed transducer according to the invention.
La figure 2 est une vue de face du pavillon d'un transducteur selon la figure 1. FIG. 2 is a front view of the roof of a transducer according to FIG. 1.
Les figures 3 et 4 sont des vues analogue à la figure 2 représentant des variantes de réalisation. Figures 3 and 4 are views similar to Figure 2 showing alternative embodiments.
La figure 5 est une coupe partielle selon V-V de la figure 2. FIG. 5 is a partial section on V-V in FIG. 2.
La figure 6 est un diagramme de sensibilité d'un hydrophone selon l'invention. Figure 6 is a sensitivity diagram of a hydrophone according to the invention.
La figure 1 représente une coupe axiale d'un transducteur piézo-électrique de type Tonpilz d'axe x xl. Ce transducteur comporte, de façon connue, un moteur piézo-électrique composé d'un empilement 1 de plaquettes piézo-électriques 2, entre lesquelles sont intercalées des électrodes 3 qui sont connectées alternativement sur les deux bornes d'un oscillateur électronique non représenté. L'empilement 1 est intercalé entre un pavillon 4 et une contremasse 5. En général, un tel transducteur est utilisé pour construire des antennes émettrice de sonar à grande puissance. Une antenne émettrice de sonar comporte des rangées de transducteurs identiques dont les faces externes des pavillons sont placées au contact de l'eau pour transmettre les ondes acoustiques provenant du moteur. FIG. 1 represents an axial section of a Tonpilz piezoelectric transducer of axis x xl. This transducer comprises, in known manner, a piezoelectric motor composed of a stack 1 of piezoelectric plates 2, between which are inserted electrodes 3 which are connected alternately on the two terminals of an electronic oscillator not shown. The stack 1 is interposed between a bell 4 and a countermass 5. In general, such a transducer is used to build antennas emitting sonar at high power. A sonar transmitting antenna has rows of identical transducers whose external faces of the horns are placed in contact with water to transmit the acoustic waves coming from the engine.
Le problème à résoudre est d'utiliser la même antenne comme antenne réceptrice à large bande et bonne directivité, sans accroître notablement le poids et l'encombrement de celle-ci et sans nuire à la qualité de l'émission. The problem to be solved is to use the same antenna as a broadband receiving antenna and good directivity, without appreciably increasing the weight and the bulk thereof and without harming the quality of the transmission.
Pour cela, des hydrophones 6 sont associes à chaque transducteur et sont fixés sur la face externe du pavillon 4. For this, hydrophones 6 are associated with each transducer and are fixed to the external face of the roof 4.
Les figures 1 et 2 représentent un exemple préférentiel dans lequel chaque pavillon porte quatre hydrophones identiques et indépendants 61, 62, 63 et 64, disposés en croix, c' est-à-dire avec une symétrie d'ordre 4 par rapport à l'axe x xl du transducteur. Figures 1 and 2 show a preferred example in which each pavilion carries four identical and independent hydrophones 61, 62, 63 and 64, arranged in a cross, that is to say with a symmetry of order 4 with respect to the axis x xl of the transducer.
La figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle chaque pavillon porte quatre hydrophones 61, 62, 63, 64, identiques et indépendants, en forme de secteurs circulaires ayant une ouverture angulaire de 900, disposés symetriquement deux à deux par rapport à deux plans orthogonaux y yl et z zl passant par l'axe x xl. FIG. 3 represents an alternative embodiment in which each pavilion carries four hydrophones 61, 62, 63, 64, identical and independent, in the form of circular sectors having an angular opening of 900, arranged symmetrically two by two with respect to two orthogonal planes y yl and z zl passing through the x xl axis.
La figure 4 représente une autre variante dans laquelle chaque pavillon porte deux hydrophones 61 et 62, symétriques par rapport à un plan y yl passant par l'axe x xl. FIG. 4 represents another variant in which each pavilion carries two hydrophones 61 and 62, symmetrical with respect to a plane y yl passing through the axis x xl.
Selon une caractéristique de l'inyention, chaque pavillon porte un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants, soit deux hydrophones symétriques par rapport à un plan passant par l'axe x xl du transducteur, soit quatre hydrophones symétriques deux à deux par rapport à deux plans orthogonaux passant par l'axe x xl du transducteur. According to a characteristic of the invention, each pavilion carries an even number of identical and independent hydrophones, either two hydrophones symmetrical with respect to a plane passing through the axis x xl of the transducer, or four hydrophones symmetrical two by two with respect to two orthogonal planes passing through the x xl axis of the transducer.
La figure 5 est une coupe transversale selon V-V de la figure 1. On voit sur cette figure que chaque hydrophone 6 comporte une plaque mince 7 en un polymère piézo-électrique,par exemple en polyfluorure de vinylidène (PVDF ou PVF2) ou tout autre polymère ayant des propriétés piézo-électriques équivalentes, ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de i mm, sur les deux faces de laquelle sont colles des disques en clinquant de laiton ayantune épaisseur de l'ordre de 0,1 mm qui font fonction d'électrodes. Figure 5 is a cross section along VV of Figure 1. We see in this figure that each hydrophone 6 has a thin plate 7 of a piezoelectric polymer, for example polyvinylidene fluoride (PVDF or PVF2) or any other polymer having equivalent piezoelectric properties, for example having a thickness of the order of i mm, on the two faces of which are glued brass tinsel discs having a thickness of the order of 0.1 mm which function as 'electrodes.
Chaque hydrophone comporte, en outre, deux plaques en un matériau visco-élastique 8a et 8b ayant une épaisseur de l'ordre de 1 mm, par exemple en poly-isoprène vendu sous la marque "Népurane", ou en tout autre matériau visco-élastique équivalent ayant, à la température ambiante, un module de Young E compris entre 105 et 109N/m2 et un coefficient d'amortissement ss compris entre 0,5 et 2. Each hydrophone comprises, in addition, two plates of a visco-elastic material 8a and 8b having a thickness of the order of 1 mm, for example of polyisoprene sold under the brand "Népurane", or any other visco- equivalent elastic having, at room temperature, a Young E modulus between 105 and 109N / m2 and a damping coefficient ss between 0.5 and 2.
Chaque plaque visco-élastique 8a, 8b est intercalée entre deux plaques rigides respectivement 9a, 9b et 10a, 10b en alliage d'aluminium par exemple en AV4G, ayant une épaisseur de l'ordre de 0,7 mm. Each visco-elastic plate 8a, 8b is interposed between two rigid plates respectively 9a, 9b and 10a, 10b made of aluminum alloy for example of AV4G, having a thickness of the order of 0.7 mm.
L'ensemble des hydrophones porté par un pavillon est enrobé dans une enveloppe étanche il en résine, par exemple en polyuréthane, qui forme autour du pavillon 4 une jupe 12. The set of hydrophones carried by a pavilion is encased in a waterproof envelope il in resin, for example in polyurethane, which forms around the pavilion 4 a skirt 12.
L'épaisseur totale des hydrophones 6 est de l'ordre de 10 mm, de sorte que la présence de ceux-ci ne modifie pas sensiblement les dimensions, ni le poids d'une antenne émettrice équipée de ces hydrophones. De plus, la composition des hydrophones selon l'invention fait qu'ils sont presque transparents acoustiquement, de sorte que leur présence ne modifie pas la sensibilité à l'émission du transducteur. The total thickness of the hydrophones 6 is of the order of 10 mm, so that the presence of these does not significantly modify the dimensions or the weight of a transmitting antenna equipped with these hydrophones. In addition, the composition of the hydrophones according to the invention makes them almost acoustically transparent, so that their presence does not modify the sensitivity to emission of the transducer.
A la réception, le pavillon fait fonction de réflecteur dur placé à l'arrière des hydrophones, tres près de la plaque centrale piézo-électrique 7. At reception, the pavilion acts as a hard reflector placed behind the hydrophones, very close to the piezoelectric central plate 7.
Les hydrophones 6 ne comportent pas de boîtier rigide ni d'air emprisonné dans l'hydrophone. Ils peuvent donc résister à de grandes profondeurs d'immersion et donc être associés à des antennes émettrices immergées à grande profondeur. The hydrophones 6 do not have a rigid housing or air trapped in the hydrophone. They can therefore withstand great immersion depths and therefore be associated with transmitting antennas submerged at great depth.
Bien entendu, les clinquants en laiton faisant fonction d'électrodes sont connectés par des conducteurs 12 sur un récepteur électronique non représenté. Of course, the brass foils acting as electrodes are connected by conductors 12 on an electronic receiver, not shown.
Les hydrophones 6 selon la figure 5 comportant une plaque en polymère piézo-électrique intercalée entre des plaques en matériau visco-élastique ont une courbe de sensibilité à la réception très uniforme dans une large bande de fréquences. The hydrophones 6 according to FIG. 5 comprising a piezoelectric polymer plate interposed between plates of visco-elastic material have a very uniform reception sensitivity curve over a wide frequency band.
La figure 6 représente,en ordonnées, la sensibilité Sh mesurée sur un hydrophone selon l'invention exprimée en décibels référence IV/lmicropascal et en abscisses les fréquences en KHz. On voit que la sensibilité reste uniforme entre 4 KHz et 9 KHz et un transducteur équipé d'hydrophones ayant cette sensibilité peut être utilisé pour construire des antennes d'écoute dans une bande comprise entre 4 KHz et 9 KHz. FIG. 6 represents, on the ordinate, the sensitivity Sh measured on a hydrophone according to the invention expressed in decibels reference IV / micropascal and on the abscissa the frequencies in KHz. We see that the sensitivity remains uniform between 4 KHz and 9 KHz and a transducer equipped with hydrophones having this sensitivity can be used to build listening antennas in a band between 4 KHz and 9 KHz.
La directivité d'une antenne réceptrice composée de rangées de transducteurs portant chacun un nombre pair d'hydrophones identiques et indépendants,symétriques par rapport à un plan ou à deux plans orthogonaux passant par l'axe du transducteur est bonne car tous les hydrophones occupant une même position sur tous les transducteurs d'une même colonne ou d'une même ligne horizontale, peuvent être couplés ensemble et reliés à un dispositif de commutation électronique qui permet d'effectuer un balayage de l'espace et d'obtenir en haute fréquence des diagrammes de directivité sans lobe secondaire gênant. The directivity of a receiving antenna composed of rows of transducers each carrying an even number of identical and independent hydrophones, symmetrical with respect to a plane or to two orthogonal planes passing through the axis of the transducer is good because all the hydrophones occupying a same position on all the transducers of the same column or the same horizontal line, can be coupled together and connected to an electronic switching device which makes it possible to scan the space and obtain high frequency Directivity diagrams without annoying secondary lobes.
Les hydrophones indépendants placés sur la face externe du pavillon de chaque transducteur, peuvent comporter une seule feuille de polymère piézo-électrique commune à tous les hydrophones et des électrodes en clinquant séparées pour chacun des hydrophones. The independent hydrophones placed on the external face of the roof of each transducer, may comprise a single sheet of piezoelectric polymer common to all the hydrophones and separate foil electrodes for each of the hydrophones.
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