HAL Id: jpa-00230705
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Submitted on 1 Jan 1990
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CONCEPTION ET MODÉLISATION DE PROJECTEURS SONAR BASSE FRÉQUENCE
B. Hamonic, J. Debus, J. Decarpigny, D. Boucher
To cite this version:
B. Hamonic, J. Debus, J. Decarpigny, D. Boucher. CONCEPTION ET MODÉLISATION DE PRO-
JECTEURS SONAR BASSE FRÉQUENCE. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-
345-C2-348. �10.1051/jphyscol:1990283�. �jpa-00230705�
1er Congrès Français d'Acoustique 1990
CONCEPTION E T M O D É L I S A T I O N D E PROJECTEURS SONAR B A S S E F R É Q U E N C E
B . HAMONIC, J.C. D E B U S , J.N. DECARPIGNY et D . BOUCHER
Laboratoire d'Acoustique, URA 253 CNRS, Institut Supérieur d'Electronique du Word, 41 Boulevard Vauban, F-59046 Lille Cedex, France
'Groupe d'Etude et de Recherche de Détection Sous-Marine, D.C.A.N.
Toulon, Le Brusc, F-83140 Slx-Fours les Plages, France
Résumé : Les transducteurs de type flextensionnels peuvent être utilisés pour l'émission sous-marine basse fréquence. Cet article rappelle, dans un premier temps, leur principe de fonctionnement, les avantages et les inconvénients des différentes classes.
Puis, la deuxième partie présente des résultats obtenus pour un transducteur de classe IV à coque composite à l'aide de modélisations conduites avec le code éléments finis ATILA.
Abstract: Flextensional transducers are useful for generating underwater sound at low frequencies. The first part of this article*summarizes the principles of operation and the advantages and disadvantages of each class. The second part presents some modeling results obtained for a composite shell class IV transducer using the finite element code ATI1A.
INTRODUCTION
En Acoustique Sous-Marine, l'évolution des systèmes sonar vers les basses fréquences (100 Hz à 1 ou 2 kHz) a conduit au développement de structures de transducteurs originales autorisant la fourniture de puissances élevées pour un encombrement réduit. Ces sources permettent notamment d'augmenter la portée de détection ou d'activer des antennes linéaires. La majorité des solutions retenues utilise des vibrations de flexion pour assurer la transmission de l'énergie acoustique au milieu fluide. Lorsque cette flexion est localisée dans la partie inactive, les transducteurs sont de type flextensionnel. Ils sont alors composés d'une partie motrice, piézoélectrique ou parfois magnétostrictif, formée de colonnes cylindriques ou-parallélépipédiques, d'un anneau ou d'un disque et d'une coque qui rayonne dans le fluide environnant. Ils exploitent la conversion du mouvement longitudinal ou radial de leur moteur en mouvement de flexion de leur coque pour amplifier notablement la vitesse volumique et la puissance acoustique rayonnée. Il existe, à priori, cinq types de transducteurs flextensionnels [1,2] numérotés ci-après de I à V, présentés schématiquement figure 1, tous destinés à fonctionner en basse fréquence.
L'analyse théorique de leur comportement suppose une modélisation géométrique à deux ou trois dimensions et la prise en compte d'une forte hétérogénéité, du couplage piézoélectrique ou magnétostrictif et de l'interaction avec le domaine fluide infini.
Cette analyse suppose de plus la maîtrise de problèmes physiques complexes liés à la fatigue et au comportement non-linéaire des matériaux, à la dépolarisation des céramiques sous champ électrique élevé, à 1'échauffement induit par les dissipations d'énergie dans le transducteur, à la cavitation et à l'interaction entre transducteurs élémentaires.
Figure 1 : Classes de transducteurs flextensionnels
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990283
COLLOQUE DE PHYSIQUE
1 - PRINCIPE
Un transducteur flextensionnel est composé de deux parties distinctes, la coque et le moteur. La coque, qui constitue l'élément externe du transducteur peut, à cause de sa forme et de ses dimensions, avoir une ou plusieurs fréquences de résonance dans la bande d'intérêt. Le couplage de ces différents modes est alors susceptible de fournir une largeur de bande de plusieurs octaves. La coque est, de plus en plus, réalisée en composite verre-résine afin de réduire la fréquence de résonance et le coefficient de qualité du transducteur immergé. Le moteur est utilisé simplement pour exciter ces modes.
Sa vibration, longitudinale ou radiale, impose au raccord coque-moteur une déflexion qui est souvent, grâce à la forme de celui-ci, transmise à la coque de façon amplifiée. Cet effet de bras de levier peut être très important dans l'obtention de fréquences basses. La longueur de la colonne ou du barreau de céramiques utilisé dans les flextensionnels de type 1 à IV, est toujours faible par rapport à la longueur d'onde dans la direction de déformation, le moteur opérant à une fréquence nettement inférieure à sa fréquence de résonance. De ce fait, il est relativement rigide. La coque, quant à elle, ramène une inertie effective importante due à son mouvement et à l'entraînement du fluide, inertie qui, étant donnée la rigidité du moteur, procure une résonance basse fréquence. Les mêmes conclusions sont à formuler dans le cas des trailsducteurs flextensionnels de type V pour lesquels l'anneau ou le disque de céramique est excité sur une fréquence relativement faible par rapport à celle de son premier mode radial. Le mouvement de flexion induit dans la coque entraîne généralement une variation de volume (c.a.d. une vitesse volumique) importante et permet d'assurer un bon rayonnement.
Les transducteurs flextensionnels de type 1 ont été parmi les premiers étudiés [ 3 , 4 ] . 11s sont composés d'une colonne de céramique piézoélectrique reliée par une partie massive à une coque fermée, dont la forme admet exactement ou pratiquement une symétrie axiale.
Dans la colonne, dont la cohérence est assurée par une tige de précontrainte, les céramiques sont séparées par des électrodes et excitées en parallèle de façon à transférer le maximum d'énergie mécanique. Les transducteurs flextensionnels de type II et III constituent une évolution du transducteur de classe 1. Ils permettent d'augmenter la quantité de matériau actif, donc la puissance d'émission. La forme des coques permet de modeler l'amplification volumique. A notre connaissance, ils sont, comme le classe 1, peu utilisés, leur construction n'étant pas simple. Les flextensionnels de type V [ 5 , 6 ] , utilisant les vibrations radiales d'un anneau ou d'un disque de céramique, ont diverses applications, entr'autre comme bouées émettrices. Leur coque est collée sur l'anneau ou le disque de céramique par une résine époxy. Un anneau externe de précontrainte est souvent adjoint à l'ensemble. Les transducteurs de type IV sont les plus utilisés [ 7 , 8 ] . Ils sont composés d'un cylindre ovale et d'un ou plusieurs barreaux de céramiques piézoélectriques et ont l'avantage de pouvoir être associés. L'antenne émettrice ainsi constituée est placée entre deux plaques rigides. La longueur du barreau de céramiques étant choisie légèrement supérieure à l'écartement entre les extrémités de la coque, son insertion est réalisée en déformant celle-ci. Après relâchement, des efforts de compression lui assurant une précontrainte totale ou partielle sont ainsi appliqués. Ces efforts doivent être notablement supérieurs aux efforts de tension induits par la pression hydrostatique appliquée à la coque immergée lorsque des conditions de forte immersion sont requises, mais ils doivent toutefois rester inférieurs aux contraintes limites qui entraîneraient des réductions de couplage et des effets de dépolarisation dans les céramiques.
L'apparition de forces de tension dues à la pression hydrostatique implique, soit un compromis entre la puissance d'utilisation du transducteur et sa profondeur de fonctionnement, ce qui constitue une limitation importante à prendre en compte lors de sa conception, soit l'utilisation de systèmes de compensation ad'hoc.
Bien que sensiblement différentes du point de vue de la géométrie, toutes les classes de flextensionnels possèdent les mêmes propriétés :
- une bonne adaptation acoustique au milieu fluide, procurant un rendement important, (>60%), obtenue grâce à l'augmentation d'amplitude de vibration et de surface entre moteur et coque, qui conduit à un accroissement notable de la vitesse volumique, - une largeur de bande plus importante, pour une taille donnée, que celle d'un
transducteur classique,
-
une densité de puissance par unité de volume très élevée (parfois triple), par rapport à celle obtenue avec un transducteur conventionnel utilisant les déformations de flexion (barreau en flexion, disque en flexion),de l'onde acoustique émise, et sont relativement légers,
-
une solidité et une fiabilité élevée.II RESULTATS
Depuis plusieurs années, des travaux ont été mené au laboratoire pour mettre au point des outils numériques facilitant la conception des transducteurs flextensionnels [9-111.
Ces outils utilisent la méthode des éléments finis et la méthode des équations intégrales.
Ils ont été incorporés au code éléments finis ATILA, et au code équations intégrales EQI.
Une part importante a consisté en la mise au point d'éléments finis de type composite, nécessaires à la description des coques. Basée sur une approche micromécanique, leur formulation fait appel au modèle dlHalpin et Tsai [12,13]. Les résultats présentés ci- après ont été obtenus pour un classe IV dont la coque est composite. L'analyse complète du transducteur a été réalisée dans l'air et dans l'eau. A titre d'illustration, les résultats de l'analyse modale et de l'analyse statique sont présentés ci-après.
Les dimensions du transducteur élémentaire sont les suivantes : grand axe 500 mm, petit axe 160 mm. L'épaisseur de la coque varie de 21 mm à 15,75 mm compte tenu du procédé de fabrication. La coque est constituée de verre E et de résine époxy. La partie active est constituée de 12 colonnes de céramiques, montées en 6 moteurs parallèles. Pour des raisons de symétrie, le modèle éléments finis peut être ramené à un huitième de tranche élémentaire. Dans tous les cas, le champ de déplacement est supposé symétrique par rapport aux plans de symétrie de la structure, car seuls les modes couplés électriquement sont intéressants. Le maillage global contient 465 noeuds et environ 1100 degrés de liberté.
Les résultats de l'analyse modale du transducteur complet sont regroupés ci-dessous pour les 4 premiers modes. Les trois premiers modes sont à relier aux trois premiers modes de flexion de la coque. Le quatrième mode est un mode dû au moteur. La figure 2 présente la déformée du mode fondamental. Il faut noter que le premier mode a un coefficient de couplage de 22 %.
De façon à évaluer la précontrainte nécessaire au bon fonctionnement du transducteur immergé, une analyse statique a également été menée (figure 3). Ce dimensionnement est réalisé en calculant d'abord les effets d'une pression hydrostatique sur le transducteur complet, puis la déformation statique de la coque sur. laquelle on applique une force a l'aplomb du petit axe [14].
Modes
1 2 3 4
CONCLUSION
L'utilisation de transducteurs flextensionnels pour le travail en basse fréquence est une approche intéressante. Il ne faut cependant pas oublier que ces structures sont en général omnidirectionnelles, que leur utilisation a forte immersion nécessite des systèmes de compensation, et que, compte tenu leur rendement et les puissances recherchées, l'électronique associée peut être imposante. De nombreux travaux conduits actuellement, en particulier au laboratoire, portent sur l'utilisation de nouveaux matériaux pour la partie active et la coque.
f (Hz)
828 1722 3582 3670
k ( X )
21.9 9.6 20.6 40.8
COLLOQUE DE PHYSIQUE
REFERENCES
1- L.H. ROYSTER, Applied Acoustics (3) 117-126, (1970).
2- G.A. BRIGHAM, L.H. ROYSTER, J. Acoust. Soc. Am. 46, 92(A), (1969).
3- L.H. ROYSTER, J. Acoust. Soc. Am. 38, 879-880, (1965).
4- L.H. ROYSTER, J. Acoust. Soc. Am. 45, 671-682, (1969).
5- R.A. NELSON Jr. L.H. ROYSTER, J. Acoust. Soc. Am. 49, 1609-1620, (1971).
6- B.A. ARMSTRONG, G.W. M C W O N , IEEE Proceedings., Vol 131, Part F, No. 3, (1984).
7- J. OSWIN, J. DUNN, Proceedings of the international workshop on power sonic and ultra- sonic transducers design, éd. B. Hamonic et J.N. Decarpigny, Springer Verlag, (1988).
8- J.R. OSWIN, A. MASKERY, Proceedings I.O.A. Vol. 9 , Part 2, 23-30, (1978).
9- B. HAMONIC, Thèse de Doctorat, Université des sciences et techniques de Lille, (1987).
10- B. HAMONIC, J.C: DEBUS. J.N. DECARPIGNY, B. TOCQUET. D. BOUCHER, J. Acoust. Soc. Am.
86, (4), 1245-1253, (1989).
11- B. HAMONIC. J.C. DEBUS, H. TOURNEUR. J.N. DECARPIGNY, D. BOUCHER, soumis à J. Acoust.
Soc. A m . , (1989).
12- J.C. HALPIN, S.W. TSAI, report AFML-TR67, 423, (1969).
13- S.W. TSAI, "Composites Design," Ed. Think Composites, Dayton, Ohio, (1987).
14- J.C. DEBUS, J.N. DECARPIGNY, B. HAMONIC, convention C.86.48.826.334. avec le G.E.R.D.S.M., commande 08, (1988).
Figure 2 : Mode fondamental du transducteur flextensionnel (828 Hz)
Figure 3 : Application des efforts de précontrainte suivant le petit axe de la coque
