HAL Id: jpa-00230429
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00230429
Submitted on 1 Jan 1990
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DU FONCTIONNEMENT D’UN TRANSDUCTEUR DE TYPE TONPILZ
M. Amadei, P. Gonnard, L. Eyraud, D. Boucher
To cite this version:
M. Amadei, P. Gonnard, L. Eyraud, D. Boucher. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DU FONCTION-
NEMENT D’UN TRANSDUCTEUR DE TYPE TONPILZ. Journal de Physique Colloques, 1990, 51
(C2), pp.C2-571-C2-574. �10.1051/jphyscol:19902134�. �jpa-00230429�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Colloque C2, suppl6ment au n02, Tome 51, Février 1990 ler Congrès Français d'Acoustique 1990
BTUDE
EXP~RIMENTALE DU FONCTIONNEMENT D'UN TRANSDUCTEUR DE TYPE TONPILZM.M. AMADEI, P. GONNARD, L. EYRAUD et D. BOUCHER*
Laboratoire de Génie Electrique et Férroélectricit6, INSA. F-69621 yilleurbanne Cedex, France
Groupe dlEtudes et de Recherche en Détection Sous-Marine, Le Brusc, F-83140 Six Fours Les Plages. France
Résumé : Le but de cette étude est de mieux comprendre le fonctionnement d'un trans- ducteur de puissance de type Tonpilz. Des études électriques, mécaniques et thermi- ques dans l'air ont mis en évidence le problème des pertes.
Abstract : The object of this study is to understand the working of a Tonpilz power transducer. Electrical. mechankcal and thermal studies in air clearly show the impor- tance of losses.
INTRODUCTION :
Le but de ce travail est d'étudier expérimentalement un transducteur de type Tonpilz à sa résonance de manière à mieux saisir son fonctionnement et à déterminer l'ori- gine des pertes entraînant des échauffements excessifs. Cette étude a été faite en étroite collaboration avec le Groupe dtEtudes et de Recherche en Détection Sous-Marine du Brusc (DCAN de Toulon).
1
-
PRESENTATION DU TRANSDUCTEUR ETUDIECe transducteur est utilisé en détection sous-marine à grande distance. Plusieurs
-
transducteurs du même type sont montés en antenne. Cet appareil est constitué d'un empile- ment de céramiques piézoélectriques, d'un pavillon formant la face parlante, d'une contre- masse, le tout étant collé et maintenu en place par une tige de précontrainte. Les cérami- ques sont montées tête-bêche et alimentées en parallèle deux à deux. Le transducteur a été étudié dans l'air à sa résonance fondamentale, donc n'étant pas chargé, sa caractérisation est effectuée aux conditions nominales de fonctionnement mécanique mais sous tension élec- trique réduite.
II
-
ETUDE DU TRANSDUCTEUR11-1 Mesures électriques et mécaniques
"
La mesure de l'accélération Ü de la face parlante est faite à l'aide d'un accélé- romètre Briiel et Rjaer de type 8309.
Il n'est pas nécessaire de mettre des tensions supérieures à 130 Volts pour at- teindre le point de fonctionnement mécanique nominal. Pour une tension variant de O à 130 Volts environ, les différentes grandeurs analysées sont : le courant i, la résistance R,, la puissance dissipée P m , l'accélération ü et la vitesse ù déduite de l'accélération par la formule : U = ü12~f. Comme le transducteur est étudié à sa résonance, son impédance est quasiment égale à la résistance des pertes R, située dans la branche motionnelle du schéma équivalent du transducteur. Les différents résultats obtenus sont traduits par les courbes données figures 1 à 4 : R,(i), P,(i), acc.(i), acc.(v).
Remarques :
*
On peut voir que, dans ces conditions, le transducteur a fonctionné en régime linéaire puisque la courbe d'accélération en fonction du courant est une droite. La pente de cette courbe est proportionnelle à la racine carrée du facteur de mérite du transducteur.*
De plus, on peut observer une saturation de l'accélération en fonction de la tension. Il est inutile d'augmenter la tension car on ne pourra pas obtenir d'accélération supérieure.*
La résistance présente une décroissance, puis une croissance en fonction du courant. Il s'avérera que cette décroissance de la courbe est simplement due à la charge du caoutchouc placé sur le pavillon et destiné à assurer l'étanchéité. Elle n'apparaît plus si on ôte le caoutchouc du pavillon.Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902134
C2-572 COLLOQUE DE PHYSIQUE
*
Lors d'un fonctionnetiient dans les conditions mécatiiques nominales, la puissance dissipee de l'ordre de 60 Watts entraîne des échauffement excessifs el1 régime permanent.Dans cette première étude, apparaissent déjà les problèmes qui ont été évoqués plus haut : pertes trop importantes, saturation.
Fig 1 Résistance mécanique en fonctioii de i Fig 2 Pertes mécaniques en fonction de i
Pig 3 Accélération en fonction de i Fig 4 Accélération en fonction de la tension 11-2 Mesures thermiques
Pour confirmer ces premiers résultats, une 6tlJde thermique a été menée. A cet ef- fet, le transducteur est placé en convection naturelle libre. alimenté - - à sa résoilailce et au point de fonctionnement nominal mécanique. La mesure de température est effectuée après 3 heures de fonctionnement grâce à un pyromètre à radiation Keller PHOl.
Le pyroniètre, déplacé tout le long du transducteur, donne l'allure des échauffe- ments le long d'une de ses génératrices. (Fig. 5)
L'échauffement maximal (38OC environ) se situe aux alentours de 1'Clectrode nodale où se trouve, en général, le maximum de contrainte.
Fig 5 Echauffement le 3.orig du rransduct.eur 2 105 Volts
Il est à remarquer que ces mesures ont été faites à l'air libre. Quand le trans- ducteur sera dans son carter, les échanges thermiques avec l'extérieur ne pourront plus se faire de la même façon et les échauffements risquent d'être plus importants. La tempéra- ture le long du pavillon et de la contre-masse est uniforme, ce qui semble logique.
Pendant le régime thermique transitoire, l'accélération demeurant proportionnelle au courant (Fig. 6 ) , le facteur de mérite du transducteur peut être considéré comme indé- pendant de la température (pour T < 600C). Cependant, les deux grandeurs chutent au cours du temps d'environ 30% avant de se stabiliser en régime permanent. Cet effet, dû à une augmentation de la résistance des pertes peut être expliqué : la colle située aux inter- faces et sur les parois extérieures des céramiques devient de plus en plus visqueuse en chauffant d'où, amortissement des vibrations et augmentation des pertes. Ceci a été con- firmé lors de l'étude d'un transducteur identique mais auquel le caoutchouc situé sur le pavillon a été ôté : à t = O, le courant était 3 fois supérieur à celui étudié ci-dessus.
Mais en régime permanent, il s'est stabilisé aux mêmes valeurs de courant et d'accélé- ration.
. i [ m ~ ] .Acc[g]
Fig 6 Courant et accélération en fonction du temps 11-3 Origine des pertes
Les mesures électriques et thermiques montrent que les pertes constituent l'incon- vénient majeur de ce genre de transducteur.
Les céramiques piézoélectriques étant les éléments actifs du montage, il est appa- ru nécessaire de s'intéresser à leurs pertes dans des conditions de fonctionnnement compa- rables de manière à distinguer les pertes du matériau actif des autres pertes du transduc- teur. Les pertes des céramiques sont de deux types : diélectriques et mécaniques.
Pour estimer les pertes mécaniques dues aux céramiques dans de telles conditions, le transducteur peut être assimilé à une seule céramique de même volume que l'empilement précédent couplée à un pavillon.
Dans les conditions mécaniques nominales requises, la puissance dissipée mécani- quement dans les céramiques est : p, = 0,3 W cl].
Les pertes diélectriques ont été mesurées grâce à un pont fonctionnant sur le même principe qutun pont de Schering mais à tension et fréquence variables. Elles ont donc été déterminées dans les mêmes conditions que lors de l'étude précédente à partir de la fré- quence de résonance du transducteur et sous des charges nous permettant d'avoir les condi- tions mécaniques nominales (100 Vlcm). Elles sont de l'ordre de 4 Watts e L a -;O0 V1iiiin.
Ceci nous amène à une puissance perdue dans les céramiques de 4,30 Watts alors que la puissance totale dissipée est de 60 Watts. Les céramiques ne sont donc pas à l'origine de pareilles pertes. Il conviendra de s'intéresser de façon plus précise aux problèmes de muntage de ce type de transducteurs.
11-4 Analogies entre grandeurs électriques et mécaniqueç
Pour essayer de mieux saisir le fonctionnement mécanique de ce transducteur, il est intéressant d'étudier les amplitudes de vibration sur toute la longueur. Cette mesure est effectuée à l'aide d'un détecteur de proximité permettant une mesure sans contact.
L'allure de la vibration donnée Fig. 7 pour différentes tensions allant de 10 à 100 Volts conduit aux remarques suivantes :
*
Il n'y a pas de noeud de vibration mais simplement un minimum qui se situe aux alentours de l'électrode "nodale".*
La lère céramique après le pavillon ne se déforme pratiquement pas.*
Le transducteur n'étant pas chargé, pavillon et contre-masse réagissent sensiblement de la même manière.COLLOQUE DE PHYSIQUE
Fig 7 Amplitude de vibration le long du transducteur pour différentes tensions
A partir de la courbe des amplitudes de vibration de la figure 7. il est possible au AU
de calculer la déformation S de chaque céramique : S =
-
=-
(e = épaisseur d'un disque)6 x e
(figure 8). Il apparaît très clairement que les céramiques ne travaillent pas de la même manière suivant 1a.position qu'elles occupent.
La relative similitude entre les variations de la déformation S et celles du cou- rant électrique dans chaque ceramique pour une tension appliquée de 100 V indique que le courant absorbé localement est l'image de la déformation. (Fig. 9).
Fig 8 Déformation de chaque céramique Fig 9 Courant traversant chaque céramique Cette analogie électrique-mécanique a été retrouvée théoriquement dans le cas d'un barreau mono-élément vibrant en mode longitudinal.
Il apparaît que les variations de la densité de courant J et de la vitesse de dé- formation S sont similaires. Ces deux grandeurs varient en cosinus suivant l'abscisse x et J = &.s =
k.6
avec Mo facteur de mérite C21.III
-
CONCLUSIONCes diverses études ont permis de mieux connaître le fonctionnement électrique, mécanique et thermique de ce type de transducteurs. Le principal problème est lié aux per- tes qui entraînent d'importants échauffements. En fonctionnement mécanique nominal, des puissances de 60 Watts y sont dissipées, alors que les céramiques piézoélectriques ne sont responsables que de 4 Watts environ. Il faut donc déterminer l'origine des autres pertes.
Dans une prochaine étude. il conviendra de s'intéresser plus précisément aux montages de ces transducteurs en modifiant les interfaces, en particulier en étudiant d'autres types d'électrodes et en agissant sur des paramètres tels que la précontrainte.
Références :
111 Powersonic and Ultrasonic Transducers Design, Spring-Verlag Berlin, 1987 C21 CHAMP (P.) thèse de Doctorat INSA Lyon,Mai 1989, 265 p.
