Transducteur de type Langevin pour des applications sous-marines(BaTiO:Co)

Aussi appelé par les allemands pendant la Seconde Guerre Mondiale « Tonpilz » (cham- pignon acoustique), ce transducteur essentiellement utilisé pour les applications sous-marines se compose de 4 parties principales (illustrées sur la Figure 8.1). Une colonne d’anneaux de céramiques piézoélectriques est le moteur du transducteur. Ces anneaux sont empilés de manière à ce que les orientations des polarisations soient alternées avec des connec- tions électriques adéquates. Pour cela, des feuillards conducteurs (fines feuilles de cuivre, par exemple) peuvent être placés entre chaque céramique pour permettre la reprise des contacts électriques afin de pouvoir envoyer l’excitation nécessaire.Un pavillon, généralement conçu avec un matériau dont la masse volumique est assez faible (aluminium par exemple), possède une face contre la colonne de céramiques et une autre face au contact de l’eau, appe- lée face avant. Le pavillon sert à amplifier le rayonnement du mode piston dans l’eau qui est créé par la colonne de céramiques. Ses dimensions conditionnent la qualité du rayonnement.Une contremasse est constituée d’un ma- tériau de grande densité. Elle se positionne à l’opposé du pavillon, de l’autre côté de la colonne de céramique. Son rôle est d’im- mobiliser au mieux la surface arrière de la colonne de céramiques. De cette manière, le nœud de l’onde de vibration se placera idéa- lement à l’interface colonne/contremasse pour laisser le maximum d’énergie vers le pavillon.

Une tige de précontrainte solidarise l’ensemble. Son but essentiel est de maintenir les céramiques sous une compression permanente qui est une condition indispensable pour des performances optimisées.Enfin, pour que ce transducteur puisse être immergé sans problème, un boitier étanche lui est ajouté tout autour comme le montre la Figure 8.2. Pour l’optimisation du tonpilz, tout un travail doit aussi être fait sur le boîtier afin d’améliorer le rayonnement dans l’eau dont les pressions élevées sont représentées en rouge sur le schéma. C’est évidemment du côté de la membrane collée sur la face du pavillon que la pression est la plus forte. Pour créer cette pression, le mode de fonctionnement de la colonne de céramiques et du pavillon est le mode piston. Le but de ce chapitre est d’évaluer les performances du tonpilz avec des céramiques piézoélectriques sans plomb par rapport à ceux intégrant les habituelles céramiques PZT. Les dimensions et géométries des éléments du tonpilz ont été choisies suite à des études d’optimisation faites au préalable avec différentes configurations par l’IEMN. La simula- tion numérique et quelques mesures sont réalisées pour cette comparaison de transducteurs avec ou sans plomb. Pour savoir si un matériau piézoélectrique est efficace pour ce genre de transducteur, sa sensibilité M qui fait partie de la figure de mérite (FOM) définie dans l’ouvrage de Sherman et Butler [145], est calculée comme suit :. Les facteurs de qualité ont des valeurs très intéressantes, supérieures à 500.

Pour une simulation correcte du tonpilz, une des premières étapes est de renseigner correctement les propriétés des matériaux. L’outil de caractérisation développé dans le chapitre 4 sert ici à la caractérisation directe des anneaux avant qu’ils soient intégrés dans le transducteur. Cet outil est indispensable pour ce type de caractérisation car, comme il est montré plus loin, les dimensions des anneaux ne permettent pas le découplage des modes et donc il est impossible de caractériser l’anneau en utilisant la méthode standard IEEE [25]. De plus, les caractéristiques piézoélectriques importantes du matériau pour la conception d’un tonpilz sont les valeurs de d qui participent à la figure de mérite dece transducteur. N’ayant pas été déterminées au préalable, elles le seront ici afin d’évaluer si ce matériau sans plomb est un bon candidat pour remplacer le PZT dans ces transducteurs.Le choix du nombre d’anneaux qui forment la colonne de céramique se fait en fonction des carac- téristiques finales souhaitées. En effet, la hauteur de la colonne conditionne la fréquence de résonance de l’ensemble même si ce n’est pas le seul paramètre puisque les matériaux aussi participent par leurs ca- ractéristiques propres (masse volumique, élasticité, etc.). Dans notre cas, comme il s’agit d’une compa- raison de tonpilz intégrant des matériaux piézoélec- triques avec ou sans plomb, le nombre d’anneaux importe peu.Deux anneaux sont donc retenus. Leurs dimensions sont données sur la Figure 8.3 et la masse volumique est de 5656 kg/m.