[0001] La présente invention concerne le domaine des transducteurs électroacoustiques. Elle
porte plus particulièrement sur un transducteur électroacoustique apte à convertir
un signal acoustique aérien en signal électrique.
[0002] Un tel capteur électroacoustique peut mettre en oeuvre diverses technologies de transduction.
Il peut notamment être du type capacitif, piézorésitif, piézoélectrique, électrodynamique
ou optique. De manière générale, un tel transducteur électroacoustique comporte un
élément mobile (tel qu'une membrane déformable, ou une plaque suspendue ou déformable,
ou encore une lame flexible) dont le mouvement, provoqué par une onde acoustique,
est transformé en grandeur électrique, image de la pression acoustique, par un élément
de transduction.
[0003] Un capteur électroacoustique piézorésistif met en oeuvre des jauges piézorésistives
placées dans les zones de contraintes maximales d'une membrane constituant l'élément
mobile.
[0004] Un capteur électroacoustique piézoélectrique met en oeuvre un revêtement piézoélectrique
reporté sur une membrane constituant l'élément mobile et des électrodes configurées
pour caractériser les contraintes dans la membrane.
[0005] Un capteur électroacoustique électrodynamique met en oeuvre une bobine et des aimants
pour effectuer une mesure de courant lorsque la bobine portée par l'élément mobile
se déplace dans un champ magnétique fixe.
[0006] Un capteur électroacoustique optique met en oeuvre une mesure optique du déplacement
de l'élément mobile.
[0007] La détection capacitive est celle qui offre la plus grande sensibilité aux faibles
déplacements de l'élément mobile, et constitue ainsi la technologie préférentiellement,
mais pas nécessairement, mise en oeuvre dans l'invention.
[0008] Un capteur électroacoustique à effet capacitif, également appelé transducteur électrostatique,
comporte une électrode mobile positionnée en regard d'une électrode arrière fixe.
L'électrode mobile est généralement constituée d'une membrane déformable recouverte
d'une couche conductrice. L'électrode mobile peut également être constituée d'une
plaque conductrice, ou selon d'autres configurations connues.
[0009] L'électrode mobile et l'électrode fixe forment ainsi les armatures d'un condensateur,
chargé par une tension continue. Une pression acoustique exercée sur l'électrode mobile
en provoque le déplacement vis-à-vis de l'électrode arrière, généralement par déformation
de la membrane qui la constitue. Cela entraîne une variation de la capacité formée
entre l'électrode mobile et l'électrode arrière fixe.
[0010] La charge électrique du condensateur ainsi constitué étant maintenue constante et
égale au produit de la tension et de la capacité, la variation de la capacité produit
une variation inverse de tension.
[0011] Dans l'état de la technique connu, ce type de capteur correspond à une technologie
de microphones. Les microphones sont configurés pour présenter sur leur bande passante
une sensibilité la plus constante possible. Leur bande passante s'étend le plus largement
possible sur une bande située entre 20Hz environ et 20kHz environ, ce qui correspond
à l'ensemble du spectre audible.
[0012] Il es fait référence au document
FR 2 673 347, qui décrit un transducteur acoustique, un élément fixe, une cavité et un élément
dissipatif, le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif
et la cavité ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance
du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, dans lequel l'élément mobile,
l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le
facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux, la cavité étant
de forme générale d'un cylindre ou d'un tronc de cône, l'élément mobile formant une
première base du cylindre, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit cylindre
en surélévation de la seconde base du cylindre.
[0013] Dans un transducteur électroacoustique capacitif, le système couplé constitué de
l'électrode mobile, d'un élément dissipatif (c'est-à-dire apte à provoquer une dissipation
d'énergie), et pouvant typiquement être une lame d'air située entre l'électrode mobile
et l'électrode fixe, et une cavité, présente une fréquence propre, qui correspond
à une fréquence de résonance du transducteur électroacoustique selon un mode propre
de résonance. Cela est le cas pour tout transducteur électroacoustique capacitif.
Dans le cas d'un transducteur électroacoustique capacitif dont l'électrode mobile
est une membrane déformable, la fréquence de résonance peut être définie - dans une
certaine mesure - en réglant la tension de la membrane.
[0014] Une sensibilité la plus constante possible sur la bande passante pour laquelle le
microphone est configuré est obtenue d'une part en configurant le transducteur pour
écarter sa première fréquence de résonance au-delà de la bande passante employée,
et en amortissant cette résonance.
[0015] Typiquement, pour un microphone, il est classique de décaler cette fréquence de résonance
vers les hautes fréquences, par exemple au-delà de 9KHz ou plus selon les applications
: jusqu'à 140 kHz pour des microphones destinés à des mesures sur maquettes (afin
de garder une longueur d'onde à l'échelle de la maquette, il faut employer une fréquence
décalée en conséquence vers les hautes fréquences), voire jusqu'à 0,5 MHz pour l'étude
des ondes de choc ou des animaux émettant dans les ultrasons comme par exemple les
chauves-souris. Pour ce qui est de l'obtention d'un amortissement permettant l'atténuation
du pic de résonance selon le mode principal ou selon d'autres modes pouvant se situer
dans la bande passante employée, la présence d'un film d'air entre la membrane et
l'électrode induit un amortissement provoqué par les pertes visqueuses dans l'air.
Cette résistance acoustique va conditionner le facteur de qualité, qui est un paramètre
prépondérant de caractérisation du comportement du transducteur électroacoustique.
Le facteur de qualité est un paramètre adimensionnel qui caractérise le taux d'amortissement
d'un système oscillant.
[0016] Le facteur de qualité peut être mesuré ou calculé de diverses manières connues. Il
est défini comme le rapport de la fréquence propre, à laquelle le gain est maximal,
à la largeur de la bande passante du système à -3 dB du niveau de la résonance.
[0017] Plus le facteur de qualité est élevé, plus la bande passante est petite, et plus
la résonance se traduit par un pic de gain important, c'est-à-dire élevé et étroit.
[0018] Ainsi, un transducteur électroacoustique doit présenter un facteur de qualité faible,
traduisant l'absence de pic important de résonance.
[0019] Les applications d'un transducteur électroacoustique fonctionnant en tant que capteur
sont multiples. Dans certaines applications, il convient de déterminer si le transducteur
électroacoustique est exposé ou non à une fréquence donnée.
[0020] Pour cela, il est connu d'employer un filtre électronique sélectif de la fréquence
considérée, ou de la plage de fréquences considérée. Un tel filtre entraine néanmoins
une certaine complexité de mise en oeuvre, nécessite une certaine puissance de calcul
(dans le cas d'un filtre numérique), et requiert une alimentation électrique qui,
elle aussi, complexifie la mise en oeuvre du système. Cette complexité est préjudiciable,
en particulier dans les systèmes mettant en oeuvre des transducteurs électroacoustiques
de petite taille et/ou en grand nombre. Un grand nombre de transducteurs électroacoustiques
employés comme capteurs peut en effet être nécessaire pour discriminer plusieurs fréquences
ou plages de fréquences, et/ou afin de déterminer l'exposition à certaines fréquences
dans un espace étendu, ce qui nécessite une dissémination de capteurs.
[0021] La présente invention a pour but de résoudre au moins l'un des inconvénients précités.
[0022] En particulier, l'invention porte sur un transducteur acoustique de la revendication
1 adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique, comportant un élément
mobile, sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe disposé en regard de
l'élément mobile, une cavité, et un élément dissipatif interposé entre l'élément mobile
et l'élément fixe, le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif
et la cavité ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance
du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, dans lequel l'élément mobile,
l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le
facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux. La cavité est
de forme générale prismatique droite ou cylindrique ou tronconique, l'élément mobile
formant une première base du prisme, cylindre ou tronc de cône, l'élément fixe étant
disposé à l'intérieur dudit prisme, cylindre ou tronc de cône en surélévation de la
seconde base du prisme, cylindre ou tronc de cône.
[0023] Un facteur de qualité supérieur à deux caractérise un filtre sélectif autour de la
fréquence propre de l'électrode mobile. Ainsi, contrairement à un dispositif tel que
ceux connus dans l'état de la technique, la filtration du signal acoustique reçu est
réalisée directement au niveau du transducteur électroacoustique employé comme capteur,
de manière analogique, sans requérir l'emploi de moyens numériques complémentaires.
Il en découle une grande facilité de mise en oeuvre, une faible consommation électrique
de l'ensemble, et l'absence de moyens de calculs complémentaires.
[0024] De préférence l'élément fixe présente une surface inférieure à la surface de l'élément
mobile. Dans une variante, le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle
de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/6. En particulier, le rapport entre la
surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/12.
[0025] L'élément dissipatif peut être constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz. Par exemple,
l'élément dissipatif peut être constitué d'air.
[0026] Dans un mode de réalisation, l'élément mobile et l'élément fixe sont circulaires.
[0027] La cavité peut notamment être de forme générale cylindrique de révolution.
[0028] Le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif et la cavité
peut être configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz et 20KHz.
Cela est le cas dans les applications préférentielles de l'invention, mais un transducteur
conforme à certains modes de réalisation de l'invention peut avoir une fréquence de
résonance dans certaines plages des ultrasons ou des infrasons. Le transducteur peut
par exemple être configuré de sorte à avoir une fréquence de sensibilité maximale
située entre 20kHz et 140KHz. Le transducteur peut par exemple être configuré de sorte
à avoir une fréquence de sensibilité maximale de l'ordre de 500KHz.
[0029] Le transducteur est, dans un mode de réalisation préférentiel, capacitif. Dans ce
cas, l'élément mobile est une électrode mobile, l'élément fixe est une électrode fixe.
L'électrode mobile peut comporter une membrane déformable.
[0030] Le transducteur capacitif selon un mode de réalisation de l'invention peut être configuré
de sorte que l'exposition de l'électrode mobile à une onde acoustique de fréquence
correspondant à la fréquence de résonance du transducteur provoque le contact entre
l'électrode mobile et l'électrode fixe, de sorte que le transducteur forme un interrupteur.
[0031] Le transducteur peut en outre comporter un dispositif d'équilibrage de la pression
statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile. Un tel dispositif d'équilibrage
de la pression statique peut comporter un tube capillaire. Le dispositif d'équilibrage
de la pression statique peut comporter plusieurs tubes capillaires.
[0032] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description
ci-après.
[0033] Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
- la figure 1 représente schématiquement un transducteur électroacoustique selon un
mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement sur un graphique le comportement d'un transducteur
électroacoustique selon une première configuration du mode de réalisation de la figure
1 ;
- La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement
d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation
de la figure 1 ;
- La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3
le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration
du mode de réalisation de la figure 1.
[0034] La figure 1 représente schématiquement, selon une vue en coupe un transducteur selon
un mode de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation ici représenté
à titre d'exemple, le transducteur électroacoustique est de révolution autour d'un
axe principal z.
[0035] Un transducteur électroacoustique capacitif tel que représenté comporte, une électrode
mobile 1 constituant un élément mobile. Dans le mode de réalisation ici représenté,
l'électrode mobile 1 est une membrane déformable constituant un conducteur électrique
(ou comportant un revêtement conducteur électrique). Une électrode fixe 2, constituant
un élément fixe, est disposée en regard de l'électrode mobile 1. Une lame d'air entre
l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 constitue un élément dissipatif 3. L'élément
dissipatif est également résistif. L'élément dissipatif 3 provoque un effet d'amortissement
visqueux du mouvement de l'élément mobile. Dans d'autres modes de réalisation non
représentés, d'autres fluides dissipatifs peuvent être employés, tels qu'un autre
gaz ou mélange de gaz, ou une couche de polymère. Le transducteur électroacoustique
comporte en outre une cavité 4, ayant dans l'exemple représenté une forme annulaire
du fait de la configuration particulière du transducteur. La cavité 4 présente ainsi,
dans l'exemple ici représenté, une forme générale de cylindre de révolution. L'électrode
mobile 1 et l'électrode fixe 2 forment les armatures d'un condensateur, polarisé par
une tension continue. Lorsque qu'une pression acoustique est exercée sur l'électrode
mobile 1, cette dernière se déplace vis-à-vis de l'électrode fixe. Dans l'exemple
ici représenté, ce mouvement correspond à une déformation de la membrane formant électrode
mobile 1. Cela entraine une variation de la capacité formée entre la membrane et l'électrode
fixe, qui produit une variation inverse de tension.
[0036] Dans un transducteur électroacoustique conforme à l'invention, l'électrode mobile
1, l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4 sont configurés de sorte
que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux.
[0037] Un tel transducteur, employé comme capteur, permet, dans une application de l'invention,
la détection d'un champ acoustique localisé ayant comme fréquence celle définie par
la fréquence de résonance du système couplé constitué par l'électrode mobile, la lame
d'air entre cette dernière et l'électrode arrière et la cavité. Un transducteur électroacoustique
ayant un facteur de qualité élevé, typiquement supérieur à deux, est dit résonnant.
[0038] L'obtention d'un facteur de qualité élevé est permise par le choix adéquat des nombreux
paramètres définissant les éléments précités constitutifs du transducteur (l'électrode
mobile 1, l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4). Le choix de
ces paramètres influant sur le comportement du transducteur vise en particulier à
limiter l'amortissement du système, sans diminuer la sensibilité acoustique du transducteur.
L'amortissement dans un tel dispositif est provoqué par le cisaillement visqueux de
la lame d'air (ou élément dissipatif 3 adéquat) située sous la membrane (ou autre
électrode mobile 1).
[0039] Parmi les paramètres influant sur le facteur de qualité, le rapport entre la surface
de l'électrode mobile 1, c'est-à-dire typiquement la surface exposée aux ondes acoustiques,
par exemple la surface de la membrane adaptée à se déformer sous l'effet d'ondes reçues,
et la surface de l'électrode fixe 2, est prépondérant. Un transducteur électroacoustique
capacitif résonnant, caractérisé typiquement par un facteur de qualité supérieur à
1,5 et de préférence supérieur à 2, est généralement obtenu en employant une électrode
fixe 2 présentant une surface inférieure à 1/6 de la surface de l'électrode mobile
1. Pour une membrane circulaire et une électrode fixe 2 également circulaire, tel
que dans l'exemple de mode de réalisation ici représenté, le rapport du rayon de l'électrode
fixe 2 au rayon de la membrane est ainsi préférentiellement choisi inférieur à 2/5,
correspondant à un rapport de surface de 4/25, soit environ 1/6.
[0040] La réduction de la surface de l'électrode fixe 2 par rapport à celle de l'électrode
mobile 1 entraîne une diminution de l'amortissement par frottement visqueux au sein
de l'élément dissipatif 3 (par exemple la lame d'air) situé entre ces deux électrodes,
lorsque le mouvement de l'électrode mobile 1 chasse l'élément dissipatif vers la cavité
4, qui peut notamment être une cavité arrière ou périphérique. La diminution de l'espace
entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 (également appelé espace inter-électrode)
permet de maintenir la sensibilité du transducteur sans augmenter notablement l'amortissement
visqueux. Pour des électrodes (fixe et mobile) de même surface, l'écartement des électrodes
permettant de diminuer significativement l'amortissement visqueux induit une baisse
de la capacité statique du transducteur, ce qui se traduit par une diminution importante
de sa sensibilité.
[0041] Le rapport de surface ci-dessus mentionné est généralisable à de nombreuses formes
de membranes et d'électrode fixe 2. Alternativement à une membrane circulaire, une
membrane carrée, polygonale, ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode
mobile 1. Alternativement à une électrode circulaire, une électrode carrée, polygonale,
ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode fixe 2. Toutes les combinaisons
des formes précitées de membrane (ou plus généralement électrode mobile 1) et d'électrode
fixe 2 peuvent être employées dans l'invention, notamment avec un rapport de surface
tel que ci-dessus exprimé. En effet, à titre d'exemple, la déformée d'une membrane
carrée s'exprime par un produit de cosinus, et la déformée d'une membrane circulaire
selon une fonction de Bessel. Pour le premier mode, et en dehors des coins de la membrane
carrée, les développements en série de leurs fonctions de déformée sont identiques
jusqu'au second ordre.
[0042] Bien évidemment, de nombreux autres paramètres déterminant la configuration du transducteur
influant sur l'amortissement du système, ce rapport maximal de surface peut être sensiblement
dépassé si les autres paramètres confèrent au système un très faible amortissement,
et ce rapport de surface doit en tout état de cause être adopté en association avec
d'autres paramètres conférant au système un amortissement faible adéquat.
[0043] L'amortissement du système est directement lié à l'élément dissipatif interposé entre
la membrane mobile et la membrane fixe et à sa viscosité. En particulier, l'épaisseur
de la couche limite visqueuse de l'élément dissipatif 3 (généralement de l'air) est
importante, de sorte que la distance entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe
2 constitue un paramètre important de configuration du transducteur électroacoustique.
Ainsi, afin de limiter l'amortissement pour maximiser le facteur de qualité, l'épaisseur
de l'élément dissipatif (par exemple la couche d'air) entre l'électrode mobile 1 et
l'électrode fixe 2 peut être augmentée.
[0044] Parmi l'ensemble des paramètres de configuration influant sur le facteur de qualité
du système, on peut citer :
- Pour la définition de l'élément mobile, s'il s'agit d'une membrane : ses dimensions
- typiquement sa surface ou son rayon si elle est circulaire -, son épaisseur, le
matériau constitutif de son substrat et le revêtement conducteur qu'elle porte, sa
tension (mécanique) au repos ;
- Pour la définition de l'électrode fixe : ses dimensions - typiquement sa surface ou
son rayon si elle est circulaire -, sa position dans le transducteur ;
- Pour la définition de l'élément dissipatif : son matériau de constitution, son épaisseur,
sa pression et sa température s'il s'agit d'un gaz;
- Pour la définition de la cavité : sa forme générale et ses dimensions,
- Pour l'ensemble : la configuration générale, notamment la position et l'orientation
des éléments précités, la tension de polarisation du condensateur ainsi formé (dans
le cas d'un transducteur capacitif).
[0045] Bien évidemment, selon différents modes de réalisation de l'invention, les paramètres
à définir peuvent varier. Notamment, l'élément mobile peut être par exemple une plaque
encastrée en flexion, une plaque rigide suspendue ou une lame flexible encastrée à
l'une de ses extrémités (le mouvement de l'autre extrémité étant caractérisé). Dans
ce cas, les paramètres définis sont notamment ceux qui définissent les propriétés
mécaniques de l'élément mobile.
[0046] Afin de permettre l'obtention d'une configuration adéquate pour l'obtention d'un
gain maximum à la fréquence souhaitée, une géométrie préférentielle de l'invention,
telle que représentée à la figure 1, comporte une cavité 4 annulaire définie par un
cylindre de révolution à l'intérieur duquel l'électrode fixe est positionnée en surélévation
par rapport à l'une des bases du cylindre. La hauteur de surélévation de l'électrode
fixe 2 permet de régler la distance entre ladite électrode fixe 2 et la membrane pour
l'obtention du faible l'amortissement souhaité sans toutefois trop limiter la sensibilité.
[0047] Bien que décrite selon un mode de réalisation préférentiel illustré à la figure 1,
de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.
Notamment, la cavité 4, précédemment décrite dans un mode de réalisation dans laquelle
elle est cylindrique de révolution, peut cependant présenter une autre forme générale,
notamment prismatique droite à base carrée ou rectangulaire. La membrane peut présenter
une forme correspondante (carré, rectangulaire,...) notamment dans le cas où elle
est usinée dans une tranche de silicium par gravure chimique anisotrope.
[0048] La membrane peut alternativement et de manière non exhaustive être constituée d'une
plaque en flexion, d'une lame flexible ou une plaque rigide suspendue par des bras
en flexion, pour autant que des découpes permettant le mouvement de bras ne constituent
pas un court-circuit acoustique entre la face avant du capteur et la lame d'air ou
autre élément dissipatif à l'arrière de la plaque.
[0049] Le transducteur électroacoustique peut avantageusement comporter un dispositif équilibrant
la pression statique, c'est-à-dire la pression atmosphérique de part et d'autre de
l'élément mobile. Ce dispositif peut comporter un ou plusieurs tubes capillaires.
[0050] Ce dispositif d'équilibrage de pression statique permet au capteur acoustique de
fonctionner comme un capteur différentiel. En effet, la pression statique (atmosphérique)
étant équilibrée de part et d'autre de l'élément mobile (typiquement la membrane),
la tension mécanique statique de la membrane, qui influe sur la sensibilité du capteur,
reste constante. Le capteur ainsi obtenu n'est donc sensible qu'à un différentiel
de pression dynamique, le dimensionnement du ou des tubes capillaires faisant qu'ils
se comportent comme une impédance infinie empêchant la pression dynamique de pénétrer
à l'arrière de l'élément mobile, typiquement dans la cavité du transducteur.
[0051] En outre, la géométrie précédemment décrite, dans laquelle dans laquelle l'élément
fixe est disposé à l'intérieur de la cavité en surélévation d'une de ses bases est
avantageusement applicable à toute technologie de transducteur. Typiquement, pour
un capteur piézoélectrique, piézorésistif, électrodynamique ou optique, l'élément
mobile (par exemple une membrane) est positionné en regard d'un plot ayant une disposition
en surélévation dans la cavité, tel que précédemment décrit pour l'électrode fixe
d'un transducteur capacitif.
[0052] De nombreuses variantes de réalisation sont envisageables sans sortir du cadre défini
dans l'invention. Typiquement, en fonction du mode de réalisation considéré, le matériau
constitutif de la partie mobile peut être du silicium, un polymère, du métal, ou tout
autre matériau adéquat. Le paramètre prépondérant qui détermine le comportement de
l'élément mobile est sa masse surfacique, qui résulte du produit masse volumique par
son épaisseur (si elle est constante).
[0053] Dans le cas de l'emploi de silicium, il est possible par gravure ionique réactive
profonde (en anglais « Deep Reactive Ion Etching » ou « DRIE ») de réaliser de nombreuses
formes de membrane et d'électrode fixe (si le capteur est capacitif). Cependant, si
l'on utilise un procédé de gravure chimique anisotrope en bain aqueux, la forme obtenue
dépend de l'orientation cristallographique de la tranche de silicium et de l'orientation
des motifs sur cette tranche par rapport au repère cristallographique. Les formes
obtenues pour des masques initialement carrés ou ronds peuvent être aussi variées
que des cylindres ou des cônes à bases carrées, octogonales ou hexagonales, ou d'autres
formes selon l'orientation du motif sur la tranche de silicium et l'orientation de
cette dernière par rapport au repère cristallographique.
[0054] Dans le cas de l'usinage d'un métal ou d'un polymère, il est généralement possible
de réaliser la forme souhaitée, aux conditions et tolérances d'usinage près.
[0055] La figure 2 montre un premier exemple de comportement d'un transducteur électrostatique
conforme à un mode de réalisation de l'invention, et configuré selon une première
configuration.
[0056] En ordonnée est portée la sensibilité du transducteur en décibels (dB) référencés
à 1V/Pa, en abscisse la fréquence en hertz (Hz).
[0057] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté
à la figure 1. Les paramètres principaux de ce premier exemple de configuration sont
les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50
microns et d'une densité de 4000 kg.m
-3. La tension de la membrane est de 213 N.m
-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode
fixe est de 13 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de
polarisation est de 5 V.
[0058] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale
est de 5300Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 7 environ, ce
qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic
de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.
[0059] La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement
d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation
de la figure 1. Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 2.
[0060] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté
à la figure 1. Les paramètres principaux de ce deuxième exemple de configuration sont
les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50
microns et d'une densité de 4000 kg.m
-3. La tension de la membrane est de 213N.m
-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode
fixe est de 15 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de
polarisation est de 5 V.
[0061] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale
est de 7000Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 10 environ, ce
qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic
de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.
Cette figure illustre néanmoins le fait que des modes de résonance peuvent être proches
du mode principal. Dans ce cas, afin d'obtenir un filtre sélectif autour du mode principal
uniquement, il convient de ne pas trop limiter l'amortissement du système. Ainsi,
pour un rapport de surface donné entre la membrane et l'électrode fixe, il peut exister
une valeur maximale d'écartement entre ladite membrane et ladite électrode au-delà
de laquelle d'autres modes de résonance ne seront pas suffisamment atténués. Ainsi,
si la maximisation de l'écart entre la membrane et l'électrode fixe est une règle
générale de conception, certaines configurations limitent cet écartement du fait de
la nécessité de maintenir un amortissement suffisant nécessaire du fait de la proximité
entre le mode principal de résonance et d'autres modes.
[0062] La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3
le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration
du mode de réalisation de la figure 1.
[0063] Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 1 et de la figure 2.
[0064] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté
à la figure 1. Les paramètres principaux de ce troisième exemple de configuration
sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 6.5mm, d'une épaisseur
de 25 microns et d'une densité de 1420 kg.m
-3. La tension de la membrane est de 2621 N.m
-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,1mm. La distance entre la membrane et l'électrode
fixe est de 5 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 2mm. La tension de
polarisation est de 2 V.
[0065] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale
est de 16800Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 805 environ.
Cela garantit une sélectivité extrême en tant que capteur de la fréquence ciblée.
Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et extrêmement étroit autour de la
fréquence de résonance du transducteur.
[0066] Par ailleurs, on constate que la diminution importante du rayon de l'électrode fixe
implique une diminution de l'espace inter-électrode (distance entre la membrane et
l'électrode fixe), qui permet de maintenir la valeur de la capacité statique du transducteur.
Ceci peut néanmoins, dans le cas d'un transducteur capacitif, provoquer des phénomènes
de collapse de la membrane (également désigné par l'expression anglophone "pull-in")
qui correspondent à une déflexion maximale de la membrane qui va jusqu'au contact
avec l'électrode arrière. Il est alors nécessaire de réduire la tension de polarisation
du transducteur à un niveau très inférieur (souvent désignée « V_pull_out ») afin
de relâcher cette dernière. Ce phénomène, qui doit généralement être évité, peut cependant
être mis à profit dans le cas où le transducteur ne serait plus utilisé comme une
capacité variable mais comme un interrupteur activé par une onde acoustique de fréquence
donnée (en l'occurrence la fréquence de résonance du transducteur).
[0067] Les exemples ci-dessus présentés illustrent des transducteurs résonnants dont la
fréquence de résonance est située entre 5000Hz et 17000Hz environ. L'invention est
d'application préférentielle dans la plage des fréquences audibles, c'est-à-dire de
20Hz environ à 20KHz environ, et de préférence au-dessus de 1 KHz.
[0068] De plus, l'invention peut également être appliquée dans le domaine des ultrasons.
L'invention peut aussi être appliquée dans certaines plages des infrasons, mais une
faible tension de la membrane est de manière générale un paramètre s'opposant à l'obtention
d'un transducteur capacitif résonnant, de sorte qu'un facteur de qualité élevé est
particulièrement difficile à atteindre dans les basses fréquences.
[0069] Grâce au filtrage fréquentiel réalisé par un transducteur présentant un facteur de
qualité élevé, le transducteur peut être employé avec succès y compris en ambiance
bruyante. Du fait de la grande simplicité de mise en oeuvre d'un tel système, et de
l'absence de filtration électronique et de la consommation électrique associée pour
chaque transducteur, il est possible de multiplier aisément le nombre de transducteurs
mis oeuvre, notamment dans espace important et/ou pour capter plusieurs fréquences
prédéfinies.
[0070] Ainsi, en adoptant une conception contraire à celle recherchée pour les microphones
traditionnels, dont la bande passante doit être la plus large possible dans le domaine
des fréquences audibles, l'invention ici développée propose la conception d'un transducteur
électroacoustique dont la résonance est peu atténuée de sorte à ce qu'il se comporte
comme un filtre fréquentiel sélectif. Cela se traduit par un facteur de qualité élevé,
inconnu dans le domaine des microphones, typiquement supérieur à deux.
1. Transducteur acoustique adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique,
comportant un élément mobile sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe
disposé en regard de l'élément mobile, une cavité (4), et un élément dissipatif (3)
interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe,
le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif (3) et la cavité
(4) ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur
à laquelle sa sensibilité est maximale, l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément
dissipatif (3) et la cavité (4) étant configurés de sorte que le facteur de qualité
du transducteur acoustique est supérieur à deux, caractérisé en ce que
l'élément mobile est une électrode mobile (1) comportant une membrane déformable,
l'élément fixe étant une électrode fixe (2), et l'élément dissipatif étant un élément
résistif, de sorte que le transducteur est un transducteur capacitif,
la cavité (4) a une forme générale soit d'un prisme droit, soit d'un cylindre, soit
d'un tronc de cône,
ledit prisme, respectivement ledit cylindre, respectivement ledit tronc de cône comportant
une première base et une seconde base distincte de la première base,
l'élément mobile formant la première base du prisme, respectivement du cylindre ou
respectivement du tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit
prisme, respectivement dudit cylindre ou respectivement dudit tronc de cône en surélévation
de la seconde base du prisme, respectivement du cylindre ou respectivement du tronc
de cône.
2. Transducteur acoustique selon la revendication 1, dans lequel l'élément fixe présente
une surface inférieure à la surface de l'élément mobile.
3. Transducteur acoustique selon la revendication 2, dans lequel le rapport entre la
surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/6,
et de préférence inférieur ou égal à 1/12.
4. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément
dissipatif (3) est constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz.
5. Transducteur acoustique selon la revendication 4, dans lequel l'élément dissipatif
(3) est constitué d'air.
6. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément
mobile et l'élément fixe sont circulaires.
7. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans
lequel la cavité (4) est de forme générale cylindrique de révolution.
8. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont
le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif (3) et la
cavité (4) est configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz
et 20KHz.
9. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, configuré de sorte que l'exposition
de l'électrode mobile (1) à une onde acoustique de fréquence correspondant à la fréquence
de résonance du transducteur provoque le contact entre l'électrode mobile (1) et l'électrode
fixe (2), de sorte que le transducteur forme un interrupteur.
10. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un dispositif
d'équilibrage de la pression statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile.
11. Transducteur selon la revendication 10, dans lequel le dispositif d'équilibrage de
la pression statique comporte un tube capillaire.
1. Akustischer Wandler, der dazu geeignet ist, ein akustisches Signal in ein elektrisches
Signal umzuwandeln, enthaltend ein Element, das unter der Wirkung des akustischen
Signals beweglich ist, ein festes Element, das dem beweglichen Element gegenüberliegend
angeordnet ist, einen Hohlraum (4) und ein dissipatives Element (3), das zwischen
dem beweglichen Element und dem festen Element angeordnet ist,
wobei das gekoppelte System aus dem beweglichen Element, dem dissipativen Element
(3) und dem Hohlraum (4) eine Eigenfrequenz hat, die einer Resonanzfrequenz des Wandlers
entspricht, bei der seine Empfindlichkeit maximal ist, wobei das bewegliche Element,
das feste Element, das dissipative Element (3) und der Hohlraum (4) dazu ausgelegt
sind, dass der Gütefaktor des akustischen Wandlers größer als zwei ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Element eine bewegliche Elektrode (1) mit einer verformbaren Membran
ist, wobei das feste Element eine feste Elektrode (2) ist und das dissipative Element
ein Widerstandselement ist, so dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist,
wobei der Hohlraum (4) in Form von entweder einem geraden Prisma, einem Zylinder oder
einem Kegelstumpf vorliegt,
wobei das Prisma bzw. der Zylinder bzw. der Kegelstumpf eine erste Grundfläche und
eine zweite Grundfläche aufweist, die sich von der ersten Grundfläche unterscheidet,
wobei das bewegliche Element die erste Grundfläche des Prismas bzw. des Zylinders
bzw. des Kegelstumpfes bildet, wobei das feste Element innerhalb des Prismas bzw.
des Zylinders bzw. des Kegelstumpfes und bezüglich der zweiten Grundfläche des Prismas
bzw. des Zylinders bzw. des Kegelstumpfes erhöht angeordnet ist.
2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei das feste Element eine Oberfläche aufweist,
die kleiner als die Oberfläche des beweglichen Elements ist.
3. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche
des beweglichen Elements und der des festen Elements kleiner oder gleich 1/6, vorzugsweise
kleiner oder gleich 1/12, ist.
4. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das dissipative
Element (3) aus einem Gas oder einem Gasgemisch besteht.
5. Akustischer Wandler nach Anspruch 4, wobei das dissipative Element (3) aus Luft besteht.
6. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das bewegliche Element
und das feste Element kreisförmig sind.
7. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (4)
rotationszylinderförmig ist.
8. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das gekoppelte System,
bestehend aus der beweglichen Elektrode, dem dissipativen Element (3) und dem Hohlraum
(4), dazu ausgelegt ist, dass seine Eigenfrequenz zwischen 20 Hz und 20 KHz liegt.
9. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, der dazu ausgelegt ist, durch Aussetzen
der beweglichen Elektrode (1) einer akustischen Welle mit einer Frequenz, die der
Resonanzfrequenz des Wandlers entspricht, den Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode
(1) und der festen Elektrode (2) hervorzuzurufen, so dass der Wandler einen Schalter
bildet.
10. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner enthaltend eine Vorrichtung
zum Ausgleichen des statischen Drucks, der auf beiden Seiten des beweglichen Elements
herrscht.
11. Akustischer Wandler nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung zum Ausgleichen des statischen
Drucks ein Kapillarrohr enthält.
1. Acoustic transducer capable of converting an acoustic signal into an electrical signal,
comprising an element that is mobile under the effect of said acoustic signal, a fixed
element arranged opposite the mobile element, a cavity (4), and a dissipative element
(3) interposed between the mobile element and the fixed element,
the coupled system constituted by the mobile element, the dissipative element (3)
and the cavity (4) having a natural frequency corresponding to a resonance frequency
of the transducer at which its sensitivity is maximum, the mobile element, the fixed
element, the dissipative element (3) and the cavity (4) being configured so that the
quality factor of the acoustic transducer is greater than two, characterized in that
the mobile element is a mobile electrode (1) comprising a deformable membrane, the
fixed element is a fixed electrode (2), and the dissipative element (3) is a resistive
element, so that the transducer is a capacitive transducer,
the cavity (4) has a general shape of a straight prism or of a cylinder or of a frustum,
said prism, respectively said cylinder, respectively said frustum comprising a first
base and a second base distinct from the second base,
the mobile element forming the first base of the prism, respectively of the cylinder,
respectively of the frustum, the fixed element being arranged inside said prism, respectively
said cylinder, respectively said frustum, raised with respect to the second base of
the prism, respectively of the cylinder, respectively of the frustum.
2. Acoustic transducer according to claim 1, in which the fixed element has a surface
area less than the surface area of the mobile element.
3. Acoustic transducer according to claim 2, in which the ratio between the surface area
of the mobile element and that of the fixed element is less than or equal to 1/6,
and preferably less than or equal to 1/12.
4. Acoustic transducer according to one of the preceding claims, in which the dissipative
element (3) is constituted by a gas or a mixture of gases.
5. Acoustic transducer according to claim 4, in which the dissipative element (3) is
constituted by air.
6. Acoustic transducer according to one of the preceding claims, in which the mobile
element and the fixed element are circular.
7. Acoustic transducer according to any one of the preceding claims, in which the cavity
(4) has a generally rotationally symmetrical shape.
8. Acoustic transducer according to any one of the preceding claims, in which the coupled
system constituted by the mobile electrode, the dissipative element (3) and the cavity
(4), is configured so that its natural frequency is comprised between 20 Hz and 20
KHz.
9. Transducer according to one of the preceding claims, configured so that that the exposure
of the mobile electrode (1) to a sound wave with a frequency corresponding to the
resonance frequency of the transducer causes contact between the mobile electrode
(1) and the fixed electrode (2), so that that the transducer forms a switch.
10. Transducer according to one of the preceding claims, comprising moreover a device
for balancing the static pressure prevailing on either side of the mobile element.
11. Transducer according to claim 10, in which the device for balancing the static pressure
comprises a capillary tube.