- ~170089 La présente invention a pour objet un procédé et des transducteurs pour émettre des ondes acoustiques dans un liquide avec une directivité marquée aux basses fréquences.
Le secteur technique de l'invention est le dr ~in~ de la fabrication des transducteurs électroacoustiques pour l'émission d'ondes acoustiques en immersion dans un liquide.
Les applications princlpales de l'invention sont toutes celles qui nécessitent essentiellement une directivité, soit celles qui n'ont besoin d'émission acoustique que dans au plus un plan directeur donné, plan dans lequel cette émission sera d'autant plus puissante que cette directivité du transducteur est élevée et que cette émission se propage et se concentre alors justement dans un volume de hauteur la plus faible possible autour du plan directeur d'émission au lieu d'être diffusée quasi uniformément dans toutes les directions suivant 360 stéradians.
Ainsi, une de ces applications principales est la possibilité
d'émettre et/ou de recevoir des ondes acoustiques avec également alors un rendement électroacoustique ou plutôt une réponse par watt, telle que définie ci-après, élevée, dans des plans horizontaux pour étudier les différentes propriétés, par couches ou par tranches, des océans, telles que la température, la salinité, la densité, les courants, etc .., tant pour la compréhension des phénomènes que de leur fluctuation au cours du temps.
Une publication de la revue "Pour la Science" No. 158 de Décembre 1990, pages 66 et suivantes et présentée par Messieurs Robert SPINDEL et Peter WORCESTER décrit une telle application, les équipements et les mesures obtenus à ce jour dans ce domaine.
Il a été mis au point pour cela une technique, dite "tomographie acoustique des océans" pour engendrer une image à trois dimensions de la zone traversée par des ondes sonores, comme cela se fait en médecine avec des faisceaux de rayons "X", ou en géologie de la croûte terrestre avec des ondes sismiques : dans le domaine océanique, on utilise des ondes acoustiques basses fréquences. Celles-ci soumises aux lois physiques connues diminuent d'intensité au fur et à mesure de l'éloignement de leur source d'émission, peuvent être accélérées, ou déviées, ou ralenties lorsqu'elles rencontrent et se déplacent avec les courants, être atténuées, réfléchies ou réfractées par des ~170089 variations de température, de densité, ou de salinité... Leur comportement étant prévisible et interprétable avec précision par des lois physiques, les perturbations du champ acoustique fournissent alors les informations nécessaires à la détermination de certaines propriétés des masses océaniques.
On utilise dans cette application des ondes acoustiques basses fréquences, et même aux plus basses fréquences possibles, car leur énergie est moins atténuée avec la distance que pour des fréquences supérieures : ainsi les ondes de fréquences inférieures à 100 hertz parcourent des milliers de kilomètres sans perte importante d'énergie.
Quand ces ondes sont canalisées dans le chenal de profondeur dit de vitesse minimale dans lequel on positionne en général l'éme~tteur, et sont émises dans différentes directions, leur propagation multidirectionnelle, indispensable à la tomographie, échantillonne le plan vertical entre chaque couple de balises acoustiques émettrice et réceptrice.
Les ondes acoustiques émises dans une direction pratiquement parallèle à l'axe du chenal de vitesse minimale, longent celui-ci dans une région où le son se propage donc lentement.
En revanche, les ondes émises soit au-dessus ou au-dessous de cette profondeur du chenal de vitesse minimale, ou vers le haut, ou vers le bas, se déplacent près de la surface ou près du fond de l'océan, et suivant une trajectoire traversant des régions de vitesse élevée ; ainsi elles parviennent aux récepteurs les premières dans la plupart des régions de l'océan, car leur vitesse est en moyenne plus élevée, et un son unique bien net est reçu en un point éloigné sous forme de plusieurs reproductions du son d'origine.
Des dizaines de trajets du signal acoustique sont possibles et existent en effet pour chaque couple d'instruments émetteur-récepteur.
Chaque signal se déplaçant le long d'un trajet différent des autres, traverse une partie différente de la colonne d'eau ; ainsi, les trajets proches de l'axe du chenal défini ci-dessus de vitesse ini~Ale, ne fournissent des données que sur les caractéristiques de l'eau à cette profondeur. Suivant le trajet emprunté par chacun des signaux reçus par le récepteur, et qui est déterminé suivant son moment d'arrivée, on identifie la partie de la colonne d'eau ainsi échantillonnée.
~170089 Quand on utilise plusieurs émetteurs et récepteurs, on forme un réseau de trajectoires croisées, et plus on augmente le nombre de ces émetteurs et/ou de récepteurs, ie nombre de trajets possibles pour ces faisceaux, augmente plus vite qu'avec des instruments classiques, qui ne relèvent les données que dans une seule direction.
La progression géométrique du nombre de données recueillies est l'un des avantages majeurs de la tomographie, car elle permet aux chercheurs de couvrir de très grandes zones avec relativement peu d'instruments.
Cependant, malgré tout l'intérêt indiqué ci-dessus et bien d'autres tels qu'exposés plus précisément dans l'article en référence cité précédemment, la fabrication et la mise en oeuvre des balises acoustiques nécessaires pour une telle application, posent de nombreux problèmes, en particulier dus à :
- leur autonomie nécessaire pendant de longues périodes ;
- l'impératif de directivité dans le plan vertical pour bien maîtriser et définir un plan d'émission, et la multidirectionnalité de celle-ci dans ce plan d'émission pour éviter des zones d'ombre et limiter le nombre de balises ;
- la profondeur importante de mouillage dans les océans, l'immersion des transducteurs qu'il faut maintenir à une profondeur intermédiaire, donc souvent bien au-dessus du fond, et de toutes façons à de grandes immersions subissant des pressions importantes.
Ainsi à ce jour, on utilise des ensembles composés d'au moins un émetteur-récepteur acoustique basses fréquences accouplé et fixé à un container de batteries lui assurant son autonomie : ces ensembles sont retenus à leur partie inférieure par un câble d'ancrage relié au fond avec un mécanisme de largage pour en assurer la récupération, et à
leur partie supérieure à un câble tiré vers le haut par un ensemble de bouées flottantes, et portant des hydrophones ; leur position en coordonnées géographiques est déterminée par tout système, soit de surface, soit de fond. Une telle balise tomographique est décrite dans la publication citée précédemment de Messieurs SPINDEL et WOR~ESTER, avec des transducteurs de différents types connus, dont certains ont permis de réaliser des essais et des recherches lors de campagnes océanographiques, au cours des cinq à six dernières années.
Pour tenter d'assurer à la fois la directivité verticale et ~170089 , l'omnidirectionnalité horizontale des transducteurs, ceux-ci peuvent être choisis parmi ceux de type décrits dans les d~ ~nde.s de brevets, telles que FR. 2.600.227 publiée le 18 décembre 1987 et déposée sous priorité allemande par la société HONEY WELL ELAK NAUTIK sur un "transducteur électroacoustique tubulaire", ou FR. 2.674.717 publiée le 02 Octobre 1992 et déposée par la société THOMSON CSF sur une "antenne acoustique basse fréquence directive".
Une autre solution développée plus récemment est un transducteur de forme cylindrique externe, creux et ouvert en son centre et rayonnant les ondes acoustiques radialement dans toutes les directions, suivant un plan perpendiculaire à son axe, grâce en particulier à une disposition en couronne d'au moins six moteurs électroacoustiques cylindriques maintenus chacun entre deux contremasses, elles-mêmes communes à deux moteurs adjacents et portant des pavillons disposés parallèlement à l'axe pour couvrir la périphérie externe cylindrique du transducteur, Ces différents équipements nécessitent cependant un stockage d'énergie assez important pour maintenir une émission pendant de longues périodes, car, d'une part, leur rendement électroacoustique est assez faible, de moins de 40 % en général de la puissance consommée, et d'autre part, soit leur directivité en site étant assez ouverte, ils génèrent des ondes dans des directions inutiles, soit ils sont directifs à la fois en site et en gisement et ne permettent pas de couvrir tout un plan d'émission, sauf à en disposer plusieurs côte à côte, mais diminuant alors le rendement global et posant des problèmes de mise en oeuvre et d'installation.
Le problème posé est donc de réaliser un transducteur basses fréquences ayant essentiellement une bonne directivité d'émission en site par rapport à un plan de référence tout en étant omnidirectionnel en gisement dans ce plan et de plus ayant une réponse par watt notée Sw, c'est-à-dire un rapport de niveau sonore dans la direction ou le plan d'émission voulu de référence sur la puissance électrique appliquée, élevée, surtout en basses fréquences de 100 à 500 hz.
La solution au problème posé est un procédé pour émettre des ondes acoustiques dans un liquide à partir d'un transducteur électroacoustique immergeable comportant un boîtier rigide cylindrique creux d'axe XX' et ouvert à ses deux extrémités axiales et à
- 21700~9 l'intérieur duquel sont disposés coaxialement avec celui-ci deux moteurs électroacoustiques identiques placés de part et d'autre d'une contremasse centrale et dont les extrémités opposées sont entourées chacune d'un pavillon épousant la forme intérieure dudit boitier rigide.
Ainsi les faces externes desdits pavillons émettent dans le liquide des ondes acoustiques lorsque les moteurs électroacoustiques sont excités électroniquement : ces transducteurs sont utilisés notamment pour émettre dans l'eau des ondes acoustiques basses fréquences dans une direction déterminée ; pour une application de ce type de transducteur mono ou double "Tonpilz" à des émissions de fortes puissances, on peut citer la demande FR. 2.663.18~ de Mo~nsieur Gilles GROSSO publiée le 13 Décembre 1991, qui décrit des dispositifs complémentaires pour obtenir une puissance accrue.
L'objectif de la présente invention est donc très différent puisque, essentiellement, on veut pouvoir émettre omnidirectionnellement dans un plan directif donné et non pas dans une seule direction donnée et augmenter la réponse par watt de tels transducteurs, même et surtout à basses fréquences. Pour cela, tout d'abord, à partir d'un transducteur connu tel que ci-dessus, on prolonge ledit boitier rigide dans l'axe XX' au-delà des deux pavillons et on constitue ainsi deux cavités dont on détermine la résonance pour correspondre à la fréquence d'émission voulue et on dispose la paroi interne dudit boîtier rigide au plus près des bords du périmètre externe desdits pavillons.
En adaptant la résonance desdites cavités ainsi créées à celle des fréquences d'émission et cela grâce à divers modes de réalisation tels que décrits à partir des figures jointes, on peut obtenir une réponse par watt, correspondant à un rendement de 90 à 95 % de la puissance consommée, surtout dans les basses fréquences de 100 à 500 hz, mais la réponse par watt est également améliorée dans les hautes fréquences.
De plus, si on veut renforcer l'effet de directivité, on prolonge ledit boitier rigide pour que sa longueur totale soit de la moitié environ, à 20 ~ près, soit en fait de 0,8 à 1,2 fois la moitié
de la longueur d'onde des ondes acoustiques émises par le transducteur. Plus on s'écartera de la demi-longueur d'onde exacte, 2170~89 plus on émettra des lobes secondaires importants d'émission dans l'axe du transducteur et non pas dans le plan directeur voulu, mais cette perte d'émission dans un axe inutile ne représente pas une puissance très importante si on reste dans les tolérances ci-dessus.
Pour obtenir la résonance voulue des cavités, telle que décrites plus précisément ci-après, celles-ci peuvent enfermer, soit uniquement de l'eau, soit des tubes élastiques fermés, étanches et remplis de gaz, soit au moins une vessie souple occupant une partie de son volume et remplie d'un fluide plus compressible que le liquide d'immersion :
l'intérêt de la présence de tels tubes dits compliants et/ou d'une vessie est de réduire également la perte de rendement et d'atténuatlon de fréquences entre les deux pics de résonance propr~es au transducteur, dont l'un est lié à la résonance mécanique de l'ensemble du transducteur, et l'autre à celle de sa cavité.
Le résultat est de nouveaux procédés et transducteurs pour émettre des ondes acoustiques dans un liquide avec un objectif de directivité donnée et de plus avec une réponse par watt élevée. En effet, des transducteurs d'essai réalisés suivant la présente invention ont permis de réduire la puissance nécessaire consommée pour une émission donnée de 35 à 65 % de celle d'un transducteur omnidirectionnel actuel.
De plus, l'intérêt de la présence des cavités extérieures, au-delà des pavillons d'émission, est de permettre l'augmentation de la longueur totale du transducteur sans augmenter celle des moteurs électroacoustiques proprement dits, ce qui en diminue d'autant plus le prix de revient global par rapport à un transducteur dont on voudrait que la longueur totale des moteurs électroacoustiques soit égale à
celle de la demi-longueur d'onde pour obtenir l'effet de directivité
indiqué précédemment. Une des applications intéressantes des transducteurs suivant la présente invention est, comme indiqué
précédemment, les utiliser dans le cadre de la tomographie acoustique de l'océan pour lequel elle satisfait tous les impératifs ; en effet, il est nécessaire pour cela :
- de pouvoir immerger les transducteurs jusqu'à 2.000 mètres d'immersion, ce qui est possible si on remplit les cavités indiquées précédemment de vessies elles-mêmes remplies de liquide et sinon de l'ordre de 1.200 mètres avec l'utilisation de tubes compliants ;
- ~ 2170089 - d'émettre dans des bandes de fréquences assez larges, et aux plus basses fréquences possibles, pour avoir une propagation la plus lointaine des ondes - d'avoir une bonne directivité verticale et omnidirectionnelle horizontale ;
- et enfin d'avoir la meilleure réponse par watt possible pour assurer une autonomie maximum sans alourdir les équipements.
Du reste, à ce jour, le manque d'équipement spécifique et adapté
aux impératifs de cette application tomographique telle que définie précédemment et dont les critères de mise en oeuvre sont très stricts pour pouvoir obtenir des résultats fiables et interprétables, se traduit par le fait que la tomographie acoustique des océans n'e~st pas encore un outil opérationnel pour l'océanographie, malgré les essais, recherches et tests prometteurs réalisés à ce jour, alors qu'elle est la seule méthode qui permette une réelle analyse tridimensionnelle des océans complémentaire aux mesures satellites. La présente invention offre donc la possibilité de combler cette lacune et devrait permettre à la technique tomographique de se développer.
La présente invention peut également être utilisée dans le cadre de réalisations de sonars directifs et dans toute application dans laquelle on souhaite une réponse par watt élevée, dans la mesure où le stockage de l'énergie à fournir est limité.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et figures ci-après représentent des exemples de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif : d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de l'invention ; en particulier les figures représentatives de courbes d'émission ne sont bien sûr que des représentations de résultats de tests et d'autres résultats avec d'autres configurations peuvent être obtenus.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un transducteur suivant l'invention.
La figure 2 représente les niveaux sonores émis en site et en gisement d'un transducteur suivant l'invention.
La figure 3 est une vue de la directivité du transducteur en gisement.
- ~1700g9 La figure 4 est une vue de la directivité en site d'un transducteur suivant l'invention.
La figure 5 est une vue d'ensemble d'une ligne de mouillage pour une utilisation tomographique d'un transducteur suivant l'invention.
Le transducteur électroacoustique immergeable 1 tel que représenté en coupe sur la figure 1, comporte d'une manière connue deux moteurs 13 électroacoustiques, alignés suivant l'axe XX', placés de part et d'autre d'une contremasse centrale 14 et coaxialement à
l'intérieur d'un boitier 2 rigide cylindrique, recouvrant l'ensemble desdits moteurs 1 jusqu'aux pavillons 15 d'extrémité de ceux-ci et ouvert lui-même à ses deux extrémités ; la cavité 6 ainsi délimitée par l'arrière desdits pavillons et le boîtier lui-même e~st en communication avec le liquide d'immersion extérieur 10, par les seuls espaces annulaires 24 entre la forme intérieure dudit boitier rigide 2 et les bords périphériques des extrémités des pavillons 15 : cet espace 24 devra être le plus réduit possible, soit inférieur à 0,5 mm pour éviter un pompage du liquide entre l'avant et l'arrière desdits pavillons. Aucune autre communication ou évent n'est pratiqué dans le boîtier en dehors des trous nécessaires au passage de coque et aux fixations mais alors fermés et étanchéifiés pour éviter toute perte acoustique.
Suivant la présente invention, ledit boîtier rigide 2 s'étend selon son axe XX' au-delà des deux pavillons 15 et constitue avec ceux-ci deux cavités 16 dont la résonance correspond à la fréquence d'émission voulue.
Pour cela, lesdites cavités 16 peuvent contenir de l'eau, soit seule, soit avec des tubes élastiques 18 fermés, étanches et remplis de gaz, que l'on appelle tubes compliants, tels que ceux décrits dans la demande de brevet FR. 2.665.998 du 5 Mai 1988.
Par ailleurs, pour permettre un meilleur accord de la résonance de la cavité avec la fréquence voulue, l'ouverture 17 desdites cavités 16 sur l'extérieur sont d'un diamètre d plus petit que le diamètre interne D du boftier rigide 2 : un compromis dimensionnel doit être alors trouvé entre la dimension totale de la cavité, les tubes compliants ou autres dispositifs tels que décrits ci-après, et le diamètre de cette ouverture.
De préférence également, ladite cavité 6 intérieure au dit 21700~9 boîtier 2 et située entre les deux pavillons 15 et dans laquelle se situent lesdits moteurs électroacoustiques 1 enferme des tubes élastiques 18, fermés, étanches et remplis de gaz, appelés donc compliants.
Lesdits moteurs électroacoustiques 1 peuvent être de type piézoélectrique, mais également des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation. De tels transducteurs électroacoustiques à double moteur, sont dits également double Tonpilz.
Sur cette figure 1, lesdits moteurs électroacoustiques 13 et la contremasse intermédiaire 14 sont représentés montés assemblés, grâce à différents pièces de liaison 19 reliant lesdits m~oteurs électroacoustiques au boîtier 2, grâce à tout moyen de fixation, et permettant une liberté de déplacement des pavillons 15 par rapport à
ce dit boîtier, mais déterminant une cavité interne 6 quasiment fermée entre les bords respectifs 13 desdits pavillons et dudit boîtier, comme indiqué précédemment.
L'alimentation desdits moteurs électroacoustiques 19 est fournie par tout câble d'alimentation 20, fixé sur lesdites pièces de liaison 19 par un connecteur électrique ; l'ensemble des éléments, est rendu étanche malgré la totale immersion des différents éléments qui le constituent de façon à pouvoir l'immerger à toute profondeur, limitée simplement par la résistance des tubes compliants 18 quand ils sont présents.
La réalisation d'un tel transducteur et de l'ensemble des différentes pièces le constituant est du domaine connu et réalisable par tout homme du métier sans qu'il soit nécessaire d'en donner plus de détails de réalisation, tels qu'en particulier les fixations, les tubes compliants et les différentes pièces de liaison des éléments les uns par rapport aux autres.
Pour permettre une immersion plus importante de ce transducteur, lesdits tubes compliants 18 peuvent être remplacés dans l'une quelconque des cavités 6, 16 par au moins une vessie souple occupant au moins une partie si ce n'est la totalité de tout le volume de la cavité concernée et remplie d'un fluide plus compressible que le liquide 10 ambiant : ceci peut s'appliquer soit pour la cavité 6, soit pour les cavités 16 d'extrémité, soit pour l'ensemble desdites .
cavités.
En fait, compte tenu de la présence des moteurs acoustiques 13 et des différents pièces d'assemblage 19 et du câble d'alimentation 20, il peut être de préférence disposé dans la cavité centrale 6 :
- soit plusieurs vessies indépendantes, qui sont glissées par des ouvertures dans le boitier 2, après avoir été de préférence remplies, lesdites ouvertures devant être ensuite refermées pour assurer la continuité du boîtier rigide extérieur 2 au niveau de cette cavité centrale 6 ;
- soit une seule membrane occupant au moins une partie si ce n'est l'ensemble de la surface interne de la cavité 6 du transducteur 1 et réalisée par une peau en élastomère par exemple, et qu~e l'on remplit ensuite dudit fluide, mais la difficulté est alors de pouvoir assurer ce remplissage sans qu'il reste de bulles d'air qui compromettraient l'efficacité d'un tel dispositif, avec la profondeur.
En effet, le fluide occupant les volumes délimités par la peau desdites vessies doit remplir au mieux et de préférence pratiquement toute la cavité, car son volume doit être en fait supérieur à celui des tubes compliants 18 représentés et tels que décrits précédemment, de faSon à avoir des caractéristiques de compressibilité équivalentes à celle desdits tubes tels qu'utilisés à ce jour dans d'autres types de transducteurs.
Pour cela, la compressibilité dudit fluide doit être en fait inférieure à 109 N/m2, définie par le produit de sa masse volumique Pf avec le carré de la vitesse de propagation du son dans ce fluide Cf.
Pour avoir alors la valeur de la compliance globale de la cavité, on doit avoir à la fois :
. volume de la cavité 6 ou 16 = volume du fluide + volume de l'eau 10 résiduelle pouvant exister dans la cavité correspondante.
. compliance globale du système = (volume du fluide / Pf x Cf2 du fluide) + (volume de l'eau / 2,22 x 109).
Des essais en simulation ont démontré qu'on obtient effectivement une équivalence de compliance globale entre dix tubes compliants de o,84 litre disposés dans une cavité de 45 litres, et la même cavité de 45 litres mais remplie de 32 litres de fluide de la famille des composés organiques totalement fluorés de type C8H18.
De plus, afin de ne pas perdre en rendement au niveau de la , puissance efficace acoustique émise, il est préférable de choisir un fluide dont la viscosité n'est pas trop élevée, soit inférieure à
celle de l'eau, de préférence de 6,5 x 10~7m2/seconde, qui est celle de l'huile silicone ; et même avec un produit de la famille des composés organiques totalement fluorés tel que C8H18, la viscosité
cinématique est de 4 x 10-7 m2/seconde : ce produit a en plus la caractéristique d'être stable, même aux températures assez basses, et aux températures ambiantes.
Pour obtenir l'effet de directivité voulu tel que représenté sur les figures 2, 3, et 4, la longueur totale L du boitier rigide 2 est de la moitié environ à 20 % près, soit entre o,8 et 1,2 de la moitié
de la longueur d'onde des ondes acoustiques émises par ledit transducteur 1.
Ainsi, avec un transducteur réalisé suivant la présente invention, et respectant les données dimensionnelles ci-dessus, on a pu relever des courbes, telles que représentées sur la figure 2, de niveau sonore exprimé en décibels en fonction de la fréquence, en gisement 22, soit suivant l'axe YY' représenté sur la figure 4 et en site 23, soit suivant l'axe XX' représenté sur la figure 4. On remarque que dans la plage de fréquences de 200 à 600 hz, la différence de niveau sonore d'émission suivant ces deux directivités montre bien que celle-ci est d'autant plus importante au profit du gisement, dans ce cas de figure autour de la fréquence de 400 hz.
Pour un transducteur de type suivant l'invention "double Tonpilz" à résonance telle que définie précédemment et suivant les dimensions données, la figure 3 donne le tracé du niveau sonore en décibels suivant le plan d'émission en gisement YY' de la figure 1 et de la figure 5 également.
La figure 4 représente le tracé du niveau sonore en décibels en directivité de site suivant un plan vertical passant par l'axe XX' du transducteur dont la longueur est juste égale à celle de la demi-longueur d'onde de la fréquence émise pour avoir des lobes d'émission suivant l'axe XX'pratiquement annulé et concentrant donc toute la puissance d'émission émise suivant des lobes entourant le plan YY'.
La figure 5 représente une des applications principales de l'invention dans le domaine de la tomographie, dans lequel un ensemble permet de maintenir verticalement, dans un environnement océanique ~170089 .
immergé 10, un container 5 de stockage d'énergie et de système électronique et électrique nécessaire au fonctionnement de l'émetteur 1 acoustique, solidaire dudit container : le transducteur 1 est relié
à ce container par tout système d'accrochage à partir de pattes de fixation 21 telles que représentées sur la figure 1 latéralement et périphériquement dans la partie centrale du boitier rigide 2 et relié
directement aux moteurs acoustiques 1 de façon à laisser l'ensemble dudit boitier résonner et non perturbé par les tractions du système d'accrochage.
Une ligne de mouillage comporte, d'une part vers le bas un câble 4 relié à un système d'ancrage 11 posé au fond 9 de l'océan 10 et, d'autre part, un câble de traction 3 vers le haut, et relié ~à tout dispositif flottant non représenté sur la figure ; celui-ci peut être en subimmersion ou très près de la surface pour être repéré, et sa flottabilité doit être supérieure à celle de l'ensemble des éléments devant rester à une profondeur donnée telle que tous ceux représentés sur cette figure au-dessus du fond 9, et inférieure à la force du système d'ancrage 11 diminuée des efforts hydrodynamiques appliqués à
l'ensemble.
Ladite ligne de mouillage inférieure 4 peut comporter un dispositif de largage 8 qui peut permettre de récupérer l'ensemble du mouillage, dont la source autonome acoustique 1 avec son container 5, sauf bien sûr le dispositif d'ancrage 11, et cela en fin d'opérations ou en cas de problèmes techniques sur les équipements : tout système connu de ce type peut être utilisé, et son procédé de mise en oeuvre est connu par ailleurs, sans qu'il soit nécessaire de le décrire plus précisément dans le présent descriptif.
De même, cette ligne de mouillage inférieure 4 peut comporter différents dispositifs de flottabilité et/ou de stabilisateur de mouillage 12, afin d'une part de ne pas trop tirer sur les systèmes d'accrochage entre les containers et le transducteur et, d'autre part, de stabiliser la ligne de mouillage suivant une direction à peu près stable, de façon à éviter des effets de giration qui pourraient être préjudiciables aux systèmes mécaniques et aux mesures.
Au-dessus du container 5 et fixé au câble de traction 3, un ensemble de réseaux d'hydrophones 7 ou flûtes d'écoute, permet de - recueillir des ondes acoustiques pouvant être émises par d'autres 1700g9 .
dispositifs de balises du même type. Si d'autres émetteurs 1 sont disposés à des profondeurs différentes, la ligne de mouillage, 4 ou 3, de la présente balise peut disposer alors de réseaux d'hydrophones 7 disposés à ces mêmes profondeurs, suivant ce qui est indiqué
précédemment.
L'ensemble du dispositif de maintien, constitué par les différents éléments de la ligne de mouillage 3, 4, définit donc un axe déterminé XX' vertical, et est fixé sur le container de stockage 5 et sur le transducteur 1 à leurs deux extrémités extrêmes, sans faire subir d'effort au boitier rigide 2 du transducteur proprement dit.
Afin de protéger ledit émetteur 1 et le container 5, à leurs deux extrémités, il peut être disposé une couronne de pro~tection supérieure et une couronne de protection inférieure qui enferment les dispositifs d'accrochage aux parties de lignes de mouillage 3 et 4. - ~ 170089 The subject of the present invention is a method and transducers for emitting acoustic waves into a liquid with marked directivity at low frequencies.
The technical sector of the invention is the dr ~ in ~ of the manufacture of electroacoustic transducers for emission acoustic waves immersed in a liquid.
The main applications of the invention are all those which essentially require directivity, i.e. those which need for acoustic emission only in at most one given master plan, plan in which this emission will be all the more powerful as this directivity of the transducer is high and this emission is propagates and then concentrates precisely in a volume of height the as low as possible around the emission master plan instead to be distributed almost uniformly in all directions following 360 steradians.
So one of these main applications is the possibility to transmit and / or receive acoustic waves with also then electroacoustic efficiency or rather a response per watt, such as defined below, elevated, in horizontal planes to study the different properties, by layers or by slices, of the oceans, such as temperature, salinity, density, currents, etc., both for understanding the phenomena and for their fluctuation over time.
A publication of the journal "Pour la Science" No. 158 of December 1990, pages 66 and following and presented by Messieurs Robert SPINDEL and Peter WORCESTER describes such an application, equipment and measurements obtained to date in this area.
A technique called "tomography" has been developed for this.
ocean acoustics "to generate a three-dimensional image of the area crossed by sound waves, as is done in medicine with X-ray beams, or in crust geology terrestrial with seismic waves: in the oceanic domain, we uses low frequency acoustic waves. These submitted to known physical laws decrease in intensity as the distance from their emission source, can be accelerated, or deflected, or slowed down when they meet and move with currents, be attenuated, reflected or refracted by ~ 170089 variations in temperature, density, or salinity ... Their behavior being predictable and precisely interpretable by physical laws, the disturbances of the acoustic field provide then the information necessary to determine certain properties of oceanic masses.
In this application we use low acoustic waves frequencies, and even at the lowest possible frequencies, because their energy is less attenuated with distance than for frequencies higher: thus the waves of frequencies lower than 100 hertz travel thousands of kilometers without significant loss of energy.
When these waves are channeled into the depth channel says minimum speed in which the eme ~ tteur is generally positioned, and are emitted in different directions, their propagation multidirectional, essential for tomography, samples the vertical plane between each pair of emitting acoustic beacons and receptor.
Acoustic waves emitted in a direction practically parallel to the axis of the minimum speed channel, run along it in a region where sound propagates slowly.
On the other hand, the waves emitted either above or below this minimum speed channel depth, or upwards, or down, move near the surface or near the bottom of the ocean, and following a trajectory crossing regions of speed high; thus they reach the receptors first in the most ocean regions because their speed is on average more high, and a clear, unique sound is received at a distant point under form of several reproductions of the original sound.
Dozens of acoustic signal paths are possible and indeed exist for each pair of transmitter-receiver instruments.
Each signal moving along a different path from the others, crosses a different part of the water column; so the paths close to the axis of the fairway defined above speed ini ~ Ale, provide data only on the characteristics of water at this depth. Depending on the route taken by each of the signals received by the receiver, and which is determined according to its moment of arrival, we identify the part of the water column as well sampled.
~ 170089 When you use multiple transmitters and receivers, you form a network of crossed trajectories, the more we increase the number of these transmitters and / or receivers, ie number of possible paths for these bundles, increases faster than with conventional instruments, which collect data in one direction only.
The geometric progression of the number of data collected is one of the major advantages of tomography because it allows researchers to cover very large areas with relatively little of instruments.
However, despite all the interest indicated above and well others as explained more precisely in the article with reference mentioned above, the manufacture and implementation of tags required for such an application, pose many problems, especially due to:
- their necessary autonomy for long periods;
- the imperative of directivity in the vertical plane for good master and define an emission plan, and the multidirectionality of this in this emission plan to avoid gray areas and limit the number of tags;
- the significant depth of mooring in the oceans, immersion of the transducers which must be maintained at a depth intermediate, so often well above the bottom, and of all ways to large dips under significant pressure.
So far, we use sets composed of at least one low frequency acoustic transceiver mated and attached to a battery container ensuring its autonomy: these sets are retained at their lower part by an anchoring cable connected to the bottom with a release mechanism to ensure recovery, and their upper part to a cable pulled upwards by a set of floating buoys, and carrying hydrophones; their position in geographic coordinates is determined by any system, either from surface or bottom. Such a tomographic tag is described in the publication cited above of Messrs SPINDEL and WOR ~ ESTER, with transducers of various known types, some of which have allowed to carry out tests and research during campaigns oceanographic, in the last five to six years.
To try to ensure both vertical directivity and ~ 170089 , horizontal omnidirectionality of the transducers, these can be chosen from those of the type described in the patent d ~ ~ nde.s, such as FR. 2,600,227 published December 18, 1987 and filed under German priority by the company HONEY WELL ELAK NAUTIK on a "tubular electroacoustic transducer", or FR. 2,674,717 published October 02, 1992 and filed by the company THOMSON CSF on a "directive low frequency acoustic antenna".
Another more recently developed solution is a transducer of external cylindrical shape, hollow and open at its center and radiating the acoustic waves radially in all directions, along a plane perpendicular to its axis, thanks to particular to a crown arrangement of at least six motors cylindrical electroacoustics each held between two countermasses, themselves common to two adjacent engines and bearing pavilions arranged parallel to the axis to cover the cylindrical external periphery of the transducer, However, these different pieces of equipment require storage enough energy to keep a program going for long periods because, on the one hand, their electroacoustic efficiency is quite weak, generally less than 40% of the power consumed, and on the other hand, their directivity on site being fairly open, they generate waves in unnecessary directions, either they are directive both on site and in deposit and do not allow to cover a whole emission plan, except to have several side side by side, but then decreasing the overall yield and posing implementation and installation problems.
The problem is therefore to make a low transducer frequencies having essentially a good directivity of emission in site compared to a reference plane while being omnidirectional in deposit in this plan and moreover having a response per watt noted Sw, i.e. a sound level ratio in the direction or Reference emission plan for electrical power applied, high, especially at low frequencies from 100 to 500 Hz.
The solution to the problem posed is a method for issuing acoustic waves in a liquid from a transducer submersible electroacoustics comprising a rigid cylindrical housing hollow of axis XX 'and open at its two axial ends and at - 21700 ~ 9 inside of which are arranged coaxially therewith two identical electroacoustic motors placed on either side of a central riser and the opposite ends of which are surrounded each of a pavilion conforming to the interior shape of said housing rigid.
Thus the external faces of said pavilions emit in the liquid acoustic waves when electroacoustic motors are electronically excited: these transducers are used especially for emitting low acoustic waves into water frequencies in a specific direction; for an application of this type of mono or double "Tonpilz" transducer with emissions of strong powers, one can quote the request FR. 2,663.18 ~ of Mo ~ nsieur Gilles GROSSO published on December 13, 1991, which describes devices complementary to obtain increased power.
The objective of the present invention is therefore very different since, essentially, we want to be able to transmit omnidirectionally in a given directive plane and not in a single direction given and increase the response per watt of such transducers, even and especially at low frequencies. For that, everything first, from a known transducer as above, we extends said rigid case in axis XX 'beyond the two pavilions and two cavities are thus formed of which the resonance to match the desired transmit frequency and we has the inner wall of said rigid housing as close as possible to the edges of the external perimeter of said pavilions.
By adapting the resonance of said cavities thus created to that transmission frequencies and this thanks to various embodiments as described from the attached figures, one can obtain a response per watt, corresponding to a yield of 90 to 95% of the power consumption, especially in low frequencies from 100 to 500 hz, but the response per watt is also improved in the high frequencies.
In addition, if we want to reinforce the directivity effect, we extends said rigid case so that its total length is about half, to within 20 ~, or in fact 0.8 to 1.2 times half the wavelength of the acoustic waves emitted by the transducer. The more we deviate from the exact half-wavelength, 2170 ~ 89 the more important emission side lobes will be emitted in the axis of the transducer and not in the desired master plan, but this loss of emission in an unnecessary axis does not represent a power very important if we stay within the above tolerances.
To obtain the desired resonance of the cavities, as described more precisely below, these may enclose, either only water, i.e. closed elastic tubes, sealed and filled with gas, i.e. at least one flexible bladder occupying part of its volume and filled with a more compressible fluid than the immersion liquid:
the advantage of the presence of such so-called compliant tubes and / or of a bladder is also to reduce the loss of yield and attenuation frequencies between the two own resonance peaks transducer, one of which is related to the mechanical resonance of the assembly of the transducer, and the other to that of its cavity.
The result is new methods and transducers for emit acoustic waves in a liquid with the objective of directivity given and more with a high response per watt. In indeed, test transducers made according to this invention have reduced the necessary power consumed for a given emission of 35 to 65% of that of a transducer omnidirectional current.
In addition, the interest of the presence of external cavities, au-beyond the emission flags, is to allow the increase of the total length of the transducer without increasing that of the motors actual electroacoustics, which further reduces the overall cost price compared to a transducer which one would like that the total length of the electroacoustic motors is equal to that of the half wavelength to obtain the directivity effect indicated previously. One of the interesting applications of transducers according to the present invention is, as indicated previously, use them in the context of acoustic tomography from the ocean for which it meets all the requirements; indeed, for this it is necessary:
- to be able to immerse the transducers up to 2,000 meters immersion, which is possible if the indicated cavities are filled previously bladders themselves filled with liquid and otherwise around 1,200 meters with the use of compliant tubes;
- ~ 2170089 - to transmit in fairly wide frequency bands, and at lowest possible frequencies, to have the most propagation far from the waves - to have good vertical and omnidirectional directionality horizontal;
- and finally to have the best possible response per watt for ensure maximum autonomy without weighing down equipment.
Moreover, to date, the lack of specific and suitable equipment to the requirements of this tomographic application as defined previously and whose implementation criteria are very strict to be able to obtain reliable and interpretable results, translated by the fact that the acoustic tomography of the oceans is not still an operational tool for oceanography, despite the tests, promising research and testing to date, while the only method which allows a real three-dimensional analysis of oceans complementary to satellite measurements. The present invention therefore offers the possibility of filling this gap and should allow for the tomographic technique to develop.
The present invention can also be used in the context of directional sonars and in any application in which we want a high watt response, as long as the storage of the energy to be supplied is limited.
Other advantages of the present invention could be mentioned but those cited above already show enough to prove novelty and interest. The description and figures below represent examples of embodiment of the invention, but have no limiting character: other realizations are possible in the scope and scope of the invention; in particular the representative figures of emission curves are of course only representations of test results and other results with other configurations can be obtained.
Figure 1 is a longitudinal sectional view of a transducer according to the invention.
Figure 2 shows the noise levels emitted on site and in deposit of a transducer according to the invention.
FIG. 3 is a view of the directivity of the transducer in deposit.
- ~ 1700g9 Figure 4 is a view of the directivity in site of a transducer according to the invention.
Figure 5 is an overview of a mooring line for tomographic use of a transducer according to the invention.
The submersible electroacoustic transducer 1 such as shown in section in Figure 1, comprises in a known manner two electroacoustic motors 13, aligned along the axis XX ', placed on either side of a central counterweight 14 and coaxially with the interior of a rigid cylindrical case 2, covering the assembly from said motors 1 to the end pavilions 15 thereof and open itself at both ends; the cavity 6 thus delimited by the rear of said pavilions and the housing itself e ~ st en communication with the external immersion liquid 10, by the only annular spaces 24 between the interior shape of said rigid case 2 and the peripheral edges of the ends of the pavilions 15: this space 24 should be as small as possible, ie less than 0.5 mm to avoid pumping of the liquid between the front and the rear of said pavilions. No other communication or vent is practiced in the housing outside the holes required for the passage of the hull and fasteners but then closed and sealed to prevent loss acoustic.
According to the present invention, said rigid housing 2 extends along its axis XX 'beyond the two pavilions 15 and constitutes with these two cavities 16 whose resonance corresponds to the frequency desired program.
For this, said cavities 16 can contain water, either alone, either with elastic tubes 18 closed, sealed and filled gases, so-called compliant tubes, such as those described in the FR patent application. 2,665,998 of May 5, 1988.
Furthermore, to allow a better tuning of the resonance of the cavity with the desired frequency, the opening 17 of said cavities 16 on the outside are of a diameter d smaller than the diameter internal D of the rigid boftier 2: a dimensional compromise must be then found between the total dimension of the cavity, the tubes accomplices or other devices as described below, and the diameter of this opening.
Preferably also, said cavity 6 inside said 21700 ~ 9 box 2 and located between the two pavilions 15 and in which is locate said electroacoustic motors 1 encloses tubes elastic bands 18, closed, waterproof and filled with gas, so called compliant.
Said electroacoustic motors 1 can be of the type piezoelectric, but also magnetostrictive cylinders surrounded by an excitation coil. Such transducers double motor electroacoustics, are also said to be double Tonpilz.
In this FIG. 1, said electroacoustic motors 13 and the intermediate counterweight 14 are shown assembled assembled, thanks to different connecting pieces 19 connecting said m ~ engines electroacoustic to housing 2, by any means of attachment, and allowing freedom of movement of the pavilions 15 relative to said housing, but determining an almost closed internal cavity 6 between the respective edges 13 of said pavilions and of said housing, as previously stated.
Power is supplied to said electroacoustic motors 19 by any power cable 20, fixed on said connecting pieces 19 by an electrical connector; all the elements are rendered waterproof despite the total immersion of the various elements which constitute so as to be able to immerse it at any depth, limited simply by the resistance of the compliant tubes 18 when they are present.
The realization of such a transducer and all of the different parts the constituent is of the known and achievable field by any person skilled in the art without the need to give more details of construction, such as in particular the fixings, the compliant tubes and the various connecting parts of the elements relative to each other.
To allow greater immersion of this transducer, said compliant tubes 18 can be replaced in one any of the cavities 6, 16 by at least one flexible bladder occupying at least part if not all of the entire volume of the cavity concerned and filled with a more compressible fluid than the ambient liquid 10: this can be applied either for cavity 6 or for the end cavities 16, that is to say for all of said .
cavities.
In fact, given the presence of acoustic motors 13 and various assembly parts 19 and the power cable 20, it can preferably be placed in the central cavity 6:
- or several independent bladders, which are slid by openings in box 2, after having been preferably filled, said openings to be then closed to ensure the continuity of the external rigid case 2 at this level central cavity 6;
- or a single membrane occupying at least part if this is the entire internal surface of the transducer cavity 6 1 and made by an elastomeric skin for example, and qu ~ e on then fills with said fluid, but the difficulty is then to be able ensure this filling without any air bubbles remaining which would compromise the effectiveness of such a device, with depth.
Indeed, the fluid occupying the volumes delimited by the skin said bladders should fill at best and preferably practically the entire cavity, because its volume must in fact be greater than that compliant tubes 18 represented and as described above, so as to have equivalent compressibility characteristics to that of said tubes as used to date in other types transducers.
For this, the compressibility of said fluid must in fact be less than 109 N / m2, defined by the product of its density Pf with the square of the speed of sound propagation in this fluid Cf.
To then have the value of the overall compliance of the cavity, we must have both:
. volume of cavity 6 or 16 = volume of fluid + volume of residual water which may exist in the corresponding cavity.
. overall system compliance = (fluid volume / Pf x Cf2 fluid) + (water volume / 2.22 x 109).
Simulation tests have shown that effectively a global compliance equivalence between ten tubes accomplices of o, 84 liters arranged in a 45 liter cavity, and the same cavity of 45 liters but filled with 32 liters of fluid from the family of fully fluorinated organic compounds of type C8H18.
In addition, in order not to lose yield in terms of , effective acoustic power emitted, it is preferable to choose a fluid whose viscosity is not too high, ie less than that of water, preferably 6.5 x 10 ~ 7m2 / second, which is that silicone oil; and even with a product from the family of fully fluorinated organic compounds such as C8H18, viscosity kinematics is 4 x 10-7 m2 / second: this product also has the characteristic of being stable, even at fairly low temperatures, and at ambient temperatures.
To obtain the desired directivity effect as shown in Figures 2, 3, and 4, the total length L of the rigid case 2 is about half to the nearest 20%, i.e. between 0.8 and 1.2 of the half the wavelength of the acoustic waves emitted by said transducer 1.
Thus, with a transducer produced according to the present invention, and respecting the dimensional data above, we have was able to identify curves, as shown in Figure 2, of sound level expressed in decibels as a function of frequency, in deposit 22, either along the axis YY 'represented in FIG. 4 and in site 23, or along the axis XX ′ shown in FIG. 4. We note that in the frequency range 200 to 600 Hz, the difference in emission sound level according to these two directivities shows that this is all the more important for the benefit of deposit, in this case around the frequency of 400 Hz.
For a transducer of the type according to the invention "double Tonpilz "with resonance as defined above and according to the given dimensions, figure 3 gives the plot of the sound level in decibels according to the emission plan in deposit YY 'of FIG. 1 and of figure 5 also.
Figure 4 represents the plot of the sound level in decibels in site directivity along a vertical plane passing through the XX 'axis of the transducer whose length is just equal to that of the half wavelength of the frequency emitted to have emission lobes along axis XX 'practically canceled and therefore concentrating all the transmit power emitted along lobes surrounding the plane YY '.
Figure 5 shows one of the main applications of the invention in the field of tomography, in which a set allows to maintain vertically, in an oceanic environment ~ 170089 .
submerged 10, a container 5 for energy and system storage electronic and electrical necessary for the operation of the transmitter 1 acoustic, integral with said container: the transducer 1 is connected to this container by any attachment system from legs attachment 21 as shown in FIG. 1 laterally and peripherally in the central part of the rigid case 2 and connected directly to the acoustic motors 1 so as to leave the assembly said case resonate and not disturbed by the pulls of the system hanging.
A mooring line has, on the one hand, a cable down 4 connected to an anchoring system 11 placed at the bottom 9 of the ocean 10 and, on the other hand, a pull cable 3 upwards, and connected ~ to everything floating device not shown in the figure; this one can be in subimmersion or very close to the surface to be spotted, and its buoyancy must be greater than that of all the elements having to stay at a given depth such as all those represented in this figure above the bottom 9, and less than the force of the anchoring system 11 reduced by the hydrodynamic forces applied to all.
Said lower mooring line 4 may include a release device 8 which can make it possible to recover the entire mooring, including the autonomous acoustic source 1 with its container 5, except of course the anchoring device 11, and this at the end of operations or in the event of technical problems with the equipment: any system known of this type can be used, and its method of implementation is known moreover, without it being necessary to describe it further precisely in this description.
Similarly, this lower mooring line 4 may include different buoyancy and / or stabilizer devices anchorage 12, on the one hand not to pull too much on the systems attachment between the containers and the transducer and, on the other hand, to stabilize the mooring line in a roughly direction stable, so as to avoid gyration effects which could be detrimental to mechanical systems and measures.
Above the container 5 and fixed to the traction cable 3, a set of hydrophone networks 7 or listening flutes, allows - collect acoustic waves that can be emitted by others 1700g9 .
beacon devices of the same type. If other transmitters 1 are arranged at different depths, the mooring line, 4 or 3, of this tag can then have hydrophone networks 7 arranged at these same depths, as indicated previously.
The entire holding device, consisting of the different elements of the mooring line 3, 4, therefore defines an axis determined XX 'vertical, and is fixed on the storage container 5 and on transducer 1 at their two extreme ends, without doing undergo stress on the rigid casing 2 of the transducer itself.
In order to protect said transmitter 1 and container 5, at their two ends, it can be arranged a crown of pro ~ tection upper and a lower protective crown which encloses the attachment devices to the parts of the mooring lines 3 and 4.