EP0435753A1 - Acoustic wave reflector for functioning at great depths of immersion - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to acoustic wave reflectors which operate in a liquid medium, generally the sea, and can be subjected to a high pressure corresponding to significant immersion.
- acoustic wave reflectors operate using the reflection that occurs on an interface between the marine environment and another environment in which the speed of the acoustic waves is significantly different from that in water.
- the viscoelastic material is quite sensitive to temperature, which also contributes to degrading the performance of the device.
- the invention proposes a device according to claim 1.
- the reflector shown in section in Figure 1 comprises a cover 1 which serves as a support for all the other organs of the device and which delimits a first internal cavity 2 communicating with the outside by a set of holes 3 which allow entry and leaving the water when the reflector is submerged.
- the cavity 2 is closed by a very flexible rubber membrane 4 which comes to bear on the edges of the cover on the periphery of the latter.
- a perforated separation plate 5 is located above the membrane 4 and is also supported by this membrane on the edges of the cover.
- a rubber band 9 makes it possible to maintain the seal between the plate 7 and the membrane 4 so as to delimit a second inflatable cavity constituted by the air space 8 and the space situated between the membrane 4 and the perforated plate 5.
- This space is virtual in the figure which represents the device before inflation.
- This rubber band 9 can constitute a fold of the membrane 4, or a separate piece which in this case will be pinched between the membrane 4 and the edge of the cover 1.
- An inflation valve 10 is fixed to the reflecting plate 6 so as to be able to inject a gas such as air into the second cavity.
- a U-shaped gutter surrounds the periphery of the device so as to enclose the various elements by pressing on one side on the outside of the flange of the cover 1, on which it is fixed by any fixing means such as as screws, and coming from the other side immobilize the reflective plate 6 using adjustable screws 12 distributed all around this gutter.
- the screws pressing on the reflecting plate pinch the membrane 4 and the strip 9 between the perforated plate 5 and the edge of the cover.
- the reflector can be inflated with an overpressure of 0.3 bar relative to atmospheric pressure and it is easily understood that under an overpressure as moderate the rubber band 9 is not likely to burst, even if it is relatively thin.
- the reflector being thus ready, it can be immersed in the sea, either on its own, or with a device on which it is fixed.
- the variation in the thickness of the air gap 8 is insignificant throughout the range of use in immersion of the reflector.
- the respective volumes of the two parts of the second cavity must be such that that formed by the air gap is significantly smaller than that formed by the membrane, so that the variation in volume determined by the movement of the membrane can easily supply the volume determined by the air gap.
- we can take a relatively small thickness for this air gap of the order of a few millimeters, 1 to 2 mm for example.
- this plate being mechanically free it no longer opposes the passage of acoustic waves, at least for relatively low frequencies in the field of underwater acoustics which can rise for example up to 10 kHz for a plate in 8 mm thick aluminum.
- the break in acoustic impedance between the reflecting plate and the air gap is such that a very large part of the acoustic waves are reflected by the device at this interface.
- the thickness of the air gap which has been described above, of the order of 1 to 2 mm, is quite sufficient to allow this reflection and the variation of this thickness under the effect of pressure, which can be limited to a few tenths of a mm, does not affect the performance of the reflector.
- the shape of the reflector throughout its range of use is similar to that shown in Figure 2b, where we can clearly see the blade 6 which has taken off from the screws 12 and the membrane 4 which is in an intermediate position inside of the first cavity delimited by the cover 1.
- This configuration is quickly established from a relatively low immersion making it possible to obtain a pressure of the order of a few bars, 3 bars for example.
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Abstract
Description
La présente invention concerne les réflecteurs d'ondes acoustiques qui fonctionnent dans un milieu liquide, généralement la mer, et peuvent être soumis à une forte pression correspondant à une immersion importante.The present invention relates to acoustic wave reflectors which operate in a liquid medium, generally the sea, and can be subjected to a high pressure corresponding to significant immersion.
La plupart des réflecteurs d'ondes acoustiques fonctionnent en utilisant la réflexion qui se produit sur une interface entre le milieu marin et un autre milieu dans lequel la vitesse des ondes acoustiques est fortement différente de celle dans l'eau.Most acoustic wave reflectors operate using the reflection that occurs on an interface between the marine environment and another environment in which the speed of the acoustic waves is significantly different from that in water.
L'idéal serait d'utiliser une plaque très mince parfaitement transparente aux ondes acoustiques et délimitant un volume où l'on aurait fait le vide. Dans la pratique, on utilise des lames métalliques d'une certaine épaisseur, qui laissent passer les ondes acoustiques jusqu'à des fréquences de l'ordre de quelques kHz, et un gaz de remplissage, qui est le plus souvent simplement de l'air. Bien entendu, un tel dispositif est très sensible à la pression et il ne saurait être question de l'immerger à une profondeur quelque peu conséquente.The ideal would be to use a very thin plate perfectly transparent to the acoustic waves and delimiting a volume where one would have made the vacuum. In practice, metal blades of a certain thickness are used, which allow acoustic waves to pass up to frequencies of the order of a few kHz, and a filling gas, which is most often simply air. . Of course, such a device is very sensitive to pressure and there can be no question of submerging it to a somewhat substantial depth.
On a proposé dans le brevet français n° 2 539 541 déposé par la demanderesse le 19 Janvier 1983, d'utiliser à la place de l'air une mousse formée d'une matrice viscoélastique renfermant un grand nombre de bulles de gaz. On obtient ainsi des performances meilleures, mais qui sont loin d'être satisfaisantes.It has been proposed in French Patent No. 2,539,541 filed by the Applicant on January 19, 1983, to use instead of air a foam formed of a viscoelastic matrix containing a large number of gas bubbles. Better performances are thus obtained, but which are far from satisfactory.
En effet, la mousse s'écrase rapidement en fonction de la pression, et la vitesse du son y augmente en conséquence pour se rapprocher de celle dans l'eau, ce qui diminue considérablement le pouvoir réflecteur du dispositif. Dans la pratique il est alors difficile de dépasser une immersion de l'ordre de 100 m.In fact, the foam quickly crashes as a function of the pressure, and the speed of sound increases there consequently to approach that in water, which considerably reduces the reflective power of the device. In practice, it is therefore difficult to exceed an immersion of the order of 100 m.
D'autre part, le matériau viscoélastique est assez sensible à la température, ce qui contribue aussi à dégrader les performances du dispositif.On the other hand, the viscoelastic material is quite sensitive to temperature, which also contributes to degrading the performance of the device.
Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un dispositif selon la revendication 1.To overcome these drawbacks, the invention proposes a device according to
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en face des figures annexées qui représentent:
- la figure 1, une vue en coupe d'un réflecteur selon l'invention;
- les figures 2a à 2d, des vues en coupe du réflecteur de la figure 1 soumis à différentes pressions; et
- la figure 3, une courbe des variations du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence.
- Figure 1, a sectional view of a reflector according to the invention;
- Figures 2a to 2d, sectional views of the reflector of Figure 1 subjected to different pressures; and
- FIG. 3, a curve of the variations of the reflection coefficient as a function of the frequency.
Le réflecteur représenté en coupe sur la figure 1 comprend un capot 1 qui sert de support à l'ensemble des autres organes du dispositif et qui délimite une première cavité interne 2 communiquant avec l'extérieur par un ensemble de trous 3 qui permettent l'entrée et la sortie de l'eau lorsque le réflecteur est immergé.The reflector shown in section in Figure 1 comprises a
La cavité 2 est fermée par une membrane en caoutchouc très souple 4 qui vient s'appuyer sur les rebords du capot à la périphérie de celui-ci.The
Une plaque de séparation perforée 5 est située au-dessus de la membrane 4 et s'appuie elle aussi par l'intermédiaire de cette membrane sur les rebords du capot.A perforated
Une plaque 6, dite réfléchissante, de mêmes dimensions que la plaque 5, est fixée sur celle-ci par des plots en caoutchouc 7 répartis régulièrement sur la périphérie de ces deux plaques de manière à délimiter une lame d'air 8 entre ces deux plaques. C'est l'interface entre cette plaque réfléchissante et la lame d'air qui joue le rôle de réflecteur en raison de la rupture d'impédance acoustique à ce niveau, ce qui justifie le qualificatif donné à ladite plaque.A
Une bande de caoutchouc 9 permet de maintenir l'étanchéité entre la plaque 7 et la membrane 4 de manière à délimiter une deuxième cavité gonflable constituée par la lame d'air 8 et l'espace situé entre la membrane 4 et la plaque perforée 5. Cet espace est virtuel sur la figure qui représente le dispositif avant gonflage. Cette bande de caoutchouc 9 peut constituer un repli de la membrane 4, ou une pièce séparée qui dans ce cas sera pincée entre la membrane 4 et le rebord du capot 1.A
Une valve de gonflage 10 est fixée sur la plaque réfléchissante 6 de manière à pouvoir injecter un gaz tel que l'air dans la deuxième cavité.An
Une gouttière en forme de U 11 vient entourer la périphérie du dispositif de manière à enfermer les différents éléments en s'appuyant d'un côté sur l'extérieur du rebord du capot 1, sur lequel elle est fixée par des moyens de fixation quelconques tels que des vis, et en venant de l'autre côté immobiliser la plaque réfléchissante 6 à l'aide de vis réglables 12 réparties tout autour de cette gouttière. Ainsi, à l'état de repos représenté sur la figure 1, les vis en s'appuyant sur la plaque réfléchissante viennent pincer la membrane 4 et la bande 9 entre la plaque perforée 5 et le rebord du capot.A U-shaped gutter surrounds the periphery of the device so as to enclose the various elements by pressing on one side on the outside of the flange of the
Etant ainsi immobilisé le système ne risque pas de se désassembler sous l'effet des manipulations ou des chocs.Being thus immobilized the system is not likely to disassemble under the effect of manipulation or shock.
Avant d'utiliser le dispositif, il convient de le mettre en état de fonctionnement et pour cela de gonfler la deuxième cavité en utilisant la valve 10. Cette opération se fait en surface avant l'immersion, et dans ces conditions la membrane 4 se développe en se déformant pour venir remplir la première cavité en s'appuyant sur la face interne perforée du capot 1. Le dispositif est alors dans l'état représenté sur la figure 2a.Before using the device, it is advisable to put it in working condition and for this to inflate the second cavity using the
A titre d'exemple, on peut gonfler le réflecteur avec une surpression de 0,3 bars par rapport à la pression atmosphérique et on comprend aisément que sous une surpression aussi modérée la bande en caoutchouc 9 ne risque pas d'éclater, même si elle est relativement fine.For example, the reflector can be inflated with an overpressure of 0.3 bar relative to atmospheric pressure and it is easily understood that under an overpressure as moderate the
Le réflecteur étant ainsi prêt, on peut l'immerger dans la mer, soit tout seul, soit avec un appareil sur lequel il est fixé.The reflector being thus ready, it can be immersed in the sea, either on its own, or with a device on which it is fixed.
Lors de la plongée, l'eau, sous l'effet de la pression due à l'immersion, pénètre à l'intérieur de la première cavité par les perforations 3 et vient comprimer la membrane 4 qui se rétracte et est ainsi progressivement refoulée vers la plaque perforée 5. De même, sous l'effet de la pression qui s'exerce aussi sur la plaque réfléchissante 6, les plots en caoutchouc 7 s'écrasent légèrement et cette plaque se rapproche un peu de la plaque perforée 4 en s'éloignant des vis 12.During the dive, the water, under the effect of the pressure due to the immersion, penetrates inside the first cavity by the
En jouant sur la raideur du caoutchouc formant les plots 7, ainsi que sur leur nombre, on peut arriver à ce que le rapprochement des deux plaques et l'amincissement corrélatif de la lame d'air 8 soit très faible, alors que la membrane 4 se rétracte beaucoup plus rapidement vers la plaque perforée 5. On obtient ainsi le même résultat que si les deux plaques formaient un réservoir rigide alimenté par un réservoir à volume variable formé par la plaque perforée 5 et la membrane 4.By playing on the stiffness of the rubber forming the
Dans ces conditions, et jusqu'à une limite qui sera précisée plus loin, on peut considérer que la variation de l'épaisseur de la lame d'air 8 est insignifiante dans toute la gamme d'utilisation en immersion du réflecteur. Bien entendu, les volumes respectifs des deux parties de la deuxième cavité doivent être tels que celui formé par la lame d'air soit nettement plus petit que celui formé par la membrane, de manière à ce que la variation de volume déterminé par le mouvement de la membrane puisse alimenter sans problème le volume déterminé par la lame d'air. Pour cela, on pourra prendre une épaisseur relativement faible pour cette lame d'air, de l'ordre de quelques millimètres, 1 à 2 mm par exemple.Under these conditions, and up to a limit which will be specified below, it can be considered that the variation in the thickness of the
En effet, même si le mouvement de la plaque réfléchissante 6 sous l'effet de la pression est faible, il est suffisant pour décoller celui-ci des vis 12. Dans ces conditions cette lame devient mécaniquement libre, puisque même si les plots en caoutchouc 7 sont plus raides que la membrane 4, ils sont néanmoins assez souples pour désolidariser mécaniquement la plaque réfléchissante 6 de la plaque perforée 5 et de l'ensemble de la structure du réflecteur.In fact, even if the movement of the
Ainsi, cette plaque étant mécaniquement libre elle ne s'oppose plus au passage des ondes acoustiques, tout au moins pour des fréquences relativement basses dans le domaine de l'acoustique sous-marine pouvant monter par exemple jusqu'à 10 kHz pour une plaque en aluminium d'une épaisseur de 8 mm.Thus, this plate being mechanically free it no longer opposes the passage of acoustic waves, at least for relatively low frequencies in the field of underwater acoustics which can rise for example up to 10 kHz for a plate in 8 mm thick aluminum.
Dans ces conditions, la rupture d'impédance acoustique entre la plaque réfléchissante et la lame d'air est telle qu'une très grande partie des ondes acoustiques sont réfléchies par le dispositif au niveau de cette interface. Compte tenu des ordres de grandeur cités ci-dessus, l'épaisseur de la lame d'air qui a été décrite précédemment, de l'ordre de 1 à 2 mm, est tout à fait suffisante pour permettre cette réflexion et la variation de cette épaisseur sous l'effet de la pression, qui peut être limitée à quelques dixièmes de mm, n'intervient pas sur les performances du réflecteur.Under these conditions, the break in acoustic impedance between the reflecting plate and the air gap is such that a very large part of the acoustic waves are reflected by the device at this interface. Given the orders of magnitude mentioned above, the thickness of the air gap which has been described above, of the order of 1 to 2 mm, is quite sufficient to allow this reflection and the variation of this thickness under the effect of pressure, which can be limited to a few tenths of a mm, does not affect the performance of the reflector.
La conformation du réflecteur dans toute sa gamme d'utilisation est semblable à celle représentée sur la figure 2b, où l'on voit nettement la lame 6 qui a décollé des vis 12 et la membrane 4 qui est dans une position intermédiaire à l'intérieur de la première cavité délimitée par le capot 1. Cette configuration s'établit rapidement à partir d'une immersion relativement faible permettant d'obtenir une pression de l'ordre de quelques bars, 3 bars par exemple.The shape of the reflector throughout its range of use is similar to that shown in Figure 2b, where we can clearly see the
La limite est obtenue lorsque, comme représenté sur la figure 2c, la membrane 4 finit par se plaquer contre la plaque perforée 5, tout l'air ayant fini par être contenu entre les plaques 5 et 6 dans la lame d'air 8.The limit is obtained when, as shown in FIG. 2c, the
A partir de ce moment, si on immerge plus loin le réflecteur, les efforts se concentrent sur le système formé par la plaque perforée 5 bouchée par la membrane 4 et la plaque réfléchissante 6 séparée de la plaque 5 par les plots 7. Comme la raideur des plots en caoutchouc est simplement nettement plus forte que celle de la membrane, qui elle-même est très faible, ce sont ceux-ci qui s'écrasent sous l'effet de la pression, alors que les plaques 5 et 6 ne se déforment pas. Ainsi l'espace entre ces plaques se réduit et l'épaisseur de la lame d'air 8 diminue. Dans ces conditions, bien que le dispositif fonctionne encore en réflecteur au delà de cette immersion limite, ses performances se dégradent rapidement en raison d'une part de la diminution d'épaisseur de la lame d'air et d'autre part de l'écrasement des plots de caoutchouc qui n'assurent plus une désolidarisation suffisante entre les deux plaques. On arrive alors à la configuration représentée en figure 2d où le réflecteur n'a plus un fonctionnement satisfaisant.From this moment, if we immerse the reflector further, the efforts are concentrated on the system formed by the
On a obtenu avec un réflecteur acoustique réalisé dont les paramètres ont été décrits plus haut, et ayant des dimensions de 1 m x 1 m avec une épaisseur hors tout de 10 cm, les résultats expérimentaux repris sur la figure 3. Sur cette figure la fréquence est en abscisses exprimée en kHz et le coefficient de réflexion R en ordonnées est exprimé en décibels. Les courbes 1, 2 et 3 correspondent respectivement à des pressions égales à 10, 40 et 45 bars. Compte tenu des résultats obtenus avec les autres réflecteurs connus dans l'art, notamment ceux utilisant de la mousse, ces résultats sont très satisfaisants et montrent que l'on peut utiliser un tel réflecteur jusqu'à l'immersion de 450 m correspondant à une pression de 45 bars en obtenant des performances satisfaisantes dans une gamme de fréquences s'étendant de 4 à 8 kHz. Un autre dimensionnement mécanique pourrait permettre de la même façon une tenue à la pression plus importante.With an acoustic reflector produced, the parameters of which have been described above, and having dimensions of 1 m × 1 m with an overall thickness of 10 cm, the experimental results shown in FIG. 3 have been obtained. on the abscissa expressed in kHz and the reflection coefficient R on the ordinate is expressed in decibels.
Claims (5)
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Effective date: 19931121 |