EP0641262B1

EP0641262B1 - Antenne acoustique sous-marine a capteur surfacique

Info

Publication number: EP0641262B1
Application number: EP93910097A
Authority: EP
Inventors: Bernard Fromont; Robert Fichaux
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 1996-04-17
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: DE69302270D1; JPH07507427A; EP0641262A1; FR2691596A1; FR2691596B1; JP3262796B2; WO1993024244A1; DE69302270T2; CA2136242A1; CA2136242C; US5517467A

Abstract

L'antenne acoustique de l'invention comporte au moins un capteur surfacique formé d'un empilement de couches conductrices et de couches diélectriques en matériau piézoélectrique enfermées dans un enrobage de matériau souple, l'ensemble ainsi constitué formant un panneau plat (2) monté contre la coque (5) d'un bâtiment naval, ce panneau épousant la forme de cette coque. Le montage du panneau sur la coque est obtenu au moyen de deux profils de rive (3, 4) carénés, en laissant subsister une lame d'eau intercalaire (6) entre panneau (2) et coque (5). Avantageusement, l'enrobage comprend une enveloppe de matériau souple remplie d'un matériau de garnissage viscoélastique. Le matériau piézoélectrique des couches diélectriques du capteur est de préférence un film de polyfluorure de vinylidène.

Description

La présente invention concerne une antenne acoustique de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence.
Une telle antenne est destinée à détecter et localiser des sources de bruit acoustique sous-marines ; pour obtenir de bonnes performances à la fois en détection et en localisation, il est nécessaire de travailler sur un spectre de basses fréquences (par "basses fréquences" on entendra des fréquences inférieures à 2 kHz, typiquement inférieures à 1 kHz) et de disposer d'une antenne dont le gain est important afin d'obtenir un rapport signal/bruit satisfaisant (dans de nombreuses applications, un gain de 20 dB est nécessaire).
Ces deux exigences (basses fréquences et gain élevé) imposent nécessairement des antennes de dimensions importantes.
Pour cela, une première possibilité consiste à remorquer derrière le bâtiment naval (navire ou sous-marin) une flûte d'hydrophones, formant ainsi une antenne linéaire de très grande longueur.
Un tel type d'antenne peut être beaucoup plus longue que le sous-marin et ainsi être très performante en basse fréquence ; elle présente cependant de nombreux inconvénients de mise en oeuvre (système de treuil, etc. et augmentation de la traînée du sous-marin) et surtout une absence totale de directivité dans le plan vertical en raison de la configuration linéaire de la flûte.
Une autre possibilité consiste à placer sur une grande partie de la longueur du sous-marin une antenne formée d'un assemblage de capteurs ponctuels (hydrophones de petites dimensions reliés entre eux de manière appropriée). On peut ainsi disposer d'un réseau en deux dimensions, ce qui permet d'avoir une directivité dans le plan vertical et ainsi de localiser la direction de la source acoustique dans ce plan.
Cette antenne en réseau d'hydrophones présente cependant un certain nombre d'inconvénients :

en premier lieu, il est nécessaire de découpler acoustiquement les différents capteurs ponctuels constituant l'antenne vis-à-vis des vibrations et résonances de la coque et des structures annexes du sous-marin (notamment les vibrations et résonances provenant de la machinerie du sous-marin) et du bruit d'écoulement hydrodynamique de l'eau sur les capteurs qui, en l'absence de découplage approprié, produirait une pression acoustique perturbatrice venant masquer le signal incident, généralement de très faible amplitude ;
il faut aussi prévoir une étanchéité et un passage étanche à travers la coque pour chaque capteur ;
enfin, les structures mécaniques utilisées pour supporter les hydrophones résistent souvent mal aux efforts hydrodynamiques auxquels elles sont soumises, outre le fait qu'elles perturbent souvent de façon gênante l'écoulement des filets d'eau le long de la coque du sous-marin.

On connaît aussi du brevet US n° 4,833,659 une antenne conforme formée de capteurs plats, de grandes dimensions en polymère piézoélectrique qui sont fixés sur la coque d'un bâtiment en étant plaqués contre celle-ci.
Pour remédier à ces différents inconvénients, l'invention propose une antenne acoustique selon la revendication 1.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue perspective générale d'une antenne selon l'invention, formée d'une pluralité de panneaux détecteurs,
les figures 2a et 2b montrent l'un des panneaux en place contre la coque du sous-marin, avec les moyens de montage correspondants,
la figure 3 est une vue en coupe de l'un des panneaux,
la figure 4 est une vue en coupe du capteur proprement dit, enfermé dans le panneau de la figure 3,
la figure 5 est une vue en plan de l'une des électrodes du capteur de la figure 4,
la figure 6 montre un détail de la figure 5, en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5, et
la figure 7 montre le schéma de raccordement électrique du capteur de la figure 4.
la figure 8 est une vue en plan de la connexion électrique des capteurs suivant une variante.

La figure 1 représente schématiquement l'antenne de l'invention, référencée 1. Cette antenne est formée d'une succession de panneaux 2, qui se présentent extérieurement chacun sous la forme d'une plaque souple, relativement mince, qui est appliquée contre la paroi de la coque du bâtiment naval (la coque d'un sous-marin, ou la partie immergée de la coque d'un navire de surface) de manière à épouser la forme de celle-ci.
L'antenne 1 peut être ainsi constituée de plusieurs dizaines de panneaux 2, par exemple au nombre de soixante-quatre dans un exemple de réalisation ; elle occupe donc une grande partie de chaque flanc du sous-marin.
Les dimensions de chaque panneau ne sont pas critiques ; on peut par exemple leur donner une hauteur de l'ordre de 1 m et une largeur (dimension dans le sens de l'écoulement) de l'ordre de 0,5 m.
En ce qui concerne l'épaisseur, on verra que la structure interne particulière des panneaux permet, sans difficulté, de donner à ceux-ci une épaisseur très faible - sans pour autant nuire aux performances du capteur -, typiquement inférieure à 10 cm.
Sur la figure 2-a, on a représenté le panneau 2 monté sur la paroi de la coque 5 du sous-marin : le montage est réalisé au moyen de deux rails 3 et 4 coopérant avec des pièces de maintien 5 ou brides.
Sur les côtés les panneaux sont calés au moyen de profilés en forme de T. Comme représenté sur la figure 2-b, les panneaux sont maintenus par serrage au moyen des 4 brides montées sur les rails aux quatre coins. A la partie supérieure du panneau en son milieu se trouve le connecteur surmoulé suivi des connexions formant un câble.
Le montage est fait en laissant subsister une lame d'eau intercalaire 6 assurant un découplage mécanique entre panneaux et coque.
La coque mince et chaque panneau se raccordent de manière à apporter une perturbation hydrodynamique minimale.
En outre, les câbles électriques des différents panneaux 2 cheminent sous la coque mince au dessus du rail supérieur permettant la transmission des signaux détectés par ces panneaux 2.
Le montage des panneaux sur le flanc de la coque du sous-marin est aisé du fait que, malgré leur dimension importante, leur poids est relativement faible compte tenu du fait que, comme on le verra plus bas, ils sont composés de matériaux à faible densité et se courbent facilement pour épouser la forme de la coque du sous-marin.
Dans le plan vertical, la dimension importante du panneau (de l'ordre de 1 m, comme on vient de l'indiquer) procure un gain de directivité important pour les fréquences les plus élevées de la bande.
Par ailleurs, l'intégration due à la grande surface de captation réduit la sensibilité de la réponse aux perturbations localisées, conduisant à un meilleur contrôle de phase et à une meilleure formation des voies.
Du point de vue de l'amélioration du rapport signal/bruit, on peut remarquer la grande dimension de chaque panneau devant la longueur de corrélation du bruit d'écoulement, ce qui permet d'avoir un effet d'intégration qui réduit la sensibilité de l'antenne au bruit d'écoulement.
De la même façon, les ondes de flexion propagées par la coque, et dont la longueur d'onde est plus petite que la dimension du panneau, seront intégrées, de sorte que la sensibilité de l'antenne à ces ondes se trouvera réduite.
Enfin, la structure compacte de l'antenne n'est pas résonnante intrinséquement.
Les figures 3 à 5 montrent plus en détail la structure du panneau 2.
Essentiellement, chacun des panneaux 2 est constitué (figure 3) d'un capteur surfacique proprement dit 8 noyé dans un matériau de garnissage 9 lui-même enfermé dans une enveloppe 10, 11.
Le capteur surfacique 8, dont la structure est représentée plus en détail figure 4, est formée d'un empilement alterné de couches conductrices 12 et de couches diélectriques piézoélectriques 13.
L'électrode centrale constituera l'un des pôles du capteur, tandis que les deux électrodes extérieures, reliées en parallèle, constitueront l'autre pôle du capteur, comme indiqué en 18. Cette structure permet d'obtenir un effet de blindage électrique.
Les couches métalliques sont par exemple réalisées en un alliage cuivre-béryllium ; l'épaisseur des électrodes métalliques est par exemple de l'ordre de 5/10 mm. L'effet de blocage des couches PVDF qui en résulte permet d'éviter sa dépolarisation aux températures élevées > 50° C.
Le matériau piézoélectrique des couches diélectriques est avantageusement un polymère tel qu'un polyfluorure de vinylidène (PVDF), polymère fluoré bien connu pour ses propriétés piézoélectriques ; la couche de PVDF a par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1,5 mm.
Le PVDF, outre ses propriétés piézoélectriques, posséde en outre l'avantage d'excellentes propriétés de résistance chimique et mécanique, de faible vieillisement, etc. propres à la plupart des thermoplastiques fluorés.
Suivant une variante le matériau piézoélectrique des couches diélectriques est un copolymère par exemple constitué à 70% de PVDF et à 30% de PTrFe (PolyTrifluoroéthylène).
Le film de PVDF est avantageusement réalisé selon la technique exposée dans le FR-A-2 490 877, auquel on se réfèrera pour de plus amples détails.
Brièvement, cette technique consiste à laminer en continu une feuille de PVDF pour l'étirer mécaniquement tout en lui appliquant simultanément un champ électrique élevé permettant d'orienter les moments dipolaires des molécules et donc de polariser le matériau pour lui donner ses propriétés piézoélectriques.
Ce film de PVDF, découpé à la dimension appropriée, est collé sur les électrodes métalliques de façon à former l'empilement.
Le capteur ainsi formé est ensuite placé dans une enveloppe de caoutchouc néoprène 10, qui constitue avantageusement un moule (fond et côtés de l'enveloppe). Le fond de cette enveloppe est muni de plots 14 obtenus lors de sa fabrication et sur lesquels est posé le capteur qui est ainsi positionné.
Pour le matériau de garnissage 9, on utilise selon l'invention un polyuréthane "mou". On entend par polyuréthane "mou" un matériau dont la dureté est typiquement inférieure à 50 shores. Son coefficient de Poisson est proche de celui de l'eau ≃ O,5. De plus son produit densité x vitesse de propagation acoustique est sensiblement égal à celui de l'eau, afin d'être acoustiquement neutre vis-à-vis du capteur. Sa consistance est celle d'un liquide visqueux.
L'enveloppe 10 est par exemple constituée d'une cuvette 10 permettant de constituer, comme on vient de l'indiquer, un moule, dans lequel est moulé le matériau 9. La cuvette est ensuite obturée au moyen d'un polyuréthane "dur" typiquement de dureté égale à 80 shores.
L'enveloppe extérieure 10, est, par exemple, une enveloppe en néoprène de 30 mm d'épaisseur.
La seule limitation est que ce matériau ne soit pas trop rigide (pour ne pas transmettre les contraintes appliquées à l'endroit de la liaison à la coque du sous-marin) et qu'il soit plus élastique que le capteur proprement dit.
En variante, on pourrait prévoir, au lieu d'une structure composite formée par une enveloppe extérieure enfermant un matériau de garnissage, une structure homogène dans laquelle le capteur 8 serait noyé dans une masse homogène de matériau approprié (polyuréthane "mou") présentant les propriétés d'étanchéité nécessaires.
L'épaisseur du garnissage du capteur 9 (c'est-à-dire de l'ensemble enveloppe d'étanchéité/garnissage viscoélastique, ou de la masse homogène dans laquelle sera noyée le capteur) doit être choisie pour présenter une valeur permettant :

du côté intérieur (côté de la coque), d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la coque pour limiter la transmission des ondes de flexion de la coque vers le capteur.

Cette distance doit cependant rester faible devant le quart de la longueur d'onde de la fréquence supérieure de la bande de fréquence utilisée si l'on veut éviter toute interférence destructive entre le signal incident et le signal réfléchi sur la coque.
Ainsi, pour une fréquence maximale de 2 kHz, un quart de longueur d'onde correspond à 18,75 cm, de sorte que la distance totale entre le plan médian du capteur 8 et la coque c'est-à-dire la somme de l'épaisseur du garnissage 9 sous le capteur, de l'enveloppe 10 et de la lame d'eau 6 représentée figure 2 doit rester nettement inférieure à cette valeur ; en pratique, une distance de 5 cm apparaît tout à fait convenable.

du côté extérieur (côté de l'écoulement), d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la surface sur laquelle se produit l'écoulement c'est-à-dire de la surface extérieuredu couvercle 11 de l'enveloppe d'étanchéité pour réduire les bruits d'écoulement captés à un niveau acceptable compte tenu du niveau du signal incident, et ainsi améliorer la pureté du signal délivré en sortie des capteurs.

La figure 5 montre un mode de réalisation particulièrement avantageux des électrodes métalliques 12.
Selon ce mode de réalisation, chacune des électrodes 12 est formée d'une pluralité de plaques 15 carrées reliées ensemble par des minces ponts de matière 16. Cette structure est par exemple réalisée, de manière classique, par estampage d'un feuillard de métal ou encore par découpe au jet d'eau sous pression.
Avantageusement, les ponts 16, outre le fait qu'ils assurent la continuité électrique entre les différentes plaques 15, servent d'éléments de positionnement de l'électrode 12 au fond de l'enveloppe 10, par leur forme en relief, illustrée figure 6, qui permettra à l'ensemble de reposer au fond de l'enveloppe 10 sur les plots 14 avant coulage du garnissage 9 en maintenant les plaques 15 à une distance appropriée du fond de cette enveloppe.
On prévoit à l'une des extrémités de cet ensemble de plaques 15 une sortie 17 permettant la connexion électrique de l'électrode.
La longueur L des plaques est choisie :

pour être compatible avec la largeur des films de PVDF que l'on sait réaliser (typiquement, des bandes continues d'une dizaine de centimètres de largeur), et aussi
pour préserver à l'ensemble du capteur une certaine souplesse lui permettant d'épouser le diamètre (variable) de la coque du sous-marin.

En effet, si l'électrode 12 était formée d une plaque uniforme, sa rigidité ferait en sorte qu'il serait difficile de conformer le panneau 2 au profil de la coque du sous-marin, tandis que la séparation en plusieurs plaques 15 permet de neutraliser la rigidité propre du matériau métallique.
Enfin, un capteur formé d'une électrode monobloc risquerait d'être sujet à une résonance propre sur cette dimension maximale, qui est du même ordre de grandeur que les longueurs d'onde des fréquences captées, tandis qu'en divisant le panneau en cellules de plus petites dimensions les résonances propres éventuelles se produiront toujours à des fréquences situées très au-dessus de la limite supérieure de la bande de fréquences considérée.
Le schéma de connexion électrique est illustré figure 7, où l'on voit que les différentes plaques 15 sont reliées en parallèle par les charnières 16, cet ensemble étant électriquement équivalent à une électrode unique 12. Les électrodes supérieure et inférieure sont réunies ensemble par leurs connexions 17, qui forment l'un des pôles du capteur, tandis que la connexion 17' de l'électrode centrale constitue la borne de polarité opposée du capteur.
Du point de vue fonctionnel, cet ensemble correspond à un capteur-colonne formé d'une pluralité de cellules élémentaires 19 ; ces différentes cellules étant montées en parallèle de sorte que leurs signaux électriques s'additionnent.
A titre d'exemple, le capteur 8 de chaque panneau est formé de 21 plaques de 105 mm de côté arrangées en 7 x 3 et espacées de 128 mm.
Cet exemple de réalisation n'est pas limitatif. En effet il est connu que dans une antenne, il est avantageux d'avoir un espacement entre "capteurs" égal à une demi longueur d'onde à la fréquence moyenne de la bande de façon à ne pas être gêné par les lobes images.
Dans l'exemple décrit chaque capteur est constitué par un panneau : ceci n'est pas obligatoire. Il y a séparation entre le panneau "physique" et le capteur "électrique".
Ainsi en coupant les ponts 16 entre les colonnes et en les reliant à 3 sorties on obtient 3 capteurs - colonne de 7 plaques par panneau. A l'inverse on peut relier en parallèle des panneaux adjacents pour former des capteurs espacés de plusieurs largeurs de panneau.
On peut aussi constituer une antenne formée de panneaux non adjacents avec entre panneaux actifs des panneaux de "remplissage" permettant de préserver le profil hydrodynamique de l'antenne.
La Demanderesse a ainsi réalisé une antenne formée de 64 panneaux comme décrits et capables de fonctionner à des vitesses de porteur de plusieurs dizaines de Noeuds.
Suivant une variante de réalisation, chaque capteur élémentaire 15 forme un capteur indépendant avec une sortie électrique. Dans ce cas chaque capteur 15 est connecté électriquement vers le câble de sortie.
Avantageusement on réalise les connexions électriques au moyen d'un circuit imprimé souple et comportant des pistes. Une piste arrive à un capteur en collant au bord entre l'électrode centrale et une couche de PVDF le circuit souple 20 comme indiqué sur la figure 4.
Les plots 14 de positionnement sont placés sous certains capteurs et le circuit souple se trouve aussi noyé dans le matériau de garnissage 9.
La figure 8 représente un exemple de connexion de 6 capteurs suivant cette variante de réalisation. La coupe est suivant l'électrode centrale et les pistes correspondent aux traits 21 sur la bande 20.
D'autres schémas de connexion avec plusieurs bandes de circuit imprimé souple sont également possibles.

Claims

Arrangement d'une antenne acoustique sur la coque d'un bâtiment naval (1) de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence, qui comporte au moins un capteur surfacique formé d'un empilement de couches conductrices (12) formant électrodes et de couches diélectriques (13) en matériau piézoélectrique interposées entre ces couches conductrices, ce capteur étant enfermé dans un enrobage de matériau souple (9, 10, 11), l'ensemble ainsi constitué formant un panneau plat rapporté (2) monté contre la paroi de la coque (5) d'un bâtiment naval, notamment d'un sous-marin, ce panneau présentant un degré de liberté en flexion de manière à lui permettre d'épouser la forme de cette coque caractérisé en ce que le montage du panneau sur la coque est réalisé en laissant subsister une lame d'eau intercalaire (6) entre panneau (2) et coque (5), l'épaisseur de cette lame d'eau étant telle que la distance séparant la paroi de la coque du plan médian du capteur soit inférieure à un quart de la longueur d'onde de la fréquence maximale de la bande de fonctionnement du capteur.
L'arrangement de la revendication 1, dans laquelle le capteur est fractionné en une pluralité de capteurs élémentaires dont certains ont leurs électrodes respectives électriquement reliées en parallèle, l'ensemble des capteurs élémentaires étant placé dans un enrobage commun.
L'arrangement de la revendication 2, dans laquelle les couches conductrices des capteurs élémentaires sont formées à partir d'un feuillard unique usiné de manière à le diviser en plaques élémentaires (15) distinctes, en laissant subsister entre plaques élémentaires adjacentes au moins un pont de matière (16) assurant la liaison électrique entre les électrodes de ces différents capteurs élémentaires.
L'arrangement de l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le montage du panneau sur la coque est obtenu au moyen de 4 brides montées sur deux rails (3 et 4).
L'arrangement de l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'enrobage de matériau souple comprend une enveloppe de matériau souple (10, 11) remplie d'un matériau de garnissage viscoélastique (9).
L'arrangement de la revendication 5, dans laquelle le matériau de garnissage viscoélastique (9) est un matériau de garnissage viscoélastique (9) est un matériau polyuréthane à consistance molle dont la dureté est inférieure à 50 shores, dont le produit densité-vitesse ainsi que le coefficient de Poisson sont proches de ceux de l'eau.
L'arrangement de l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le matériau piézoélectrique des couches diélectriques (13) du capteur est un film de polyfluorure de vinylidène.
L'arrangement de la revendication 7, dans laquelle l'empilement des couches conductrices (12) et des couches diélectriques (13) est réalisé par collage du film de polyfluorure de vinylidène sur les couches conductrices adjacentes.
L'arrangement de l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle le matériau des couches conductrices (12) est un alliage cuivre-béryllium.
L'arrangement de la revendication 1, dans laquelle les capteurs indépendants sont électriquement reliés par un circuit souple.