EP0794841A1 - Sonar array with sensitivity peaks at at least two frequencies - Google Patents

Sonar array with sensitivity peaks at at least two frequencies

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EP0794841A1
EP0794841A1 EP96932657A EP96932657A EP0794841A1 EP 0794841 A1 EP0794841 A1 EP 0794841A1 EP 96932657 A EP96932657 A EP 96932657A EP 96932657 A EP96932657 A EP 96932657A EP 0794841 A1 EP0794841 A1 EP 0794841A1
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plate
transducers
pavilions
frequencies
wavelength
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EP0794841B1 (en
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Jean-Marie Wagner
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array

Definitions

  • the present invention relates to the field of sonar antennas, in particular those intended to be carried on a sub-ma ⁇ n vehicle to constitute an attached head of this vehicle. It more particularly relates to a sonar antenna capable of operating in different frequency bands
  • a sonar antenna generally consists of a large number of transducers Each transducer, for example of reception, consists of an element for converting the pressure energy which propagates in the liquid medium, into electrical energy which can be processed by electronic means
  • the transducers are placed next to each other on an acoustically transparent material ensuring the transfer of energy, they are also mechanically fixed so more or less complex on a support capable of withstanding the pressure forces
  • patent FR 2603761 which describes a sonar antenna constituting the attached head of an underwater vehicle, which antenna comprises a core which is a rigid syntactic foam block, resistant to hydrostatic immersion pressure, which block has housings in ch none of which is placed an electroacoustic transducer, the outer face of which is flush with the outer face of said block the hull of the machine and means of attachment against the external face of the front end of the hull of the machine
  • the sub-manna antennas can be exclusively passive
  • the antenna has an optimal operating frequency which is characterized by the fact that the sampling of the sensitive surface, or in other words the number of transducers per unit of surface, is well suited and for the active antennas, which each transducer can transform electric energy into mechanical energy with the best efficiency so-called "broadband" active antennas have led to the design, by more or less complex means, of transducers whose efficiency is maintained at a level sufficient for a frequency excursion of the order of 30% of the optimal frequency.
  • the dimension of the transducer horn which constitutes the coupling between the medium and the energy transformer material, this dimension fixing the surface sampling and on the other hand the dimensions of the component parts of the transducers, which set the optimal operating frequency.
  • GB patent 2077552 describes a sonar antenna which can be used to search for schools of fish or sand and which comprises transducers emitting at two frequencies Vj and V2, 55 kHz and 130 kHz respectively, the size of the flag of each transducer being substantially equal to half the wavelength ⁇ -
  • the efficiency drops notably when the transducers operate at the frequency V2
  • such an antenna cannot be used in a torpedo seeker due to its very low directivity
  • the present invention aims in particular to remedy these drawbacks by proposing a sonar antenna having a high efficiency in multiple frequency bands Vj y 2 reconciling for these multiple frequency bands optimal spatial sampling while retaining the transmission function on several bands frequencies
  • a sonar antenna according to the invention comprises identical transducers and having at least two sensitivity peaks vj and V2 and is characterized in that the dimension of the horn of these transducers is between 0.35 and 0.65 times the wavelength ⁇ 2 corresponding to the higher of the frequencies v-
  • the matrix of transducers constituting the antenna can thus be as follows
  • tapped bores are produced in a plate made of a material suitable for making pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the length d ⁇ 2 wave
  • said plate is covered by a layer of acoustically transparent material.
  • this material can be rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion.
  • This coating is intended to constitute the waterproof envelope of the antenna at the level of the torpedo head,
  • grooves are made in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate so as to constitute a mosaic of pavilions of square or rectangular shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose length of the sides is substantially equal to half the wavelength ⁇ 2
  • a prestressing rod at least one of the ends of which is threaded, is screwed into each of the threaded bores of the plate - in a fifth step, a piezoelectric motor then a countermass having an axial bore and sized for able to operate at the two frequencies Vi and V2 are fixed to each of the prestressing rods, each transducer then being constituted
  • a sonar antenna comprising at least two transducers of the type comprising a prestressing rod, a piezoelectric motor, a horn and a countermass, characterized in that the horns are constituted by a plate comprising grooves in order to delimit them , this plate being covered with an acoustically transparent material
  • a method for its implementation consists, when the transducers operate at a frequency lower than the highest frequency from which the flags transducers have been dimensioned to electrically group several transducers so that, for this frequency, the equivalent characteristic dimension of the pavilions of this group of transducers is between 0.35 and 0.65 times the corresponding wavelength
  • FIG. 1 shows a conventional transducer as well as a conventional implantation of the transducers in an antenna
  • FIG. 2 shows a transducer and an installation according to the invention
  • FIG. 3 illustrates various stages in the production of an antenna according to the invention
  • FIG. 4 shows a simplified diagram of a torpedo head comprising an antenna
  • FIG. 5 shows a diagram of the method of grouping the transducers
  • a transducer according to the state of the art II is dimensioned so as to be able to operate at one or more frequencies and comprises an element 101 of energy conversion, a flag 102 and a countermass 103, the assembly being secured by a prestressing rod not shown
  • FIG. 1 b is represented a conventional implantation of the transducers in an antenna 100
  • FIG. 2 is shown an antenna 50 according to an embodiment of the invention.
  • the transducers 60 are identical and dimensioned, in a known manner, for example using simulation software, so as to transmit at a first frequency v «
  • can be chosen equal to 15 kHz and
  • ⁇ > 2 correspond to a frequency of the order of 45kHz They include an element
  • the characteristic dimension of the pavilion ie the diameter s 'it has the shape of a flattened cylinder or the length of one side if it has the shape of a rectangular parallelepiped with a square base, is chosen according to the wavelength ⁇ 2 corresponding to the frequency V2 In this exemplary embodiment, this dimension is chosen to be equal to half of this wavelength ⁇ 2
  • the transducers constituting the antenna 50 according to a method which comprises the following two steps
  • a plate of material intended to constitute the pavilions is secured to an acoustically transparent coating
  • this plate is cut, but not the covering so as to form a matrix of juxtaposed pavilions
  • the antenna manufacturing process can thus be as follows In a first step, tapped bores are produced in a plate made of a material suitable for forming pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the wavelength ⁇ 2
  • said plate is covered by a layer of acoustically transparent material.
  • this material can be rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion.
  • This coating is intended to constitute the waterproof envelope of the antenna at the torpedo head
  • grooves are made in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate so as to constitute a mosaic of pavilions of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose length of the sides is substantially equal to half the wavelength ⁇ 2 These grooves are produced by a milling operation
  • a preload rod at least one of the ends of which is threaded, is screwed into each of the threaded bores of the plate.
  • FIGS. 3a to 3d Another method of manufacturing the transducers 60 of the antenna 50 could be, as illustrated in FIGS. 3a to 3d, the following
  • bores 64 having a countersink 65, are produced in a plate 66 made of a material adapted to constitute pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two 64 consecutive bores being substantially equal to half the wavelength ⁇ 2.
  • a prestressing rod 67 having a head 68 at one of its ends is fixed, by gluing in each of the bores 64, the head 65 resting on the counterbore 65 of the plate 66 so as to touch the part superior 66 of the latter,
  • a third step the upper surface 69 of the plate 66 is covered by a layer 70 of acoustically transparent material, for example rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion
  • grooves 71 are made in the direction longitudinal and transversely of the plate, but not of the covering, so as to constitute a mosaic of independent pavilions 62 of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores 64 and whose length of the sides is substantially equal to half of the wavelength ⁇ 2
  • These grooves 71 are produced by a milling operation
  • FIG. 4 is a diagram in section of a sonar antenna according to the invention on board a torpedo comprising a hollow shell 1
  • the shell of the machine comprises, at its front end, a part 2 intended to support the antenna It is of frustoconical shape and has an axial bore 3 It is covered, from the periphery to the bore with a material 7 able to dampen vibrations of the machine in operation such as, for example, an elastomer with a high damping coefficient, the thickness of which is variable and such that the section is substantially perpendicular to the axis of the machine
  • a head 4 which has the general shape of a flattened warhead and whose external surface 70 has been secured to the plate 66 intended to constitute the mosaic of transducers, by vulcanization
  • Head 4 constitutes a sonar antenna intended to perform transmission and reception functions of acoustic waves
  • a core 5 which can be a block of syntactic foam which has sufficient mechanical strength to withstand the hydrostatic pressure and which has an acoustic impedance different from that of the shell and the transducers and a density less than 1
  • This core 5 comprises a flat front face in which blind housings 6 are reserved intended to receive the array of Tonpilz type transducers the components of which have been described above and the electrodes of which are connected to an electrical connector 12
  • the blind housings 6 are connected to an axial cavity by holes in the core 5 inside which pass conductors connected to the electrodes and to the connector 12 which is fixed, for example to a multiconductor cable, to the electronic equipment located at the interior of the craft
  • the head further comprises an envelope 7, for example of acoustically transparent material such as that which is fixed to the covering of the pavilions
  • the head is then fixed in a known manner, such as that described in patent FR2603761, to the shell by means of a centering and fixing piece 14
  • Sizing of the transducer pavilions allows optimal functioning of the antenna at all frequencies. Indeed, to obtain a correct surface sampling both at the frequency v-
  • the number of transducers per group is of the order of magnitude of the ratio ( ⁇ 1 / ⁇ 2) 2 or 9 in this embodiment of the invention
  • the transducer can be dimensioned to operate at more than two frequencies, the dimension of the pavilions being always dimensioned with respect to the highest operating frequency and the operation.
  • transducers carried out by group of transducers the number of which depends on the operating frequency
  • the number of transducers per group is chosen so that for the frequency considered the characteristic dimension of the pavilion of these transducers either between approximately 0.35 and 0.65 times the corresponding wavelength and the number of transducers per group is chosen from the values 4, 9, 16 or n ⁇ . n being an integer

Abstract

A sonar array for mounting on an underwater vehicle to form an auxiliary head thereon is disclosed. The sonar array comprises at least two identical transducers and has sensitivity peaks at at least two frequencies (ξ1, ξ2). The characteristic dimension of the transducer horn is 0.35-0.65 times the wavelength (μ2) corresponding to the highest of said frequencies (ξ1, ξ2).

Description

ANTENNE DE SONAR PRESENTANT DES PICS DE SENSIBILITE AU MOINS A DEUX FREQUENCES SONAR ANTENNA HAVING AT LEAST TWO-FREQUENCY SENSITIVITY Peaks
La présente invention concerne le domaine des antennes de sonar, notamment celles destinées à être embarquées sur un engin sous-maπn pour constituer une tête rapportée de cet engin Elle a plus particulièrement pour objet une antenne de sonar apte à fonctionner dans différentes bandes de fréquencesThe present invention relates to the field of sonar antennas, in particular those intended to be carried on a sub-maπn vehicle to constitute an attached head of this vehicle. It more particularly relates to a sonar antenna capable of operating in different frequency bands
Une antenne de sonar est généralement constituée d'un grand nombre de transducteurs Chaque transducteur, par exemple de réception, est constitué d'un élément de conversion de l'énergie de pression qui se propage dans le milieu liquide, en énergie électrique qui peut être traitée par des moyens électroniques Dans une antenne sous marine comme celle utilisée dans les sonars pour torpilles, les transducteurs sont disposés les uns à côté des autres sur un matériau acoustiquement transparent assurant le transfert de l'énergie , ils sont de plus fixés mécaniquement de manière plus ou moins complexe sur un support propre à supporter les efforts de pression A titre d'exemple on peut citer le brevet FR 2603761 qui décrit une antenne de sonar constituant la tête rapportée d'un engin sous-marin, laquelle antenne comporte un noyau qui est un bloc de mousse" syntactique rigide, résistant à la pression hydrostatique d'immersion, lequel bloc comporte des logements dans chacun desquels est placé un transducteur électroacoustique, dont la face externe affleure la face externe dudit bloc Cette antenne comporte une enveloppe étanche en un matériau acoustiquement transparent qui est surmoulée autour du bloc et des transducteurs et qui a un profil hydrodynamique en ogive qui prolonge celui de la coque de l'engin et des moyens de fixation contre la face externe de l'extrémité avant de la coque de l'engin Les antennes sous-mannes peuvent être à fonctionnement exclusivement passif ou actif ou posséder la faculté d'un fonctionnement simultané actif et passifA sonar antenna generally consists of a large number of transducers Each transducer, for example of reception, consists of an element for converting the pressure energy which propagates in the liquid medium, into electrical energy which can be processed by electronic means In an underwater antenna like that used in sonars for torpedoes, the transducers are placed next to each other on an acoustically transparent material ensuring the transfer of energy, they are also mechanically fixed so more or less complex on a support capable of withstanding the pressure forces By way of example, mention may be made of patent FR 2603761 which describes a sonar antenna constituting the attached head of an underwater vehicle, which antenna comprises a core which is a rigid syntactic foam block, resistant to hydrostatic immersion pressure, which block has housings in ch none of which is placed an electroacoustic transducer, the outer face of which is flush with the outer face of said block the hull of the machine and means of attachment against the external face of the front end of the hull of the machine The sub-manna antennas can be exclusively passive or active operation or have the faculty of active simultaneous operation and passive
Dans tous les cas, l'antenne possède une fréquence de fonctionnement optimale qui se caractérise par le fait que l'échantillonnage de la surface sensible, ou en d'autres termes le nombre de transducteurs par unité de surface, est bien adapté et pour les antennes actives, que chaque transducteur puisse transformer avec le meilleur rendement, l'énergie électπque en énergie mécanique Pour tenter de répondre aux besoins des concepteurs d'autodirecteurs de torpille qui demandent de plus en plus d'agilité fréquentielle au sonar, des études d'antennes actives dites "large bande", ont conduit à concevoir par des moyens plus ou moins complexes, des transducteurs dont le rendement se maintient à un niveau suffisant pour une excursion fréquentielle de l'ordre de 30% de la fréquence optimale Cependant les facteurs sur lesquels il reste impossible de jouer en fonction de la fréquence, restent d'une part la dimension du pavillon des transducteurs qui constitue l'organe de couplage entre le milieu et le matériau transformateur d'énergie, cette dimension fixant l'échantillonnage surfacique et d'autre part les dimensions des pièces constitutives des transducteurs, qui fixent la fréquence optimale de fonctionnement Par dimension du pavillon d'un transducteur, il faut entendre le diamètre du pavillon s'il à la forme d'un cylindre aplati ou la longueur d'un coté s'il à la forme d'un parallélépipède rectangle à base carréeIn all cases, the antenna has an optimal operating frequency which is characterized by the fact that the sampling of the sensitive surface, or in other words the number of transducers per unit of surface, is well suited and for the active antennas, which each transducer can transform electric energy into mechanical energy with the best efficiency so-called "broadband" active antennas have led to the design, by more or less complex means, of transducers whose efficiency is maintained at a level sufficient for a frequency excursion of the order of 30% of the optimal frequency. which it remains impossible to play as a function of the frequency, remain on the one hand the dimension of the transducer horn which constitutes the coupling between the medium and the energy transformer material, this dimension fixing the surface sampling and on the other hand the dimensions of the component parts of the transducers, which set the optimal operating frequency. By dimension of the horn of a transducer, it is necessary hear the diameter of the pavilion if it has the shape of a flattened cylinder or the length of one side if it has the shape of a rectangular parallelepiped with square base
Pour des raisons physiques de transmission d'énergie et de moindre interaction des transducteurs les uns sur les autres, le concepteur est amené à disposer les éléments à des distances qui restent voisines de la moitié de la longueur de l'onde qui se propage dans le milieuFor physical reasons of energy transmission and less interaction of the transducers on each other, the designer is led to arrange the elements at distances which remain close to half the length of the wave which propagates in the middle
Le brevet GB 2077552 décrit une antenne sonar utilisable pour la recherche des bancs de poissons ou de sable et qui comporte des transducteurs émettant à deux fréquences V-j et V2, respectivement 55 kHz et 130 kHz, la dimension du pavillon de chaque transducteur étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ-| correspondant à la fréquence v-j Or, avec une telle antenne, le rendement chute notablement lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence V2 En outre, une telle antenne ne peut être utilisée dans un autodirecteur de torpille du fait de sa très faible directivitéGB patent 2077552 describes a sonar antenna which can be used to search for schools of fish or sand and which comprises transducers emitting at two frequencies Vj and V2, 55 kHz and 130 kHz respectively, the size of the flag of each transducer being substantially equal to half the wavelength λ- | corresponding to the frequency v-j Now, with such an antenna, the efficiency drops notably when the transducers operate at the frequency V2 In addition, such an antenna cannot be used in a torpedo seeker due to its very low directivity
La présente invention a notamment pour objectif de remédier à ces inconvénients en proposant une antenne sonar ayant un rendement élevé dans de multiples bandes de fréquences V-j y 2 conciliant pour ces multiples bandes de fréquences un échantillonnage spatial optimal tout en conservant la fonction émission sur plusieurs bandes de fréquencesThe present invention aims in particular to remedy these drawbacks by proposing a sonar antenna having a high efficiency in multiple frequency bands Vj y 2 reconciling for these multiple frequency bands optimal spatial sampling while retaining the transmission function on several bands frequencies
Une antenne sonar selon l'invention comporte des transducteurs identiques et présentant au moins à deux fréquences v-j et V2 des pics de sensibilité et est caractérisée en ce que la dimension du pavillon de ces transducteurs est comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde λ2 correspondant à la plus élevée des fréquences v-| et V2A sonar antenna according to the invention comprises identical transducers and having at least two sensitivity peaks vj and V2 and is characterized in that the dimension of the horn of these transducers is between 0.35 and 0.65 times the wavelength λ2 corresponding to the higher of the frequencies v- | and V2
Ce fractionnement de la surface sensible de l'antenne, amène à construire un grand nombre d'éléments ce qui entraînerait un coût assez élevé pour une réalisation industrielle classique à base de collage des éléments côte à côte sur une surface Une autre caractéristique de l'invention consiste lors de la fabrication des transducteurs à utiliser les étapes suivantesThis fractionation of the sensitive surface of the antenna, leads to the construction of a large number of elements which would entail a fairly high cost for a conventional industrial production based on bonding the elements side by side on a surface. Another characteristic of the invention consists in manufacturing the transducers to use the following steps
- dans une première étape à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matériau acoustiquement transparent,in a first step of coating a plate of material intended to constitute the pavilions with a coating of acoustically transparent material,
- dans une étape ultérieure, à découper la plaque, mais pas le revêtement de façon a former une matrice de pavillons juxtaposés et séparés par lesdites découpes Un procédé de fabrication, suivant l'invention, de la matrice de transducteurs constituant l'antenne peut ainsi être le suivant- in a subsequent step, to cut the plate, but not the covering so as to form a matrix of pavilions juxtaposed and separated by said cuts A method of manufacturing, according to the invention, the matrix of transducers constituting the antenna can thus be as follows
- dans une première étape, des alésages taraudés sont réalisés dans une plaque en matériau adapté pour constitué des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2- in a first step, tapped bores are produced in a plate made of a material suitable for making pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the length d λ2 wave
- dans une seconde étape, ladite plaque est recouverte par une couche en matériau acoustiquement transparent A titre d'exemple, ce matériau peut être du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite Ce revêtement est destiné à constituer l'enveloppe étanche de l'antenne au niveau de la tête de la torpille,- In a second step, said plate is covered by a layer of acoustically transparent material. For example, this material can be rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion. This coating is intended to constitute the waterproof envelope of the antenna at the level of the torpedo head,
- dans une troisième étape des sillons sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée ou rectangulaire dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2- In a third step, grooves are made in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate so as to constitute a mosaic of pavilions of square or rectangular shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose length of the sides is substantially equal to half the wavelength λ2
- dans une quatrième étape une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque - dans une cinquième étape, un moteur piézo-électπque puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences Vi et V2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué- in a fourth step, a prestressing rod, at least one of the ends of which is threaded, is screwed into each of the threaded bores of the plate - in a fifth step, a piezoelectric motor then a countermass having an axial bore and sized for able to operate at the two frequencies Vi and V2 are fixed to each of the prestressing rods, each transducer then being constituted
On peut alors obtenir une antenne sonar comportant au moins deux transducteurs du type comportant une tige de précontrainte, un moteur piézo¬ électrique, un pavillon et une contremasse, caractérisé en ce que les pavillons sont constitués par une plaque comportant des sillons afin de les délimiter, cette plaque étant recouverte d'un matériau acoustiquement transparentIt is then possible to obtain a sonar antenna comprising at least two transducers of the type comprising a prestressing rod, a piezoelectric motor, a horn and a countermass, characterized in that the horns are constituted by a plate comprising grooves in order to delimit them , this plate being covered with an acoustically transparent material
Dans le but d'obtenir un fonctionnement optimal de l'antenne selon l'invention à toutes les fréquences un procédé pour sa mise en oeuvre consiste, lorsque les transducteurs fonctionnent à une fréquence inférieure à la fréquence la plus élevée à partir de laquelle les pavillons des transducteurs ont été dimensionnés, à grouper électriquement plusieurs transducteurs de telle sorte que, pour cette fréquence, la dimension caractéristique équivalente des pavillons de ce groupement de transducteurs soit comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde correspondante D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation appliqué aux torpilles sous-mannes, au regard des figures annexées parmi lesquellesIn order to obtain optimal operation of the antenna according to the invention at all frequencies, a method for its implementation consists, when the transducers operate at a frequency lower than the highest frequency from which the flags transducers have been dimensioned to electrically group several transducers so that, for this frequency, the equivalent characteristic dimension of the pavilions of this group of transducers is between 0.35 and 0.65 times the corresponding wavelength Other advantages and characteristics of the present invention will appear in the description of an embodiment applied to the sub-manna torpedoes, with regard to the appended figures among which
- la figure 1 montre un transducteur classique ainsi qu'une l'implantation classique des transducteurs dans une antenne,FIG. 1 shows a conventional transducer as well as a conventional implantation of the transducers in an antenna,
- la figure 2 présente un transducteur ainsi qu'une l'implantation selon l'invention,FIG. 2 shows a transducer and an installation according to the invention,
- la figure 3 illustre différentes étapes de réalisation d'une antenne selon l'invention, - la figure 4 montre un schéma simplifié d'une tête de torpille comportant une antenne,FIG. 3 illustrates various stages in the production of an antenna according to the invention, FIG. 4 shows a simplified diagram of a torpedo head comprising an antenna,
- la figure 5 présente un schéma du mode de regroupement des transducteurs- Figure 5 shows a diagram of the method of grouping the transducers
Sur la figure 1 a est représenté un transducteur selon l'état de la technique II est dimensionné de façon à pouvoir fonctionner à une ou plusieurs fréquences et comporte un élément 101 de conversion d'énergie, un pavillon 102 et une contremasse 103, l'ensemble étant solidarisé par une tige de précontrainte non représentéeIn Figure 1 a is shown a transducer according to the state of the art II is dimensioned so as to be able to operate at one or more frequencies and comprises an element 101 of energy conversion, a flag 102 and a countermass 103, the assembly being secured by a prestressing rod not shown
Sur la figure 1 b est représentée une l'implantation classique des transducteurs dans une antenne 100In FIG. 1 b is represented a conventional implantation of the transducers in an antenna 100
Ils sont identiques et dimensionnés de façon à émettre a une fréquence spécifique v-| , la dimension des pavillons des transducteurs étant sensiblement égale à la valeur d'une demi longueur d'onde λ-j et la distance séparant deux transducteurs juxtaposés étant aussi de l'ordre d'une demi longueur d'onde II est rappelé que la fréquence et la longueur d'onde sont reliés par la relation v-|=C/λ1 où, en l'occurrence, C est la vitesse du son dans le milieuThey are identical and dimensioned so as to transmit at a specific frequency v- | , the dimension of the transducer pavilions being substantially equal to the value of a half wavelength λ-j and the distance separating two juxtaposed transducers also being of the order of a half wavelength II is recalled that the frequency and wavelength are related by the relation v- | = C / λ1 where, in this case, C is the speed of sound in the medium
Sur la figure 2 est montré une antenne 50 selon un mode de réalisation de l'invention Les transducteurs 60 sont identiques et dimensionnés, de façon connue, par exemple à l'aide d'un logiciel de simulation, de façon à émettre à une première fréquence v«| ainsi qu'à une seconde fréquence V"2 correspondant à une fréquence harmonique de v«| A titre d'exemple, V<| peut être choisie égale à 15 kHz etIn FIG. 2 is shown an antenna 50 according to an embodiment of the invention. The transducers 60 are identical and dimensioned, in a known manner, for example using simulation software, so as to transmit at a first frequency v «| as well as at a second frequency V " 2 corresponding to a harmonic frequency of v" | For example, V <| can be chosen equal to 15 kHz and
\>2 correspondre à une fréquence de l'ordre de 45kHz Ils comportent un élément\> 2 correspond to a frequency of the order of 45kHz They include an element
61 de conversion d'énergie, un pavillon 62 et une contremasse 63, l'ensemble étant solidarisé par une tige de précontrainte non représentée Pour ce qui concerne l'échantillonnage surfacique, la dimension caractéristique du pavillon, c'est à dire le diamètre s'il à la forme d'un cylindre aplati ou la longueur d'un coté s'il à la forme d'un parallélépipède rectangle à base carrée, est choisie en fonction de la longueur d'onde λ2 correspondant à la fréquence V2 Dans cet exemple de réalisation cette dimension est choisie égale à la moitié de cette longueur d'onde λ261 of energy conversion, a pavilion 62 and a countermass 63, the assembly being secured by a prestressing rod not shown. As regards surface sampling, the characteristic dimension of the pavilion, ie the diameter s 'it has the shape of a flattened cylinder or the length of one side if it has the shape of a rectangular parallelepiped with a square base, is chosen according to the wavelength λ2 corresponding to the frequency V2 In this exemplary embodiment, this dimension is chosen to be equal to half of this wavelength λ2
On comprendra qu'un tel dimensionnement augmente, par rapport à l'état de la technique, le nombre de transducteurs, d'un facteur égal à (λ-|/λ2)2 ou, ce qui est équivalent, à (V2/V-|)2. Dans cet exemple de réalisation, ce facteur est égal à 9It will be understood that such a dimensioning increases, compared to the prior art, the number of transducers, by a factor equal to (λ- | / λ2) 2 or, which is equivalent, to (V2 / V - |) 2. In this exemplary embodiment, this factor is equal to 9
Aussi, dans le but de réduire le coût de fabrication d'une telle antenne il est avantageux de fabriquer les transducteurs constitutifs de l'antenne 50 selon un procédé qui comporte les deux étapes suivantesAlso, in order to reduce the manufacturing cost of such an antenna it is advantageous to manufacture the transducers constituting the antenna 50 according to a method which comprises the following two steps
- dans une première étape une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons est solidarisée à un revêtement acoustiquement transparent,- in a first step, a plate of material intended to constitute the pavilions is secured to an acoustically transparent coating,
- dans une étape ultérieure, cette plaque est découpée, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés- in a later stage, this plate is cut, but not the covering so as to form a matrix of juxtaposed pavilions
Le procédé de fabrication de l'antenne peut ainsi être le suivant Dans une première étape, des alésages taraudés sont réalisés dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2The antenna manufacturing process can thus be as follows In a first step, tapped bores are produced in a plate made of a material suitable for forming pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the wavelength λ2
Dans une seconde étape, ladite plaque est recouverte par une couche en matériau acoustiquement transparent A titre d'exemple, ce matériau peut être du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite Ce revêtement est destiné à constituer l'enveloppe étanche de l'antenne au niveau de la tête de la torpilleIn a second step, said plate is covered by a layer of acoustically transparent material. For example, this material can be rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion. This coating is intended to constitute the waterproof envelope of the antenna at the torpedo head
Dans une troisième étape des sillons sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2 Ces sillons sont réalisés par une opération de fraisageIn a third step, grooves are made in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate so as to constitute a mosaic of pavilions of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose length of the sides is substantially equal to half the wavelength λ2 These grooves are produced by a milling operation
Dans une quatrième étape une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque Dans une cinquième étape, un moteur piézo-électπque puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences v-| et \>2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteurs étant alors constituéIn a fourth step, a preload rod, at least one of the ends of which is threaded, is screwed into each of the threaded bores of the plate. In a fifth step, a piezoelectric motor and then a countermass having an axial bore and sized to be able to operate. at the two frequencies v- | and \> 2 are fixed to each of the prestressing rods, each transducer then being constituted
A titre d'exemple, un autre procédé de fabrication des transducteurs 60 de l'antenne 50 pourrait être, comme illustré aux figures 3a à 3d, le suivantAs an example, another method of manufacturing the transducers 60 of the antenna 50 could be, as illustrated in FIGS. 3a to 3d, the following
Dans une première étape, des alésages 64, présentant un lamage 65, sont réalisés dans une plaque 66 en matéπau adapté pour constitué des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages 64 consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2 .In a first step, bores 64, having a countersink 65, are produced in a plate 66 made of a material adapted to constitute pavilions, for example aluminum, according to a square matrix, the distance separating two 64 consecutive bores being substantially equal to half the wavelength λ2.
Dans une seconde étape, une tige de précontrainte 67 présentant une tête 68 à l'une de ses extrémités est fixée, par collage dans chacun des alésages 64, la tête 65 reposant sur le lamage 65 de la plaque 66 de façon à effleurer la partie supérieure 66 de cette dernière,In a second step, a prestressing rod 67 having a head 68 at one of its ends is fixed, by gluing in each of the bores 64, the head 65 resting on the counterbore 65 of the plate 66 so as to touch the part superior 66 of the latter,
Dans une troisième étape, la surface supérieure 69 de la plaque 66 est recouverte par une couche 70 en matériau acoustiquement transparent, par exemple du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite Dans une quatrième étape des sillons 71 sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque, mais pas du revêtement, de manière à constituer une mosaïque de pavillons indépendants 62 de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages 64 taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2 Ces sillons 71 sont réalisés par une opération de fraisageIn a third step, the upper surface 69 of the plate 66 is covered by a layer 70 of acoustically transparent material, for example rubber deposited by vulcanization so as to ensure perfect adhesion In a fourth step grooves 71 are made in the direction longitudinal and transversely of the plate, but not of the covering, so as to constitute a mosaic of independent pavilions 62 of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores 64 and whose length of the sides is substantially equal to half of the wavelength λ2 These grooves 71 are produced by a milling operation
Dans une cinquième étape, un moteur piézo-électπque 61 puis une contremasse 63 présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences v-| et V2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteurs étant alors constitué La figure 4 est un schéma en coupe d'une antenne de sonar selon l'invention embarquée sur une torpille comportant une coque creuse 1In a fifth step, a piezoelectric motor 61 then a countermass 63 having an axial bore and dimensioned to be able to operate at the two frequencies v- | and V2 are fixed to each of the prestressing rods, each transducer then being constituted. FIG. 4 is a diagram in section of a sonar antenna according to the invention on board a torpedo comprising a hollow shell 1
La coque de l'engin comporte, à son extrémité avant, une pièce 2 destinée à supporter l'antenne Elle est de forme tronconique et comporte un alésage axial 3 Elle est recouverte, depuis la périphérie jusqu'à l'alésage par un matériau 7 apte à amortir les vibrations de l'engin en fonctionnement comme, par exemple, un élastomère à haut coefficient d'amortissement dont l'épaisseur est variable et telle que la section soit sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'enginThe shell of the machine comprises, at its front end, a part 2 intended to support the antenna It is of frustoconical shape and has an axial bore 3 It is covered, from the periphery to the bore with a material 7 able to dampen vibrations of the machine in operation such as, for example, an elastomer with a high damping coefficient, the thickness of which is variable and such that the section is substantially perpendicular to the axis of the machine
A l'avant de la pièce 2 se trouve une tête 4 qui a la forme générale d'une ogive aplatie et dont la surface externe 70 a été solidarisé à la plaque 66 destinée à constituer la mosaïque de transducteurs, par vulcanisationAt the front of the part 2 is a head 4 which has the general shape of a flattened warhead and whose external surface 70 has been secured to the plate 66 intended to constitute the mosaic of transducers, by vulcanization
La tête 4 constitue une antenne de sonar destinée à assurer des fonctions d'émission et de réception d'ondes acoustiquesHead 4 constitutes a sonar antenna intended to perform transmission and reception functions of acoustic waves
Elle comporte un noyau 5 pouvant être un bloc de mousse syntactique qui a une résistance mécanique suffisante pour supporter la pression hydrostatique et qui a une impédance acoustique différente de celle de la coque et des transducteurs et une densité inférieure à 1It comprises a core 5 which can be a block of syntactic foam which has sufficient mechanical strength to withstand the hydrostatic pressure and which has an acoustic impedance different from that of the shell and the transducers and a density less than 1
Ce noyau 5 comporte une face avant plane dans laquelle sont réservés des logements borgnes 6 destinés à recevoir le réseau de transducteurs du type Tonpilz dont les éléments constitutifs ont été décrits précédemment et dont les électrodes sont connectées sur un connecteur électrique 12This core 5 comprises a flat front face in which blind housings 6 are reserved intended to receive the array of Tonpilz type transducers the components of which have been described above and the electrodes of which are connected to an electrical connector 12
Les logements borgnes 6 sont reliés à une cavité axiale par des perçages dans le noyau 5 à l'intérieur desquels passent des conducteurs reliés aux électrodes et au connecteur 12 qui est fixé, par exemple à un câble multiconducteurs, aux équipements électroniques situés à l'intérieur de l'enginThe blind housings 6 are connected to an axial cavity by holes in the core 5 inside which pass conductors connected to the electrodes and to the connector 12 which is fixed, for example to a multiconductor cable, to the electronic equipment located at the interior of the craft
La tête comporte en outre une enveloppe 7, par exemple en matériau acoustiquement transparent comme celui qui est fixé au revêtement des pavillonsThe head further comprises an envelope 7, for example of acoustically transparent material such as that which is fixed to the covering of the pavilions
La tête est ensuite fixée de manière connue, comme par exemple celle décrite dans le brevet FR2603761 , à la coque par l'intermédiaire d'une pièce de centrage et de fixation 14The head is then fixed in a known manner, such as that described in patent FR2603761, to the shell by means of a centering and fixing piece 14
Un dimensionnement des pavillons des transducteurs permet un fonctionnement optimal de l'antenne à toutes les fréquences En effet, pour obtenir un échantillonnage surfacique correct aussi bien à la fréquence v-| qu'à la fréquence V2 , il suffit, pour la fréquence v-j , de répartir les transducteurs en groupes 80-j à 80π par exemple selon une maille carrée de telle sorte que la dimension caractéristique équivalente de chacun des groupes de transducteurs soit sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ-] et, pour chaque groupe, à combiner le fonctionnement des transducteurs qui en font partie Pour cela, les signaux issus de chaque élément d'un groupe, par exemple de 4 ou 9 éléments, sont sommés électroniquement par un amplificateur opérationnel constituant ainsi une source unique qui est traitée par les circuits de préformationSizing of the transducer pavilions allows optimal functioning of the antenna at all frequencies. Indeed, to obtain a correct surface sampling both at the frequency v- | that at the frequency V2, it suffices, for the frequency vj, to distribute the transducers into groups 80-j at 80 π for example according to a square mesh so that the equivalent characteristic dimension of each of the groups of transducers is substantially equal at half the wavelength λ-] and, for each group, to combine the operation of the transducers which form part of it. For this, the signals coming from each element of a group, for example from 4 or 9 elements, are summed electronically by an operational amplifier thus constituting a single source which is processed by the preformation circuits
Le nombre de transducteur par groupe est de l'ordre de grandeur du rapport (λ1/λ2)2 soit 9 dans ce mode de réalisation de l'inventionThe number of transducers per group is of the order of magnitude of the ratio (λ 1 / λ2) 2 or 9 in this embodiment of the invention
Il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation présenté Ainsi, le transducteur peut être dimensionné pour fonctionner à plus de deux fréquences, la dimension des pavillons étant toujours dimensionnée par rapport à la fréquence de fonctionnement la plus élevée et le fonctionnement des transducteurs s'effectuant par groupe de transducteurs dont le nombre est fonction de la fréquence de fonctionnement De plus, pour une question de simplicité le nombre de transducteur par groupe est choisi de façon que pour la fréquence considérée la dimension caractéristique du pavillon de ces transducteurs soit comprise environ entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde correspondante et le nombre de transducteurs par groupe soit choisi parmi les valeurs 4, 9, 16 soit n^. n étant un nombre entier It is obvious that many modifications can be made to the embodiment presented. Thus, the transducer can be dimensioned to operate at more than two frequencies, the dimension of the pavilions being always dimensioned with respect to the highest operating frequency and the operation. transducers carried out by group of transducers, the number of which depends on the operating frequency In addition, for the sake of simplicity, the number of transducers per group is chosen so that for the frequency considered the characteristic dimension of the pavilion of these transducers either between approximately 0.35 and 0.65 times the corresponding wavelength and the number of transducers per group is chosen from the values 4, 9, 16 or n ^. n being an integer

Claims

REVENDICATIONS
1 Antenne sonar comportant au moins deux transducteurs identiques et présentant au moins à deux fréquences v-j et V2 des pics de sensibilité, caractérisé en ce que la dimension caractéristique du pavillon de ces transducteurs est comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde λ2 correspondant à la plus élevée des fréquences v-j et V21 sonar antenna comprising at least two identical transducers and having at least two sensitivity peaks vj and V2, characterized in that the characteristic dimension of the horn of these transducers is between 0.35 and 0.65 times the length d λ2 wave corresponding to the highest of the frequencies vj and V2
2 Procédé de mise en oeuvre d'une antenne selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il consiste, lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence v-| à grouper le fonctionnement de plusieurs transducteurs de telle sorte que la dimension caractéristique équivalente des pavillons de ce groupement de transducteurs soit comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde λ*| correspondant à la moins élevée des fréquences v-j et V22 A method of implementing an antenna according to claim 1, characterized in that it consists, when the transducers operate at the frequency v- | to group the operation of several transducers so that the equivalent characteristic dimension of the pavilions of this group of transducers is between 0.35 and 0.65 times the wavelength λ * | corresponding to the lower of the frequencies v-j and V2
3 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il consiste3 A method of manufacturing a matrix of transducers according to claim 1, characterized in that it consists
- à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matériau acoustiquement transparent,- coating a plate of material intended to constitute the pavilions with a coating of acoustically transparent material,
- à découper, la plaque, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés et séparés par lesdites découpes- to cut, the plate, but not the coating so as to form a matrix of pavilions juxtaposed and separated by said cuts
4 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste4 A method of manufacturing a matrix of transducers according to claim 3, characterized in that it consists
- dans une première étape, à réaliser des alésages taraudés dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λ2- in a first step, to produce tapped bores in a plate made of material suitable for constituting pavilions, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the wavelength λ2
- dans une seconde étape, à recouvrir la plaque par une couche en matériau acoustiquement transparent - dans une troisième étape, à réaliser des sillons dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2 - dans une quatrième étape à visser une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque - dans une cinquième étape, à fixer un moteur piézo-électπque puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences v-j et V2 à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué- in a second step, to cover the plate with a layer of acoustically transparent material - in a third step, to make grooves in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate so as to constitute a mosaic of pavilions of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose side length is substantially equal to half the wavelength X2 - in a fourth step to screw a preload rod at least one of the ends of which is threaded screwed into each of the threaded holes in the plate - in a fifth step, to fix a piezoelectric motor then a countermass having an axial bore and dimensioned to be able to operate at the two frequencies vj and V2 at each of the prestressing rods, each transducer then being constituted
5 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste5 A method of manufacturing a transducer matrix according to claim 3, characterized in that it consists
- dans une première étape, à réaliser des alésages, présentant un lamage, dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2.- in a first step, to make bores, having a countersink, in a plate made of material suitable for constituting pavilions, according to a square matrix, the distance separating two consecutive bores being substantially equal to half the wavelength X2 .
- dans une seconde étape, à fixer par collage dans chacun des alésages, une tige de précontrainte présentant une tête à l'une de ses extrémités, la tête reposant sur le lamage de la plaque de façon à effleurer la partie supérieure de cette dernière,- in a second step, to be fixed by gluing in each of the bores, a prestressing rod having a head at one of its ends, the head resting on the counterbore of the plate so as to touch the upper part of the latter,
- dans une troisième étape, à recouvrir la surface supérieure de la plaque par une couche en matériau acoustiquement transparent- in a third step, to cover the upper surface of the plate with a layer of acoustically transparent material
- dans une quatrième étape, à réaliser des sillons dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque, mais pas dans le revêtement, de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2- in a fourth step, to make grooves in the longitudinal direction and in the transverse direction of the plate, but not in the covering, so as to constitute a mosaic of pavilions of square shape whose axes correspond to those of the tapped bores and whose side length is substantially equal to half the wavelength X2
- dans une cinquième étape, à fixer un moteur piézo-électπque puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences v-| et V2 à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué- in a fifth step, to fix a piezoelectric motor and then a counterweight having an axial bore and dimensioned to be able to operate at the two frequencies v- | and V2 to each of the prestressing rods, each transducer then being constituted
6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les découpes dans la plaque sont réalisées par fraisage6 Method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the cuts in the plate are made by milling
7 Antenne sonar comportant au moins deux transducteurs du type comportant une tige de précontrainte 67, un moteur piézo-électπque 61 , un pavillon 62 et une contremasse 63, caractérisé en ce que les pavillons sont constitués par une plaque 66 comportant des sillons 71 afin de les délimiter, cette plaque 66 étant recouverte d'un matériau 70 acoustiquement transparent 7 Sonar antenna comprising at least two transducers of the type comprising a prestressing rod 67, a piezoelectric motor 61, a horn 62 and a countermass 63, characterized in that the horns are constituted by a plate 66 having grooves 71 in order to delimit them, this plate 66 being covered with an acoustically transparent material 70
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