EP0794841B1 - Antenne de sonar presentant des pics de sensibilite au moins a deux frequences - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- Underwater antennas can be operated exclusively passive or active or possess the faculty of a simultaneous active and passive operation.
- Sizing of the transducer pavilions allows optimal operation of the antenna at all frequencies. Indeed, to obtain a correct surface sampling both at the frequency ⁇ 1 and at the frequency ⁇ 2 , it suffices, for the frequency ⁇ 1 , to divide the transducers into groups 80 1 to 80 n for example according to a square mesh so that the equivalent characteristic dimension of each of the groups of transducers is substantially equal to half the wavelength ⁇ 1 and, for each group, to combine the operation of the transducers which form part thereof. For this, the signals from each element of a group, for example of 4 or 9 elements, are summed electronically by an operational amplifier thus constituting a single source which is processed by the preformation circuits.
Description
La présente invention concerne le domaine des antennes de sonar,
notamment celles destinées à être embarquées sur un engin sous-marin 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 fréquences.
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-marines peuvent être à fonctionnement exclusivement
passif ou actif ou posséder la faculté d'un fonctionnement simultané actif et passif.
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 électrique 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 carrée.
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 milieu.
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 ν1 et ν2 , respectivement 55 kHz et 130 kHz, la dimension du
pavillon de chaque transducteur étant sensiblement égale à la moitié de la longueur
d'onde λ1 correspondant à la fréquence ν1 . Or, avec une telle antenne, le
rendement chute notablement lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence
ν2 . En outre, une telle antenne ne peut être utilisée dans un autodirecteur de
torpille du fait de sa très faible directivité.
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 ν1 , ν2 ... conciliant pour ces multiples bandes de
fréquences un échantillonnage spatial optimal tout en conservant la fonction
émission sur plusieurs bandes de fréquences.
Une antenne sonar selon l'invention comporte des transducteurs identiques
et présentant au moins à deux fréquences ν1 et ν2 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 ν1 et ν2
Ce fractionnement de la surface sensible de l'antenne, amène à construire
un grand nombre d'éléments ce qui entraínerait 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 suivantes
- dans une première étape à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matérieau acoustiquement transparent,
- dans une étape ultérieure, à découper la plaque, mais pas le revêtement de façon à 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 :
- 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 ,
- 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,
- 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 ,
- 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-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences ν1 et ν2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué.
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 transparent.
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 apparaítront
dans la description d'un mode de réalisation appliqué aux torpilles sous-marines, au
regard des figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 montre un transducteur classique ainsi qu'une l'implantation classique des transducteurs dans une antenne,
- la figure 2 présente un transducteur ainsi qu'une l'implantation selon l'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,
- la figure 5 présente un schéma du mode de regroupement des transducteurs.
Sur la figure 1a est représenté un transducteur selon l'état de la technique. Il
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
représentée.
Sur la figure 1b est représentée une l'implantation classique des
transducteurs dans une antenne 100.
Ils sont identiques et dimensionnés de façon à émettre à une fréquence
spécifique ν1 , la dimension des pavillons des transducteurs étant sensiblement
égale à la valeur d'une demi longueur d'onde λ1 et la distance séparant deux
transducteurs juxtaposés étant aussi de l'ordre d'une demi longueur d'onde. Il est
rappelé que la fréquence et la longueur d'onde sont reliés par la relation ν1 =C/λ1
où, en l'occurrence, C est la vitesse du son dans le milieu.
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 ν1 ainsi qu'à une seconde fréquence ν2 correspondant à une fréquence
harmonique de ν1 . A titre d'exemple, ν1 peut être choisie égale à 15 kHz et
ν2 correspondre à une fréquence de l'ordre de 45kHz. Ils comportent un élément
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 ν2 .
Dans cet exemple de réalisation cette dimension est choisie égale à la moitié de
cette longueur d'onde 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 .(λ1/λ2)2 ou, ce qui
est équivalent, à (ν2 /ν1 )2. Dans cet exemple de réalisation, ce facteur est égal à 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 suivantes :
- dans une première étape une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons est solidarisée à un revêtement acoustiquement transparent,
- dans une étape ultérieure, cette plaque est découpée, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés.
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 λ2.
Dans une seconde étape, ladite plaque est recouverte par une couche en
matérieau 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.
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 fraisage.
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-électrique puis une
contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner
aux deux fréquences ν1 et ν2 sont fixés a chacune des tiges de précontrainte,
chaque transducteurs étant alors constitué.
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 suivant :
Dans une première étape, des alésages 64, présentant un lamage 65, sont
réalisés dans une plaque 66 en matériau 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 .
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,
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 fraisage.
Dans une cinquième étape, un moteur piézo-électrique 61 puis une
contremasse 63 présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir
fonctionner aux deux fréquences ν1 et ν2 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 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'engin.
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 vulcanisation.
La tête 4 constitue une antenne de sonar destinée à assurer des fonctions
d'émission et de réception d'ondes acoustiques
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 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 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'engin.
La tête comporte en outre une enveloppe 7, par exemple en matériau
acoustiquement transparent comme celui qui est fixé au revêtement des pavillons.
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 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 ν1 qu'à la
fréquence ν2 , il suffit, pour la fréquence ν1 , de répartir les transducteurs en
groupes 801 à 80n 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 λ1 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 préformation.
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'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 n2,
n étant un nombre entier.
Claims (7)
- Antenne sonar comportant une matrice d'au moins deux transducteurs identiques comportant chacun un pavillon, et présentant au moins à deux fréquences ν1 et ν2 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 ν1 et ν2
- Antenne sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits au moins deux transducteurs sont type comportant une tige de précontrainte (67), un moteur piézo-électrique (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.
- Procédé de mise en oeuvre d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste, lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence ν1 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 λ1 correspondant à la moins élevée des fréquences ν1 et ν2
- Procédé de fabrication des pavillons (62 ; 66) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste :à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matériau acoustiquement transparent,à découper, la plaque, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés et séparés par lesdites découpes.
- Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste :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 λ2dans 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 λ2dans 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-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences ν1 et ν2 à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué.
- Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: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 λ2dans 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,dans une troisième étape, à recouvrir la surface supérieure de la plaque par une couche en matériau acoustiquement transparent,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 λ2dans une cinquième étape, à fixer un moteur piézo-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences ν1 et ν2 , à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les découpes dans la plaque sont réalisées par fraisage.
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|---|---|---|---|
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