EP1474797A2 - Antenne acoustique surfacique pour sous-marins - Google Patents

Antenne acoustique surfacique pour sous-marins

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EP1474797A2
EP1474797A2 EP03720614A EP03720614A EP1474797A2 EP 1474797 A2 EP1474797 A2 EP 1474797A2 EP 03720614 A EP03720614 A EP 03720614A EP 03720614 A EP03720614 A EP 03720614A EP 1474797 A2 EP1474797 A2 EP 1474797A2
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antenna
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antenna according
speed
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Luc Thales Intellectual Property FRANCOIS
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G10K11/006—Transducer mounting in underwater equipment, e.g. sonobuoys
    • G10K11/008—Arrays of transducers
    • 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
    • B06B1/0688—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to acoustic antennas for receiving low frequency underwater waves. It relates more particularly to so-called surface antennas, the sensors of which are in the form of piezoelectric films generally made with Poly Vinylidene Fluoride, known as PVDF.
  • the directivity of the sensors is, in open water, omnidirectional (they are small compared to the central wavelength of the listening frequency band), the shell cannot be coated with a baffle with low acoustic impedance which would improve the acoustic discretion of the submarine, since the directivity would then be variable and not controllable.
  • the invention proposes combining particle pressure sensors with pressure sensors so that each receiving panel is directive.
  • the invention provides a surface acoustic antenna, of the type comprising a set of flat pressure sensors made of plastic piezoelectric material fixed planarly in a support structure, mainly characterized in that some of these sensors are replaced by speed sensors particle placed in such a way that the combination of the signal from the pressure sensors with the signal from the speed sensors makes it possible to obtain a cardioid having a zero of reception normal to one of the faces of the antenna.
  • the particulate speed sensors are formed by geophones encapsulated in a mass of syntactic foam whose density is the same as that of the coating material of all the sensors of the antenna.
  • connection bridges which are curved in a V shape to form gutters making it possible to maintain the connection wires of the particulate speed sensors during the molding operations of the assembly of the antenna.
  • the surface comprising all of the sensors substantially forms a curved plane on the surface of the hull of a load-bearing building, and the zero of the cardioid is directed towards said hull.
  • the carrying vessel is a submarine.
  • the antenna comprises at least one panel comprising 15 pressure sensors and 6 speed sensors regularly inserted between these pressure sensors.
  • FIG. 3 a perspective view of a geophone used in an antenna according to the invention.
  • a surface acoustic antenna for submarines as described in French Patent No. 2,691,596 is essentially characterized in that each panel includes Particulate velocity sensors whose axis of sensitivity is normal to the plane of the panel and in that the corresponding phase center is coincident with the phase center of the pressure sensors, thus making it possible to obtain a directivity in cardioid.
  • FIG. 1 represents a view of the pressure sensors situated inside a panel according to the prior art and corresponds to FIG. 5 of French patent No. 2,691,596. It will be recalled that the pressure sensor has a bimorph structure that is, it is formed by two layers of PVDF piezoelectric film separated by a central electrode forming the hot spot. The two layers are covered with 2 external electrodes which are electrically connected to form the cold spot.
  • FIG. 1 is a flat cross section of the panel at the height of the central or external electrodes.
  • Each electrode is formed by a set of square plates 10 connected by narrow bridges 11.
  • the 2 connections 12 of the output signal are located at one end of the set.
  • FIG. 2 represents a view of the panel modified according to the invention, in the same section as in FIG. 1.
  • Speed sensors 20 are installed at locations chosen to make the 2 phase centers corresponding to the 2 signals measuring the coincidence pressure and speed component normal to the panel. This result is obtained geometrically using the symmetry of the places where the measurements are made.
  • 6 of the 21 pressure sensors are removed and 6 speed sensors 20 are placed in the center of the spaces thus provided.
  • the speed sensors are geophones 301 encapsulated in a syntactic foam 302 having the same density as the polyurethane coating in which the pressure sensors are molded, as described in the French patent. 2,691,596.
  • the serial wiring of the geophones is shown in FIG. 2 and does not have any particular characteristics, except that the bridges 21 are V-shaped, so as to form a gutter making it possible to reduce the displacement of the cables during molding, as can also be seen in FIG. 4.
  • the connector 12 there are 2 wires for the omnidirectional pressure signal from the panels 10, and 2 wires for the speed signal from the sensors 20.
  • the directivity of the signal from the sensors 20 is in cos theta, where theta is l angle of incidence of the wave with respect to the axis of sensitivity of the sensor.
  • the addition of these 2 signals provides a signal whose directivity is in the form of a cardioid, with the direction of "zero" normal to the panel and oriented towards the rear, therefore towards the shell.
  • FIG. 4 represents, in a perspective view, a panel according to the invention before molding, and FIG. 5 such a panel after molding by casting of a suitable polyurethane material 50 whose level arrives flush with the upper part of the geophones .
  • a layer of neoprene with the same composition as that of the envelope 40 is poured over it.
  • the panel thus obtained can be installed directly on the hull of the submarine, or on a material with low acoustic impedance deposited on the hull, which thus improves the acoustic discretion of the submarine.
  • the geophones can be replaced by accelerometers or any other directional sensor.

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Abstract

L'invention concerne les antennes acoustiques surfaciques pour les sous-marins. Elle consiste, dans une antenne connue, à remplacer certains capteurs de pression (10) par des capteurs de vitesse (20) pour obtenir une directivité en forme de cardioïde présentant un zéro orienté vers la coque du io sous-marin. Elle permet d'utiliser des baffles servant à atténuer les bruits intérieurs du sous-marin.

Description

ANTENNE ACOUSTIQUE SURFACIQUE POUR SOUS-MARINS
La présente invention se rapporte aux antennes acoustiques de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence. Elle concerne plus particulièrement les antennes dites surfaciques dont les capteurs se présentent sous la forme de films piézo-électriques confectionnés généralement avec du Poly Fluorure de Vinylidène, dit PVDF.
On connaît de telles antennes de réception placées sur les flancs de sous-marins. Leur surface atteint plusieurs mètres carrés et on les appelle "antennes de flancs", en anglo-saxon "flank arrays". Dans le brevet français n° 92 06279 déposé le 27 mai 1992, publié le 26 novembre 1992 sous le n°2 691 596 et délivré le 28 avril 1995, la demanderesse a décrit une antenne de flancs composée de plusieurs panneaux rectangulaires épousant la forme convexe du flanc du sous-marin. En se reportant à la figure 2 a de ce brevet, les panneaux sont montés sur 2 rails 3,4 de manière à ce que les panneaux ne soient pas au contact de la coque, une lame d'eau séparant les panneaux de la coque. On limite ainsi la transmission des ondes de flexion de la coque vers le capteur.
Cependant les vibrations et résonances de la coque et des structures annexées du sous-marin (notamment celles provenant de la machinerie) continuent à passer par les rails.
De plus, comme la directivité des capteurs est, en eau libre, omnidirectionnelle (ils sont de dimensions faibles par rapport à la longueur d'onde centrale de la bande de fréquence d'écoute), la coque ne peut pas être revêtue d'un baffle à faible impédance acoustique qui améliorerait la discrétion acoustique du sous-marin, car la directivité serait alors variable et non maîtrisable.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose de combiner aux capteurs de pression des capteurs de vitesse particulaire de manière à ce que chaque panneau de réception soit directif.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose une antenne acoustique surfacique, du type comportant un ensemble de capteurs de pression plans en matériau piézoélectrique plastique fixés de manière planaire dans une structure de maintien, principalement caractérisée en ce que certains de ces capteurs sont remplacés par des capteurs de vitesse particulaire placés de telle manière que la combinaison du signal des capteurs de pression avec le signal des capteurs de vitesse permet d'obtenir une cardioïde présentant un zéro de réception normale à l'une des faces de l'antenne. Selon une autre caractéristique, les capteurs de vitesse particulaire sont formés de géophones encapsulés dans une masse de mousse syntactique dont la densité est la même que celle du matériau d'enrobage de l'ensemble des capteurs de l'antenne.
Selon une autre caractéristique, les capteurs de pression plans sont réunis par des ponts de connexion qui sont courbés en forme de V pour former des gouttières permettant de maintenir les fils de connexions des capteurs de vitesse particulaire pendant les opérations de moulage de l'ensemble de l'antenne.
Selon une autre caractéristique, la surface comportant l'ensemble des capteurs forme sensiblement un plan galbé à la surface de la coque d'un bâtiment porteur, et le zéro de la cardioïde est dirigé vers ladite coque.
Selon une autre caractéristique, le bâtiment porteur est un sous- marin.
Selon une autre caractéristique, l'antenne comporte au moins un panneau comportant 15 capteurs de pressions et 6 capteurs de vitesse régulièrement intercalés parmi ces capteurs de pression.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement avec la description qui suit, en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1 , une vue en coupe plane des panneaux d'une antenne selon l'art antérieur;
- la figure 2, une vue dans les mêmes conditions d'une antenne selon l'invention;
- La figure 3, une vue en perspective d'un géophone utilisé dans une antenne selon l'invention; et
- les figures 4 et 5, des vues en perspective d'un panneau selon l'invention avant et après moulage.
Selon l'invention, une antenne acoustique surfacique pour sous- marins telle que décrite dans le brevet français n° 2 691 596, est essentiellement caractérisée en ce que chaque panneau comporte des capteurs de vitesse particulaire dont l'axe de sensibilité est normal au plan du panneau et en ce que le centre de phase correspondant soit confondu avec le centre de phase des capteurs de pression, permettant ainsi d'obtenir une directivité en cardioïde. La figure 1 représente une vue des capteurs de pression situés à l'intérieur d'un panneau selon l'art antérieur et correspond à la figure 5 du brevet français N° 2 691 596. On rappelle que le capteur de pression présente une structure bimorphe c'est à dire qu'il est formé de deux couches de film piézoélectrique PVDF séparées par une électrode centrale formant le point chaud. Les deux couches sont recouvertes de 2 électrodes extérieures qui sont reliées électriquement pour former le point froid.
Ainsi, la vue présentée sur la figure 1 est une coupe transversale plane du panneau à hauteur des électrodes centrales ou extérieures. Chaque électrode est formée d'un ensemble de plaques 10 carrées reliées par d'étroits ponts 11. Les 2 connexions 12 du signal de sortie sont situées à une extrémité de l'ensemble.
La figure 2 représente une vue du panneau modifié selon l'invention, suivant la même coupe que la figure 1. Des capteurs de vitesse 20 sont mis en place à des emplacements choisis pour faire coïncider les 2 centres de phase correspondant aux 2 signaux mesurant la pression et la composante de vitesse normale au panneau. Ce résultat est obtenu géométriquement en utilisant la symétrie des endroits où s'effectuent les mesures.
Suivant l'exemple de réalisation représenté en figure 2, on ôte 6 capteurs de pression sur les 21 et on place au centre des espaces ainsi ménagés 6 capteurs de vitesse 20.
Suivant une réalisation préférée, représenté schématiquement en figure 3, les capteurs de vitesse sont des géophones 301 encapsulés dans une mousse syntactique 302 présentant la même densité que le polyuréthane d'enrobage dans lequel sont moulés les capteurs de pression, comme décrit dans le brevet français 2 691 596.
Le câblage en série des géophones est indiqué sur la figure 2 et ne présente pas de caractéristiques particulières, si ce n'est que les ponts 21 sont en forme V, de façon à former une gouttière permettant de réduire le déplacement des câbles lors du moulage, comme on le voit bien aussi sur la figure 4.
Au niveau du connecteur 12, il arrive 2 fils pour le signal de pression omnidirectionnel provenant des panneaux 10, et 2 fils pour le signal de vitesse provenant des capteurs 20. La directivité du signal des capteurs 20 est en cos thêta, où thêta est l'angle d'incidence de l'onde par rapport à l'axe de sensibilité du capteur. Comme largement connu, l'addition de ces 2 signaux fournit un signal dont la directivité est en forme de cardioïde, avec la direction du "zéro" normale au panneau et orientée vers l'arrière, donc vers la coque.
Ainsi on obtient une forte rejection des ondes venant de l'arrière et une sensibilité hydrophonique indépendante du support sur lequel l'antenne est fixée. Ce support peut donc être un baffle adapté. L'expérience a montré qu'on obtient un gain de l'ordre de 10 dB en terme de rejection du bruit propre d'origine mécanique.
La figure 4 représente, selon une vue en perspective, un panneau selon l'invention avant moulage, et la figure 5 un tel panneau après moulage par coulée d'un matériau polyuréthanne 50 adapté dont le niveau arrive à fleur de la partie supérieure des géophones. Pour terminer le panneau, on coule par-dessus une couche de néoprene de composition identique à celle de l'enveloppe 40.
Le panneau ainsi obtenu peut être installé directement sur la coque du sous-marin, ou bien sur un matériau à faible impédance acoustique déposé sur la coque, ce qui améliore ainsi la discrétion acoustique du sous- marin.
Sans sortir du cadre de l'invention, les géophones peuvent être remplacées par des accéléromètres ou tout autre capteur directif.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Antenne acoustique surfacique, du type comportant un ensemble de capteurs de pression plans (10) en matériau piézoélectrique plastique fixés de manière planaire dans une structure de maintien (40), caractérisée en ce que certains de ces capteurs sont remplacés par des capteurs de vitesse particulaire (20) placés de telle manière que la combinaison du signal des capteurs de pression avec le signal des capteurs de vitesse permet d'obtenir une cardioïde présentant un zéro de réception normale à l'une des faces de l'antenne.
2 - Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les capteurs de vitesse particulaire (20) sont formés de géophones (301) encapsulés dans une masse de mousse syntactique (302) dont la densité est la même que celle du matériau d'enrobage (50) de l'ensemble des capteurs de l'antenne.
3 - Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les capteurs de pression plans (10) sont réunis par des ponts de connexion qui sont courbés en forme de V pour former des gouttières permettant de maintenir les fils de connexions des capteurs de vitesse particulaire (20) pendant les opérations de moulage de l'ensemble de l'antenne.
4 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface comportant l'ensemble des capteurs forme sensiblement un plan galbé à la surface de la coque d'un bâtiment porteur, et que le zéro de la cardioïde est dirigé vers ladite coque.
5 - Antenne selon revendication 4, caractérisée en ce que le bâtiment porteur est un sous-marin.
6 - Antenne selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un panneau comportant 15 capteurs de pressions (10) et 6 capteurs de vitesse (20) régulièrement intercalés parmi ces capteurs de pression.
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