FR2492142A1 - ACOUSTIC ANTENNA WITH GEODESIC LENS - Google Patents
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Abstract
ANTENNE ACOUSTIQUE COMPORTANT UNE LENTILLE GEODESIQUE COMME DISPOSITIF DE FOCALISATION POUR UN SONAR, EMETTANT ET RECEVANT AVEC DES DIAGRAMMES DE FAIBLES LARGEURS ANGULAIRES EN SITE DANS UN CHAMP ANGULAIRE POUVANT ATTEINDRE 360. DES TRANSDUCTEURS ELECTRO-ACOUSTIQUES T PLACES SUR UN CERCLE C SONT COUPLES A LA LENTILLE GEODESIQUE FORMES PAR DEUX PAROIS 14 ET 16 SEPARES PAR DES ENTRETOISES 20. A LA SORTIE DE LA LENTILLE, LES RAYONS R SORTENT PAR DES LEVRES TORIQUES H. IL EXISTE DIFFERENTES FORMES DE SURFACES POUR DES LENTILLES STIGMATIQUES. DES SURFACES TRONCONIQUES OU DISQUES SONT EGALEMENT UTILISES. LES ONDES ACOUSTIQUES PROPAGEES SONT DU TYPE STONELEY. APPLICATION AUX SONARS DE SURVEILLANCE SOUS-MARINE.ACOUSTIC ANTENNA CONTAINING A GEODESIC LENS AS A FOCUSING DEVICE FOR A SONAR, EMITTING AND RECEIVING WITH LOW ANGULAR WIDTH DIAGRAMS ON SITE IN AN ANGULAR FIELD CAPABLE OF REACHING 360. GEODESIC FORMED BY TWO WALLS 14 AND 16 SEPARATED BY SPACERS 20. ON EXIT OF THE LENS, THE R-RAYS EXIT THROUGH TORIC LIPS H. THERE ARE DIFFERENT SHAPES OF SURFACES FOR STIGMATIC LENSES. TRUNCONIC OR DISC SURFACES ARE ALSO USED. THE PROPAGATED ACOUSTIC WAVES ARE OF THE STONELEY TYPE. APPLICATION TO UNDERWATER SURVEILLANCE SONARS.
Description
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L'invention a pour objet des dispositifs d'antennes acous- The invention relates to acoustic antenna devices
tiques pour sonar, immergés dans l'eau, étant susceptibles d'émettre et/ou de recevoir avec des diagrammes de directivité de faible largei angulaire en gisement dans un champ angulaire pouvant atteindre 360? Les dispositifs comportent, suivant l'invention, des len- tilles acoustiques appelées lentilles géodésiques qui produisent une focalisation par propagation des ondes acoustiques sur une sonar ticks, immersed in water, being capable of emitting and / or receiving with angular low angular range directivity diagrams in an angular field of up to 360? The devices comprise, according to the invention, acoustic lenses called geodesic lenses which produce a focussing by propagation of the acoustic waves on a surface.
surface gauche.left surface.
Il est connu dans la technique d'acoustique sous-marine de surveiller un secteur angulaire pouvant atteindre 3600, par une antenne de forme cylindrique comportant des colonnes de transducteurs. Les signaux émis et reçus par les transducteurs sont déphasés ou retardés et ensuite ajoutés pour former des It is known in the underwater acoustics technique to monitor an angular sector of up to 3600 by a cylindrical antenna having columns of transducers. The signals emitted and received by the transducers are out of phase or delayed and then added to form
voies dans des directions de secteurs,du secteur angulaire surveillé. lanes in sector directions, from the guarded angular sector.
A chaque voie correspond un déphasage ou retard particulier pour les transducteurs concernés et il en résulte l'inconvénient d'un grand volume de circuits électroniques, si le secteur angulaire Each channel corresponds to a particular phase shift or delay for the transducers concerned and this results in the disadvantage of a large volume of electronic circuits, if the angular sector
est grand.is tall.
Il est connu également de former des voies grâce à des lentilles acoustiques, les transducteurs se trouvant dans le plan focal de ces lentilles. On utilise généralement des cylindres It is also known to form channels through acoustic lenses, the transducers being in the focal plane of these lenses. Cylinders are generally used
remplis d'un liquide dont l'indice acoustique de réfraction par rap- filled with a liquid whose acoustic index of refraction with respect to
port à l'eau doit être supérieur à 2. Les lentilles appelées lentille port to water must be greater than 2. The lenses called lens
"boules"ont l'inconvénient de nécessiter une régulation ther- "balls" have the disadvantage of requiring a heat regulation
mique du liquide et ne permettent que des résolutions angulaires liquid and only allow angular
de l'ordre de 10 dans un secteur angulaire de 600. of the order of 10 in an angular sector of 600.
Il est connu par ailleurs d'utiliser des lentilles dites It is also known to use so-called lenses
minces" analogues à celles de l'optique. Ces lentilles en maté- thin lenses similar to those of optics, these lenses
riau solide d'indice inférieur à 1 ont l'inconvénient, compte tenu des aberrations géométriques, de n'avoir qu'un secteur solid matter of index less than 1 have the disadvantage, given the geometric aberrations, of having only one sector
angulaire utile de l'ordre de 100.useful angle of the order of 100.
Pour remédier à ces inconvénients de l'art antérieur, le dispositif suivant l'invention utilise pour la focalisation des faisceaux de l'antenne une lentille géodésique. Ce type de To overcome these disadvantages of the prior art, the device according to the invention uses a geodesic lens for focusing the beams of the antenna. This kind of
lentille est connu dans la technique radar. lens is known in the radar technique.
Brièvement, suivant la caractéristique principale, c'est Briefly, according to the main characteristic, it is
un dispositif d'antenne acoustique immergé dans l'eau, carac- an acoustic antenna device immersed in water, which is
térisé par le fait qu'il comporte: characterized by the fact that it includes:
un dispositif de focalisation des ondes acoustiques qui se pro- a device for focusing acoustic waves that is
pagent le long d'une surface de révolution, appelé lentille géodésique, des transducteurs électromagnétiwues pour exciter et détecter ces. ondes acoustiques ainsi que des moyens de couplage des ondes de surface à des ondes de volume se propageant dans l'eau. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la Paged along a surface of revolution, called geodesic lens, electromagnetic transducers to excite and detect these. acoustic waves as well as means for coupling surface waves to volume waves propagating in the water. Other benefits and features will emerge from the
description donnée à titre d'exemple et illustrée par les fi- description given by way of example and illustrated by the
gures qui représentent;gures that represent;
- la figure 1, le schéma de principe d'une lentille stigma- FIG. 1, the schematic diagram of a stigma lens
tique type Luneberg,tick Luneberg type,
- la figure 2, le schéma de principe d'une lentille stig- FIG. 2, the schematic diagram of a stigmatic lens
matique géodésique du type "Rinehart", - la figure 3, le profil de la méridienne d'une lentille stigmatique géodésique du type "casque" (Tin Hat), - la figure 4, le schéma de principe d'un guide d'ondes geodesic datum of the "Rinehart" type, - figure 3, the profile of the meridian of a geodesic stigmatic lens of the "helmet" type (Tin Hat), - figure 4, the schematic diagram of a waveguide
du type "Stoneley" à une paroi.of the type "Stoneley" to a wall.
- la figure 5, la courbe donnant la vitesse de propaga- FIG. 5, the curve giving the speed of propagation
tion d'une onde de Stoneley en fonction du produit épaisseur- of a Stoneley wave depending on the product thickness-
fréqueiice, - la figure 6, le schéma de principe d'un guide d'onde à deux parois, FIG. 6, the block diagram of a double-wall waveguide,
- la figure 7, le schéma de principe d'une lentille géo- - Figure 7, the schematic diagram of a geo-
désique du type "casque" à guide d'onde à deux parois, - la figure 8, le schéma de principe de l'augmentation de l'angle de rayonnement en site d'une lentille type casque, - les figures 9 et 10, les schémas de principe des lentilles 2-wall waveguide type "helmet"; FIG. 8, the schematic diagram of the elevation of the radiation angle in elevation of a helmet-type lens, FIGS. 9 and 10, the schematic diagrams of the lenses
tronconiques et disques.frustoconical and discs.
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2492 1 422492 1 42
- la figure 11, le schéma de principe d'une lentille cylin- FIG. 11, the schematic diagram of a cylindrical lens
drique avec coupleurs,drique with couplers,
- la figure 12, lesdhéma de principe d'une lentille géo- - Figure 12, the principle dems of a geo-
désique à plusieurs surfaces, appelée lentille à conflexion. multi-surface desiccated, called conflexion lens.
Les lentilles acoustiques sont connues et utilisent les Acoustic lenses are known and use the
mêmes principes que les lentilles optiques ou électromagnétiques. same principles as optical or electromagnetic lenses.
Une antenne comportant une lentille acoustique présente l'avan- An antenna with an acoustic lens has the advantage
tage de former une voie avec un seul transducteur placé au point de focalisation ou source des rayons sonores. Pour obtenir une grande résolution et un grand champ angulaire la lentille doit être proche des caractéristiques d'une lentille parfaite, to form a channel with a single transducer placed at the focal point or source of the sound rays. To obtain a high resolution and a large angular field the lens must be close to the characteristics of a perfect lens,
c'est-à-dire stigmatique, pour deux sphères. that is, stigmatic, for two spheres.
Une lentille est parfaitement stigmatique pour deux sphères, une appelée "sphère objet" et l'autre "sphère image", si PO étant un point de la sphère objet et P le point conjugué de la sphère image, le temps mis pour' aller de Po à Pi est le même A lens is perfectly stigmatic for two spheres, one called "object sphere" and the other "image sphere", if PO is a point of the object sphere and P the conjugate point of the image sphere, the time taken to go from Po to Pi is the same
pour tous les rayons.for all the departments.
Un exemple connu o la sphère objet est le plan de l'infini A known example where the object sphere is the plane of infinity
est la lentille de Luneberg, montrée par la figure 1. is the Luneberg lens, shown in Figure 1.
Cette lentille a un indice de réfraction à symétrie sphé- This lens has a refractive index with spherical symmetry
rique n(r) tel que: 2 n (r) = 2 - -2 (1) R2 o R est le rayon de la sphère extérieure S et r le rayon d'une sphère s,avec ri R. Soit alors un rayon incident Do passant n (r) such that: 2 n (r) = 2 - -2 (1) R2 where R is the radius of the outer sphere S and r is the radius of a sphere s, with ri R. Then a radius Do incident
par le centre 0 de la sphère S. Tous les rayons tels que Di. by the center 0 of the sphere S. All the rays such as Di.
D2 et D3 parallèles à Do se focalisent en un même point. D2 and D3 parallel to C focus in one point.
C'est en ce point que l'on place le transducteur T qui corres- It is at this point that we place the transducer T which corresponds to
pond à la direction des rayons Do, D1i D2 et D3. in the direction of the spokes Do, D1i D2 and D3.
Cette loi d'indice,donnée par la relation (l),ne peut être reproduite que par une série de couches à indice constantce qui introduit des défauts. De plus, en acoustique, la réalisation d'une série de couches d'indice supérieur à 1 ne peut être pratiquement mise en oeuvre que par l'utilisation d'élastomères - 4 - de type caoutchoutique qui permettent d'obtenir des vitesses faibles mais qui sont des matériaux très absorbants, au. delà de quelques kHz. Il n'existe donc pas de lentilles dites parfaites This law of index, given by the relation (l), can be reproduced only by a series of layers with constant index which introduces defects. In addition, in acoustics, the production of a series of layers with index greater than 1 can be practically implemented only by the use of rubber-like elastomers which make it possible to obtain low speeds but which are very absorbent materials, at. beyond a few kHz. So there are no so-called perfect lenses
reproduisant cette loi d'indice.reproducing this law of index.
Les deux grandes catégories de lentilles suivant l'art The two main categories of lenses according to art
antérieur sont les lentilles "boules" et les lentilles "minces". prior art are "ball" lenses and "thin" lenses.
Elles ne permettent pas d'obtenir à la fois une bonne résolu- They do not allow to obtain at the same time a good resolution
tion et un grand champ angulaire.and a large angular field.
Les lentilles"boules" sont des sphères ou des cylindres ho- "Ball" lenses are spheres or cylinders
mogènes et elles sont isotropes, c'est-à-dire qu'elles ont les mêmes propriétés pour toutes les directions pour-la sphère et pour toutes les directions perpendiculaires à l'axe de symétrie, dans le cas du cylindre: elles permettent donc un grand champ angulaire. Dans ces lentilles les rayons marginaux ne focalisent pas au même foyer que les rayons situés près de l'axe et pour diminuer ces aberrations l'indice doit être élevé, supérieur _ à 2. Ces indices ne peuvent être obtenus qu'avec des liquides de la famille des fluorocarbones qui sont très sensibles aux and they are isotropic, that is to say that they have the same properties for all directions for the sphere and for all directions perpendicular to the axis of symmetry, in the case of the cylinder: they therefore allow a large angular field. In these lenses the marginal rays do not focus at the same focus as the rays located near the axis and to reduce these aberrations the index must be high, greater than 2. These indices can be obtained only with liquids. the family of fluorocarbons that are very sensitive to
variations de température entraînant des aberrations de foca- variations in temperature leading to focal aberrations
lisation si l'on ne prend pas soin de stabiliser la température. if one does not take care to stabilize the temperature.
En conséquencede telles lentilles ne permettent pas d'obtenir un rapport diamètre/longueur d'onde supérieur à 100 As a result, such lenses do not make it possible to obtain a diameter / wavelength ratio greater than 100
limitant ainsi la résolution, à un angle de l'ordre du degré. thus limiting the resolution, at an angle of the order of the degree.
Les lentilles "minces" sont analogues à celles utilisées en optique géométrique et elles peuvent être réalisées en "Thin" lenses are similar to those used in geometrical optics and can be made in
matière solide.solid material.
Une lentille acoustique convergente est bi-concave. Ces lentilles permettent d'atteindre de très bonnes performances en résolution mais n'étant pas isotropes le champ angulaire A convergent acoustic lens is bi-concave. These lenses make it possible to achieve very good performances in resolution but not being isotropic the angular field
reste limité à environ + 10 degrés car il se produit des aber- remains limited to about + 10 degrees because aberrations occur
rations identiques à celles des lentilles optiques; astigmatis- rations identical to those of optical lenses; astigmatis-
me, coma, etc.me, coma, etc.
Suivant l'invention, l'antenne comporte une lentille géo- According to the invention, the antenna comprises a geometrical lens
désique. - 5 - La figure 2 montre une telle lentille équivalent à celle de Luneberg, qui a été proposée en hyperfréquences dans un article de R.F. Rinehart dans "Journal for Applied Physics", désique. FIG. 2 shows such a lens equivalent to that of Luneberg, which has been proposed in microwaves in an article by R. F. Rinehart in "Journal for Applied Physics",
vol. 19, page 860, Septembre 1948.flight. 19, page 860, September 1948.
Cette lentille se compose d'une surface de révolution (, This lens consists of a surface of revolution (,
autour d'un axe Oz ayant pour méridienne la courbe (M). around an axis Oz having meridian curve (M).
Des ondes se propageant le long de la surface(s) et issues d'un point P sur cette surface dans le plan Oxy, suivent les Waves propagating along the surface (s) and issuing from a point P on this surface in the plane Oxy, follow the
lignes géodésiques de (<). La lentille dite "lentille de Rine- Geodetic lines of (<). The lens called "Rine lens-
hart" a une méridienne (M), telle que les phases des ondes issues de P arrivant sur le cercle (C) dans le plan Oxy sont les mêmes, que sur le cercle (S) de la figure 1. Tous les rayons arrivant hart "has a meridian (M), such that the phases of the waves coming from P arriving on the circle (C) in the plane Oxy are the same, as on the circle (S) of FIG. 1. All the rays arriving
sur le cercle (C) parallèlement à Oz, il faut pour que la len- on the circle (C) parallel to Oz, it is necessary for the len
tille de Rinehart soit équivalente à la lentille de Luneberg que ces rayons soient tournés à la sortie de (C) d'un angle de Rinehart is equivalent to the Luneberg lens that these rays are rotated at the exit of (C) from an angle of
autour de l'axe Ox. around the Ox axis.
L'équation de la méridienne (M) de la lentille de Rine- The equation of the meridian (M) of the Rine-
hart est donnée par: 2 r + arc sin(L (2) o R est le rayon du cercle (C), e la longueur PQ sur cette méridienne pour le point courant Q et r la distance du point Q à l'axe Oz. Les ondes issues du point P et qui se propagent à la surface () aboutissent au cercle (C) et sortent après rotation suivant les rayons parallèles tels que D10, Dll, D12 hart is given by: 2 r + arc sin (L (2) where R is the radius of the circle (C), e the length PQ on this meridian for the current point Q and r the distance from the point Q to the axis Oz The waves coming from the point P and which propagate on the surface () end up at the circle (C) and leave after rotation according to the parallel rays such as D10, D11, D12
et D13.and D13.
Suivant une version préférée de l'invention, on utilise des lentilles géodésiques ayant une surface en forme de "casque" ("Tin Hat" dans la littérature anglo-américaine).dont l'avantage According to a preferred version of the invention, geodesic lenses having a surface in the form of a "helmet" ("Tin Hat" in the Anglo-American literature) are used.
sera montré plus loin. La théorie de ces lenctilles pour des appli- will be shown later. The theory of these bins for applications
cations dans la technique du radar a été faite dans le rapport de R.G.F. Warren et S.F.A. Pinnel intitulé "The 1Iathematics of the Tin Hat scanning antenna" RCA Victor Co, Ltd (Montréal, Canada) cations in the radar technique was made in R.G.F. Warren and S.F.A. Pinnel entitled "The 1Iathematics of the Tin Hat Scanning Antenna" RCA Victor Co, Ltd (Montreal, Canada)
Technical Report 7, 1951, Contract DRBS - 2 - 1 - 44 - 4 - 3. Technical Report 7, 1951, Contract DRBS - 2 - 1 - 44 - 4 - 3.
26- 249214226- 2492142
Il est également possible de réaliser des lentilles géo- It is also possible to make geo-
désiques ayant des formes plus simples, comme des troncs de cône, des cylindres ou dés disques. Mais pour ces formes, il desicned with simpler forms, like truncated cones, cylinders or disks. But for these forms, he
n'y a plus stigmatisme rigoureux et il existe des aberrations. There is no more rigorous stigmatism and there are aberrations.
Suivant l'invention, on peut utiliser également des lentilles formées par deux cônes ayant le même axe, qui se coupent suivant un cercle. Les lentilles sont décrites dans l'article de Toraldo di Francia publié dans "Journal of Optical Society of Americavol. 45, NO8 page 621. Le passage d'un cône a un autre produit une déviation d'un rayon analogue a une réfraction par un dioptre en optique, que l'on appelle "conflexion". En associant plusieurs conflexions, on peut obtenir une lentille géodésique de faible aberration appelée multiplet According to the invention, it is also possible to use lenses formed by two cones having the same axis, which intersect in a circle. The lenses are described in the article by Toraldo di Francia published in "Journal of Optical Society of Americavol 45, NO8 page 621. The passage from one cone to another produces a deviation of a radius similar to a refraction by a diopter in optics, which we call "conflexion" By associating several conflexions, we can obtain a geodesic lens of low aberration called multiplet
de conflexion.of confession.
Suivant l'invention, la propagation d'ondes acoustiques guidées suivant une surface, est obtenue -par un guide d'onde According to the invention, the propagation of acoustic waves guided along a surface is obtained by a waveguide
acoustique, composé d'une ou de-deux parois. acoustic, consisting of one or two walls.
La figure 4 montre le principe d'un guide d'onde à une paroi solide 2 d'épaisseur e. L'onde interfaciale qui se propage dans la paroi et le milieu ambiant qui est généralement de l'eau est appelée "Onde de Stoneley'. Ces ondes sont décrites dans l'article de Stoneley dans "Proceedings of the Royal FIG. 4 shows the principle of a waveguide with a solid wall 2 of thickness e. The interfacial wave that propagates in the wall and the surrounding environment, which is usually water, is called the "Stoneley Wave." These waves are described in Stoneley's article in "Proceedings of the Royal".
Society", vol. 106, page 416 (1924). Society, 106, page 416 (1924).
Tandis qu'un seul mode de propagation s'établit dans le li- While only one mode of propagation is established in the
quide, deux modes de propagation s'établissent dans le solide. two modes of propagation are established in the solid.
L'amplitude de l'onde dans le solide et dans le liquide a pour expression respectivement exp + sy et exp - dLy, o Oy est un axe perpendiculaire a la paroi 2 dans la direction du liquide, cds etcoL sont les coefficients d'affaiblissement dans les deux milieux. Pour simplifier on ne prend qu'une valeuros( pour les The amplitude of the wave in the solid and in the liquid is respectively exp + sy and exp - dLy, where Oy is an axis perpendicular to the wall 2 in the direction of the liquid, cds etcoL are the coefficients of weakening in both environments. To simplify, we only take one value (for
deux modes dans le solide.two modes in the solid.
Les profondeurs de pénétration PL et Ps dans les deux milieux sont données par: - 6 - -7- PL = l,2/a L et P = 1,2/ds L s L'onde de Stoneley est produite par un transducteur T qui peut être placé à l'extrémité de la paroi 2. Les signaux électriques The penetration depths PL and Ps in the two media are given by: PL = 1, 2 / a L and P = 1.2 / ds L s The Stoneley wave is produced by a transducer T which can be placed at the end of the wall 2. The electrical signals
appliqués au transducteur T sont fournis par le générateur 1. applied to the transducer T are provided by the generator 1.
Le transducteur T est positionné'de manière à ce que sa face rayon- nante soit perpendiculaire à l'axe Ox de la paroi 2 du guide. La The transducer T is positioned so that its radiating face is perpendicular to the Ox axis of the wall 2 of the guide. The
hauteur de cette face étant Hp le transducteur est placé à une dis- height of this face being Hp the transducer is placed at a dis-
tance Dp de la paroi, avec Dp < H2pt o qui est la distance de FRESNEL Dp rate of the wall, with Dp <H2pt o which is the distance of FRESNEL
o to est la longueur d'onde dans le liquide. De plus, le transduc- o to is the wavelength in the liquid. Moreover, the transduc-
teur T est excité par le générateur 1 de manière que sa face rayon- tor T is excited by the generator 1 so that its beam face
nante vibre en compression, tous les points de cette face étant en nante vibrates in compression, all the points of this face being in
phase. On obtient ainsi des ondes planes équiphases capables de pro- phase. This results in equiphase plane waves capable of
duire une onde guidée par la paroi, qui est du type Stoneley. a wave guided by the wall, which is of the Stoneley type.
La vitesse V de l'onde de Stoneley en fonction du produit e.f est donnée par la figure 5, f étant la fréquence. Cette vitesse V pour les grandes valeurs de e.f tend vers une valeur asymptotique The velocity V of the Stoneley wave as a function of the product e.f is given in FIG. 5, f being the frequency. This velocity V for large values of e.f tends to an asymptotic value
Vs. Il est connu que si l'on prend une épaisseur e égale à une va- Vs. It is known that if we take a thickness e equal to a value of
leur e,égale à la profondeur de pénétration PC = 1,2/.C 6 c est le coefficient d'affaiblissement pour le mode de cisaillement, ec peut être calculé en prenant V = Vs par la relation: e = 0-2 o0 = c /c0 (3) ccj YO et Co sont la longueur d'onde et la vitesse dans le o liquide et Av = co Vs, cs et c sont les vitesses d'ondes s p de cisaillement et de compression dans le solide, silt= cs/cp et sip et o sont les densités du solide et de l'eau, le rapport Av/cO est égal à: = 2 o Lt(éo 2 _ l0 (4) go P 2(y)_(o O avec F(o0) = (l -2W2)2- 4 y2 (W6 _ 1)k (nô2 2 - 8- Pour l'interface acier-eau o = 2,153,'d= 0,552 et 0' O,128 et la valeur de 4v/c est voisine de 2,5 1073 their e, equal to the penetration depth PC = 1.2 / .C 6 c is the attenuation coefficient for the shear mode, ec can be calculated by taking V = Vs by the relation: e = 0-2 o0 = c / c0 (3) ccj YO and Co are the wavelength and the velocity in the liquid o and Av = co Vs, cs and c are the sp speed waves of shear and compression in the solid, silt = cs / cp and sip where o are the densities of the solid and water, the ratio Av / cO is equal to: = 2 o Lt (eo 2 _ l0 (4) go P 2 (y) _ (o O with F (o0) = (1 -2W2) 2-4 y2 (W6 _ 1) k (n2 2 - 8- For the steel-water interface o = 2.153, d = 0.552 and 0'0, 128 and the value of 4v / c is close to 2.5 1073
d'après (4). L'épaisseur e est alors égale a 0,22.O d'après (3). according to (4). The thickness e is then equal to 0.22.O according to (3).
c o Selon l'invention, l'épaisseur de la paroi solide est choisie au moins égale à e c'est-à-dire à la profondeur de c pénétration Pc; par exemple pour une fréquence égale à 750 kHz According to the invention, the thickness of the solid wall is chosen at least equal to e, that is to say to the depth of penetration Pc; for example for a frequency equal to 750 kHz
avec co = 1500 m/s elle est choisie supérieure à 0,5 mm. with co = 1500 m / s it is chosen greater than 0.5 mm.
Les vitesses c et c étant indépendantes de la fréquence s o f, la vitesse de Stoneley est indépendante de la fréquence Since the speeds c and c are independent of the frequency s o f, the speed of Stoneley is independent of the frequency
d'après l'expression (4), pour e> ec. according to the expression (4), for e> ec.
La variation de cette vitesse en fonction de la température de l'eau est faible, le gradient pour le rapport Av/c en fonction de la température étant de l'ordre de 8 x 10-6 par C Si la lentille géodésique présente de fortes variations de pente, on utilise préférentiellement des guides à deux parois, montrés par la figure 6. Les deux parois solides 10 et 11 sont séparées par une distance h, l'espace 12 entre les deux parois 10 et 11 est généralement rempli de liquide. Si des ondes planes sont générées perpendiculairement aux interfaces des parois liquide-solide, il s'établit des ondes interfaciales The variation of this speed as a function of the temperature of the water is small, the gradient for the ratio Av / c as a function of the temperature being of the order of 8 x 10-6 per C If the geodesic lens has strong slope variations, use is preferably made of two-walled guides, shown in Figure 6. The two solid walls 10 and 11 are separated by a distance h, the space 12 between the two walls 10 and 11 is generally filled with liquid. If plane waves are generated perpendicular to the interfaces of the liquid-solid walls, interfacial waves are established
du type Stoneley. Comme pour le guide à une paroi, les épais- of the Stoneley type. As for the single-wall guide, the thick-
seurs des deux parois doivent être choisies supérieures A l'épaisseur critique ec de l'onde de Stoneley dans la paroi solide. En outre, la distance h entre les deux parois doit être choisie pour une fréquence déterminée de manière A propager une onde qui combine les énergies véhiculées par les deux ondes interfaciales. Le mode de propagation qui est excité dans un tel guide est non dispersif et sa vitesse, qui est celle de Stoneley, ne dépend pas de la distance h. Poulr l'interface acier-eau à la fréquence de 750 kHz par exemple,les deux parois ont au moins 0,5 mm d'épaisseurt Both sides of the walls must be chosen larger than the critical thickness ec of the Stoneley wave in the solid wall. In addition, the distance h between the two walls must be chosen for a frequency determined so as to propagate a wave that combines the energies conveyed by the two interfacial waves. The propagation mode that is excited in such a guide is nondispersive and its velocity, which is that of Stoneley, does not depend on the distance h. Poulr steel-water interface at the frequency of 750 kHz for example, the two walls are at least 0.5 mm thick
tandis que la distance h peut varier entre 2 et 8 mm environ. while the distance h can vary between 2 and 8 mm approximately.
Le mode de propagation est convenablement excité à partir - 9 - d'un transducteur T, placé de manière identique que pour le guide à une paroi. Le transducteur est placé à l'extrémité du guide, sa face rayonnante étant perpendiculaire à l'axe Ox et elle est The propagation mode is suitably excited from a transducer T, placed identically as for the one-wall guide. The transducer is placed at the end of the guide, its radiating face being perpendicular to the axis Ox and it is
positionnée symétriquement par rapport aux deux parois. positioned symmetrically with respect to the two walls.
Avantageusement pour augmenter l'énergie émise les extrè- mités des parois sont biseautées 13 de manière à utiliser un Advantageously, to increase the energy emitted, the ends of the walls are beveled 13 so as to use a
transducteur comportant une surface d'émission plus importante. transducer having a larger transmitting surface.
Le transducteur doit être positionné perpendiculairement à l'axe du guide pour éviter d'exciter des modes de propagation parasites, et sa face de rayonnement a une hauteur Hp égale sensiblement à The transducer must be positioned perpendicular to the axis of the guide to avoid exciting parasitic propagation modes, and its radiation face has a height Hp substantially equal to
la distance entre les extrémités des parois biseautées. the distance between the ends of the bevelled walls.
La figure 7 montre une lentille géodésique suivant l'in- Figure 7 shows a geodesic lens according to the
vention qui comporte deux surfaces métalliques 14 et 16 ayant which has two metal surfaces 14 and 16 having
des parois d'épaisseur supérieure a l'épaisseur critique e. walls thicker than the critical thickness e.
La distance entre les surfaces 14 et 16 est maintenue cons- The distance between surfaces 14 and 16 is maintained
tante par des entretoises 20 de dimensions faibles par rapport à la longueur d'onde acoustique. Le volume entre les deux surfaces aunt by spacers 20 of small dimensions relative to the acoustic wavelength. The volume between the two surfaces
14 et 16 est généralement rempli d'eau. 14 and 16 is usually filled with water.
La forme des surfaces peut être celle de la lentille The shape of the surfaces can be that of the lens
de Rinehart montrée par la figure 2. Dans une version préfé- from Rinehart shown in Figure 2. In a preferred version
- rentielle de l'invention, on prend une lentille type "casque" (Tin Hat) montrée par la figure 7. Les portions du guide 15 prés In the context of the invention, a "helmet" type lens (Tin Hat) shown in FIG.
du cercle (C) sont réalisées de façon à ce que les rayons de sor- circle (C) are made in such a way that the spokes of
tie (ô) soient parallèles à l'axe oy ou légèrement inclinés par rapport au plan Oxy, en dessous de ce plan. La figure 3 montre la méridienne d'une lentille casque raccordée en cercle (C) par un quart de cercle 35. Dans ce cas le rayon (R E) est parallèle à tie (ô) are parallel to the axis oy or slightly inclined relative to the plane Oxy, below this plane. FIG. 3 shows the meridian of a helmet lens connected in a circle (C) by a quarter circle 35. In this case the radius (R E) is parallel to
l'axe OY.the axis OY.
L'avantage de cette lentille par rapport à celle de Rine- The advantage of this lens compared to that of Rine-
hart est dû au fait que la direction du rayonnement de cette lentille coïncide avec la direction propre de la fente de sortie hart is due to the fact that the direction of radiation of this lens coincides with the proper direction of the exit slot
du guide.of the guide.
Sur ce même cercle (C) se trouvent les transducteurs tels que Tplacé en face des lèvres et qui envoie l'énergie acoustique On this same circle (C) are the transducers, such as the opposite of the lips, which sends the acoustic energy
dans le guide formé des deux surfaces 14 et 16. in the guide formed by the two surfaces 14 and 16.
- 10 -- 10 -
Dans ce cas, le cercle (C) de sortie appelé "cercle de pupille" est en même temps le cercle d'entrée ou "cercle source L'ouverture angulaire en gisement (dans le plan Oxy) du diagramme à 3 dB d'atténuation exprimé en radians, de la lentille géodésique-à la sortie du cercle <C) est de l'ordre de XO/D o D In this case, the output circle (C) called "pupil circle" is at the same time the input circle or "source circle The angular aperture in the bearing (in the Oxy plane) of the 3 dB attenuation diagram expressed in radians, of the geodesic lens-at the exit of the circle <C) is of the order of XO / D o D
est le diamètre du cercle (C.is the diameter of the circle (C.
L'ouverture angulaire en site (dans le plan perpen- The angular aperture in site (in the plane perpendicular to
diculaire au plan Oxy) est d'environ V-8>,-7D. On peut augmenter dicular to the Oxy plane) is about V-8>, - 7D. We can increase
l'ouverture en site en prolongeant le guide d'onde suivant la sur- the opening in site by extending the waveguide following the sur-
face c'nique ou plane 26 montrée par la figure 8. La sortie du guide se fait alors par un cercle (C'). L et L2 étant des tangentes au cercle (C) parallèlesà l'axe Oy. Les droites Ll et L2 coupent le cercle (C') en E et E IH est la flèche de l'arc E E2. L'ouverture du gisement de la lentille étant face c'nique or plane 26 shown in Figure 8. The output of the guide is then by a circle (C '). L and L2 being tangents to the circle (C) parallel to the axis Oy. The lines L1 and L2 intersect the circle (C ') at E and E IH is the arrow of the arc E E2. The opening of the deposit of the lens being
alors égale à 2 VKX /1H est augmentée. then equal to 2 VKX / 1H is increased.
Les lentilles pour lequelles le cercle pupille (C) et le cercle source (S) coincident, comme le montre la figure 7, ont un champ limité au plus à 90 environ à cause du masquage par les The lenses for which the pupil circle (C) and the source circle (S) coincide, as shown in Figure 7, have a field limited to at most about 90 because of the masking by the
transducteurs.transducers.
La réalisation des lentilles de ce type est par exemple mise en oeuvre par formage de deux plaques métalliques, en acier par exemple, dans un moule dont le profil de la méridienne est usiné suivant une loi telle que celle représentée par exemple figure 3; les deux plaques sont ensuite maintenues à la distance voulue par des entretoises 20 de dimensions petites devant XO pour éviter The production of lenses of this type is, for example, carried out by forming two metal plates, made of steel, for example, in a mold whose profile of the meridian is machined according to a law such as that represented for example in FIG. 3; the two plates are then held at the desired distance by spacers 20 of small dimensions in front of XO to avoid
la diffraction.diffraction.
Les lentilles tronconiques et cylindriques ont l'avantage d'avoir un champ angulaire dans le plan Oxy de 3600 En effet, dans The frustoconical and cylindrical lenses have the advantage of having an angular field in the Oxy plane of 3600. Indeed, in
ce cas, les rayons émis ou reçus par le cercle source (S) ne tra- In this case, the rays emitted or received by the source circle (S) do not
versent pas ce cercle.do not pay this circle.
La figure 9 représente une vue en coupe de la lentille de ce type selon l'invention. Le guide d'onde formé par une paroi est de forme tronconique. La circonférence de la base supérieure forme Figure 9 shows a sectional view of the lens of this type according to the invention. The waveguide formed by a wall is of frustoconical shape. The circumference of the upper base forms
- il -- he -
le cercle source (S) de rayon(R1) tandis que la circonférence de the source circle (S) of radius (R1) while the circumference of
la base inférieure forme le cercle pupille (C) du rayon(R2. the lower base forms the pupil circle (C) of the radius (R2.
La propagation guidée sur cette surface à partir d'un point du cercle source permet d'obtenir une focalisation dans une direction (R) dont l'angle d'inclinaison o< par rapport au plan Oxy est donné par la relation; i = arc cos ( (4) Z étant la hauteur du tronc de cône. La lentille ainsi obtenue est, de manière évidente, plus facilement réalisable que la lentille de type "Tin-Hat", en revanche elle ne permet pas d'obtenir des performances équivalentes à une lentille parfaite, The propagation guided on this surface from a point of the source circle makes it possible to obtain a focus in a direction (R) whose angle of inclination θ <with respect to the plane Oxy is given by the relation; i = arc cos ((4) Z being the height of the truncated cone, the lens thus obtained is obviously more easily achievable than the "Tin-Hat" type of lens, but it does not make it possible to obtain performance equivalent to a perfect lens,
en particulier elle présente des aberrations de sphéricité. in particular, it has spherical aberrations.
La base du cône qui s'appuie sur le cercle pupille (C) est rac- The base of the cone resting on the pupil circle (C) is connected to
cordée à une partie recourbée 22, qui oriente l'axe du guide corded to a curved portion 22, which directs the axis of the guide
dans la direction (R6)-.in the direction (R6) -.
Sur le cercle source (S) sont placés les N transducteurs On the source circle (S) are the N transducers
T1, T2,...TN (On suppose N pair pour simplifier). T1, T2, ... TN (We assume N even to simplify).
Sur la figure, on a représenté les deux transducteurs T1 In the figure, the two transducers T1 are shown
et TN/2+1 qui sont dans le plan.de coupe. and TN / 2 + 1 which are in the cutting plane.
Deux variantes de lentilles coniques peuvent être réali- Two variants of conical lenses can be made
sées: la lentille cylindrique c'est-à-dire Ri = R et la 1 2 lentille disque représentée figure 10,équivalente à un tronc embedded image: the cylindrical lens, that is to say Ri = R and the 1 2 disc lens represented in FIG. 10, equivalent to a trunk;
de cône de hauteur H = R2-R1.cone height H = R2-R1.
Sur cette figure on a représenté un guide à deux parois couplé aux transducteurs T1, T2,...TN; T1 et TN/2+1 étant This figure shows a two-wall guide coupled to the transducers T1, T2, ... TN; T1 and TN / 2 + 1 being
dans le plan de coupe.in the cutting plane.
Suivant une variante de l'invention on utilise (figure 11) plusieurs cercles sources à des hauteurs différentes sur une lentille cylindrique pour former des voies en site. Sur la figure on n'a représenté pour simplifier que deux cercles sources According to a variant of the invention is used (Figure 11) several source circles at different heights on a cylindrical lens to form lanes in site. In the figure only two source circles have been represented for simplicity
(S)et(S 'L Des transducteurs T1, T2.. couplés au cy- (S) and (S 'L Transducers T1, T2 .. coupled to the
1 "1 2.. N coulénaty lindre par un coupleur c et des transducteurs T1, T2, 1 "1 2 .. N coulenaty linder by a coupler c and transducers T1, T2,
.TN..DTD: par-.un coupleur c1..TN..DTD: by-a coupler c1.
- 12 -- 12 -
Aux cercles(S1)et(Si)correspondent des angles de sites différents. Finalement, un coupleur c2 à la base du cylindre a son extrémité orientée vers la direction moyenne des angles de site. Suivant une autre réalisation, l'ensemble des transducteurs T1, T2, T* avec le coupleur cl sont translatés parallèlement à l'axe de révolution z z', ce qui a pour effet de changer l'angle de site des rayons (%6).,i Suivant une autre variante de l'invention, on réalise une lentille géodésique en associant plusieurs conflexions, que l'on appelle des multiplets de conflexion, la surface Circles (S1) and (Si) correspond to different site angles. Finally, a coupler c2 at the base of the cylinder has its end oriented towards the mean direction of the elevation angles. According to another embodiment, the set of transducers T1, T2, T * with the coupler C1 are translated parallel to the axis of revolution z z ', which has the effect of changing the angle of elevation of the spokes (% 6 According to another variant of the invention, a geodesic lens is produced by associating several conflexions, which are called multiplets of conflexion, the surface
obtenue étant réalisée avec les guides d'ondes décrits pré- obtained with the waveguides described above.
cédemment. Un exemple de réalisation est représenté figure 12. Cette lentille comporte deux conflexions 21 et 22 et la géométrie du guide d'onde comporte une partie disque de rayon R et une partie cylindrique de hauteur H. Les transducteurs se trouvent cédemment. An exemplary embodiment is shown in FIG. 12. This lens comprises two reflections 21 and 22 and the geometry of the waveguide comprises a disc portion of radius R and a cylindrical portion of height H. The transducers are located
sur un cercle source de rayon R Dans une version préféren- on a circle source ray R In a preferred version
tielle on prend H = 3R/2 et R4 = 2R/3, pour ces dimensions la we take H = 3R / 2 and R4 = 2R / 3, for these dimensions the
focalisation est obtenue à l'infini. focus is obtained at infinity.
Pour des lentilles géodésiques fonctionnant à des fréquences inférieures à 100 kH, on utilise préférentiellement un revêtement des parois en matériau viscoélastique de type polyuréthane, matériau dans lequel la vitesse des ondes acoustiques est proche de celle dans l'eau. On protège ainsi les parois en acier de la corrosion. Si le guide d'onde est à deus parois, l'intervalle sera rempli de polyuréthane assurant ainsi une plus grande tenue For geodesic lenses operating at frequencies below 100 kH, a wall coating of polyurethane-type viscoelastic material is preferably used, in which the speed of the acoustic waves is close to that in the water. This protects the steel walls from corrosion. If the waveguide has two walls, the gap will be filled with polyurethane ensuring a greater holding
a l'écrasement et une plus grande constance de l'intervalle. crushing and greater constancy of the interval.
La composition d'un tel matériau est décrite dans un brevet The composition of such a material is described in a patent
français de la demanderesse, N0 de dépôt 69 40589. French de la plaintiff, N0 of deposit 69 40589.
- 13 -- 13 -
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