FR2885420A1 - Instrument meteorologique utilisant le son produit par les precipitations pour les quantifier - Google Patents

Abstract

L'invention, le pluviophone actif, concerne un dispositif utilisant l'influence de la pluie (ou tout autre hydrométéore) sur la propagation des sons dans l'air pour la (le) quantifier, afin de mesurer simultanément les variations autant spatiales que temporelles de l'averse. Le dispositif est particulièrement destiné aux régions pluvieuses, uniformes et difficilement accessibles à la surface de la Terre. Il est constitué d'un boîtier (1) présentant des ouvertures en face desquelles sont placés des microphones émetteurs et récepteurs unidirectionnels (2) reliés à un module (3) qui enregistre leur spectre sonore et communique ces données à une centrale d'acquisition et de traitement (4) par l'intermédiaire d'une liaison (5). Un microphone classique et un thermomètre (6) placés sous le boîtier (1) servent à enregistrer le son ambiant et à identifier plus précisément le type d'hydrométéores. Des microphones additionnels actifs (7), dits « transducteurs », sont placés à distance du boîtier (1) dans le but d'aider par la ré-émission des sons qu'ils reçoivent à mesurer la distribution spatiale des précipitations. Un traitement fin des spectres sonores enregistrés au niveau du boîtier dans les différentes directions permet de déduire par inversion les tailles des gouttes environnantes et leur densité dans un premier temps, la hauteur d'eau reçue et ses variations spatiales instantanées dans un second temps.

Description

La présente invention concerne le perfectionnement d'un instrument

météorologique pour mesurer les précipitations ou d'autres types d'hydrométéores (neige, grêle...), sur la Terre ferme ou sur une surface d'eau libre. Le dispositif selon l'invention exploite l'influence de la pluie sur

la propagation des sons dans l'air pour la quantifier en différents endroits simultanément, mais réalise la mesure avec plus de précision que le dispositif perfectionné. Ce dernier est particulièrement adapté aux situations géographiques reculées et à une instrumentation pour laquelle l'entretien est limité.

La mesure pluviométrique est l'une des plus délicates en météorologie à cause des fortes variabilités spatiales et temporelles de la perturbation qui précipite. La mesure des précipitations est traditionnellement effectuée au sol grâce à des pluviomètres (de type Hellmann par exemple) et des pluviographes de différentes conceptions: à siphon, à pesée, à augets basculeurs ou encore optique. Ces instruments sont combinés lorsque c'est possible à divers types de radars et images satellitales. Tous les instruments existants à ce jour offrent l'inconvénient de n'enregistrer que des moyennes des précipitations (des intégrales ) dans le temps ou l'espace. Cette notion d'intégration est représentée sur la figure 1, empruntée à P. Hubert de l'école des mines de Paris. Ces inconvénients obligent, pour estimer efficacement une averse, à coupler les systèmes qui intègrent dans le temps (en pointillés sur la Fig. 1) et ceux qui intègrent dans l'espace (en tirets sur la Fig. 1). L'invention détaillée ci-après remédie à ce défaut par une mesure instantanée de la pluie sur une surface étendue (en trait plein sur la Fig. 1). D'autres inconvénients sont inhérents aux instruments de mesure pluviométrique existants. En particulier, chacun des instruments de mesure au sol précités nécessite un entretien régulier (pour relever les mesures, nettoyer les réceptacles, vérifier les mécanismes...) que ne permettent pas des installations en région reculées. Dans d'autres cas, ces contraintes sont remplacées par le coût et la complexité des pluviographes optique et radar. L'invention détaillée ci-après, dépourvue de réceptacle et de mécanismes et à l'électronique réduite, remédie également à ces défauts.

Une telle mesure étendue et instantanée est rendue possible par l'exploitation de la modification des trajets et intensités du son dans l'air, causée par la pluie au-dessus du sol, quelle que soit sa nature. Un son, dont on connaît parfaitement la signature spectrale unique, peut être reçu, voire focalisé, sur une batterie de microphones unidirectionnels. Plusieurs sons de ce type émis d'un instrument central, reçus puis ré-émis de différents endroits et à différentes distances autour de l'instrument recréeraient un paysage acoustique stable. L'arrivée de la pluie modifie ce paysage de telle sorte que l'on peut estimer la distribution de la taille des gouttes, puis par voie de conséquence, de quantifier la pluie. Aucune fréquence sonore n'est exclue a priori dans ce dispositif.

L'idée d'utiliser le son que produit la pluie à ciel ouvert pour la quantifier (et non seulement la qualifier) est exploitée depuis peu en milieu océanique, également difficile d'accès (J. A. Nystuen, Université de Washington). Contrairement à l'invention, ce travail concerne une mesure sous-marine de ce son, qui plus est, très localisée. Des brevets japonais, américain et allemand, proposent également d'exploiter le son pour caractériser certaines propriétés des précipitations. Enfin, des anémomètres et thermomètres ultrasoniques existent déjà, mais travaillent sur les mouvements des masses d'air et ne mesurent pas les mêmes paramètres physiques que la présente invention. Cette invention n'exploite donc pas le principe de l'effet Doppler et nécessite des microphones placés à distance d'un instrument central. Pourtant, aucune des inventions précitées ne résout la question de l'intégration spatio- temporelle des mesures (à moindre coût) qui fait la spécificité de cette invention. Cette invention est le perfectionnement d'une invention précédemment déposée par le même inventeur (brevet n 01 12697) pour résoudre cette même question. Les améliorations proposées portent essentiellement sur les étapes d'émission et de réception des signaux sonores et doivent permettrent d'améliorer sensiblement les performances de la mesure. Le coût de ce perfectionnement est une réduction sensible de la surface mesurée et un coût financier accru.

Le dispositif de l'invention comporte selon une première caractéristique un instrument central dit boîtier abritant au moins quatre hautparleurs et quatre microphones unidirectionnels (réglables ou non en ouverture) orientés par exemple vers les points cardinaux. Ces microphones, les systèmes de réception et d'acquisition ne constituent pas l'originalité de l'invention et ne seront donc pas décrits ici. Ils sont empruntés au marché existant et adaptés aux besoins de l'utilisateur et aux contraintes environnementales. Les microphones enregistrent simultanément, avec les fréquences et durées nécessaires, les sons provenant de leurs haut- parleurs voisins ayant été capté et ré-émis par des microphones placés à distance, dits transducteurs , dans les directions qu'ils pointent. Considérons une averse dans sa durée: Phase 1: Avant que la pluie n'atteigne le dispositif de l'invention, les transducteurs, on fait en sorte de créer au niveau du boîtier un paysage acoustique stable par la combinaison de sons provenant d'origines spatiales (distances au boîtier et directions) différentes.

Phase 2: A mesure que la pluie pénètre dans l'air d'influence du dispositif et se rapproche des microphones du boîtier, les spectres sonores (ré-)émis sont modifiés. Lorsque la perturbation est centrée sur le boîtier, les microphones enregistrent approximativement les mêmes spectres sonores, mais potentiellement aussi ses variations spatiales.

Phase 3: La perturbation s'éloignera ensuite progressivement du boîtier qui en enregistrera à 35 chaque instant les variations spatiales, à l'instar de la phase 1.

Les perturbations et causes d'erreur, si elles subsistent pour la présente invention, concernent l'identification et l'étalonnage des sons dus aux hydrométéores. Un traitement fin de ces données (non détaillé ici) permet de décomposer chaque étape et d'en déduire par inversion les tailles des gouttes et leur densité dans un premier temps, la hauteur d'eau reçue et ses variations spatiales dans un second temps. La mesure est perturbée par certaines surfaces réceptrices (la canopée, certains sols...) et par la présence de certains éléments volumineux sur le trajet des sons. Il est possible de s'en abstraire par une analyse préalable de leur présence et de leurs influences sur les spectres sonores enregistrés, puis par une correction permettant de ne prendre en compte que les modifications causées par l'arrivée de la pluie dans le rayon d'action du dispositif. La propriété de focalisation automatique des miroirs à retournement temporels (transducteurs, combinaison d'un récepteur et un émetteur) appliquée aux ultrasons peut notamment aider à dissocier l'influence de la pluie qui a pour effet de modifier ou dé-focaliser les sons de façon reconnaissable. L'invention présente en outre l'avantage d'éliminer les frictions (statiques ou dynamiques) qui dégrade la précision des mesures dans la plupart des dispositifs mécaniques existants.

En revanche, la même mesure pâtit de sons parasites tels que ceux biologiques (créés par les animaux et les végétaux) ou anthropiques (créés par l'Homme) qui sont pourtant aisés à dissocier. Ces derniers sont en effet généralement intermittents et avec un spectre sonore facilement reconnaissable (au moins dans les régions reculées et peu peuplées concernées par l'invention). Plus gênant est sans doute le vent. La signature de sa modification sonore doit pourtant rester assez différente de celle de la plupart des gouttes de pluie (quelle que soit la surface réceptrice). Un thermomètre placé sous l'instrument principal peut aider efficacement à identifier les types d'hydrométéores et à les différencier du vent: l'arrivée d'une perturbation qui précipite ayant généralement pour effet d'abaisser significativement la température ambiante.

Selon des modes particuliers de réalisation: Un mode de réalisation de l'invention exploite la propriété de focalisation automatique des miroirs à retournement temporels (tel un hologramme acoustique) notamment appliquée aux ultrasons. Il utilise en lieu et place du boîtier des couples d'émetteurs et de récepteurs sonores. Les spectres de ces émetteurs sont parfaitement connus et optimisés selon les besoins, sans restriction de fréquence, d'intensité ou de bande passante (infrasons, ultrasons...). Des transducteurs (dits éléments actifs parce qu'ils reçoivent et ré-émettent), placés à grande distance et dans l'axe des microphones du boîtier, renvoient les sons qui en proviennent. Les sons reçus par le boîtier dans le meilleur des cas sont focalisés (on y retrouve donc la majeure partie de spectre initialement émit). La pluie présente (ou les hydrométéores présents) sur le trajet du son modifie des spectres reçus. La comparaison des spectres par temps sec et par temps pluvieux doit permettre d'identifier la taille moyenne des gouttes de pluie rencontrées, puis d'estimer la pluviométrie dans la direction de ces émetteurs. Il est indispensable dans ce mode de réalisation de synchroniser les émetteurs et récepteurs de ce dispositif.

La disposition et le nombre de microphones actifs placés à distance du boîtier peuvent prendre toutes les configurations visant à améliorer la mesure des distributions spatiales et temporelles des précipitations. Le réseau de transducteurs sera relativement dense et nécessitera une optimisation de sa répartition spatiale.

Le schéma de la figure 2 illustre l'invention: En référence à ce schéma, le dispositif comporte un boîtier (1) munit dans ce mode de réalisation de quatre ouvertures, chacune placée en face de chaque microphone émetteur et récepteur (2). Ces derniers sont placés légèrement en retrait pour ne pas être touchés ou perturbés par la pluie. Le module enregistreur des sons (3) communique les données mesurées à une centrale d'acquisition (4) par l'intermédiaire d'une liaison par câble (5), hertzienne ou tout autre selon les besoins. Un microphone classique (6) enregistre les sons à l'emplacement même du boîtier (1) pour les soustraire ultérieurement. Au même endroit que le microphone classique (6) , un thermomètre enregistre la température ambiante. Des microphones actifs (7) sont disposés à une certaine distance et avec certaines orientations par rapport aux microphones. En recevant les précipitations symbolisées par le nuage (8), ils émettent un son aisément reconnaissable, figuré par les liaisons pointillées (9).

Pour faciliter la compréhension, les différentes composantes du schéma de la figure 2 ne sont pas à l'échelle. Le schéma s'entend vu de dessus. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier (1) et les microphones actifs (7) ont des dimensions de l'ordre de 40cm de diamètre et de lm de hauteur. Le boîtier (1) et toutes les autres pièces susceptibles d'être en contact avec l'eau ont intérêt à être non corrosives. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier aura intérêt à être placé en hauteur, aux normes de l'Organisation Mondiale de Météorologie pour les pluviographes.

Le dispositif est particulièrement destiné aux régions pluvieuses, uniformes et difficilement accessibles telle que la forêt vierge, la montagne (couverte de végétation ou enneigée), voire les déserts. Ceci n'est pas restrictif et il pourra tout autant être placé au-dessus de l'eau dans une région estuarienne ou sur un lac.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Procédé destiné à la mesure des précipitations ou d'autres types d'hydrométéores sur la terre ferme ou une surface d'eau libre, comprenant les étapes d'émission d'un son par la pluie et de sa réception à distance et utilisant les déformations d'un son par les hydrométéores pour les quantifier, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'émission d'un son artificiel traversant un champ de précipitations, une étape de réception et ré-émission de ce son, puis une étape de réception à l'endroit de son émission originelle.

2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comportant un boîtier (1) abritant un thermomètre et un microphone multidirectionnel classique (6), le dit boîtier présentant au moins quatre ouvertures en face desquelles sont placés en retrait des microphones unidirectionnels (2), reliés à un module (3) qui enregistre leur spectre sonore et communique ces données à une centrale d'acquisition et de traitement (4) par l'intermédiaire d'une liaison (5), caractérisé en ce qu'il comporte des microphones actifs (7), dits transducteurs , recevant puis ré-émettant un son vers le boîtier (1).

3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les microphones (2) sont disposés en étoile, en un nombre de directions supérieur ou égal à quatre, en un nombre de microphones (2) supérieur ou égal à 1 dans une même direction ou une direction proche, chacun des microphones (2) étant de sensibilité et ouverture angulaire différente, pourvu que leur configuration et propriétés permettent d'améliorer la mesure angulaire et spatiale de la distribution des précipitations.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que les transducteurs (7) en face de chaque microphone (2) sont en nombre supérieur ou égal au nombre de microphones (2), pour améliorer la résolution spatiale de la mesure au niveau du boîtier (1).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que les nombres et positions de transducteurs (7) à distance du boîtier (1) sont placés de telle sorte qu'ils permettent une focalisation sur le boîtier (1) du ou des spectres originellement émis au niveau du boîtier (1), pour reproduire le phénomène de miroir temporel et améliorer ainsi les mesures de pluviométrie.