FR2922318A1 - Processeur de donnees et systeme le comportant, destine a traiter des signaux d'arrangements lineaires d'hydrophones - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les arrangements linéaires d'hydrophones.Elle se rapporte à un processeur de données destiné à être connecté à un arrangement linéaire remorqué de sonar comprenant plusieurs modules (10) raccordés bout à bout par des accouplements et une tuyauterie souple logeant plusieurs hydrophones espacés (12). Le processeur reçoit les signaux de tous les capteurs et, aux faibles fréquences, les signaux de sortie de tous les hydrophones (12) de chaque module (10) de l'arrangement sont ajoutés avec une pondération uniforme, et sans retard relatif de phase (30) afin qu'ils forment des signaux de sortie à un seul canal. La conformation du faisceau est réalisée par utilisation de pondérations différentes pour les différents canaux.Application aux sonars.

Description

La présente invention concerne des arrangements linéaires d'hydrophones de sonar destinés à être remorqués derrière des navires et des sous-marins et en particulier elle concerne la réduction de l'influence du bruit dû aux vibrations sur les performances à basse fréquence. La partie acoustique d'un arrangement remorqué du type considéré comprend un certain nombre de sections ou modules d'une longue tuyauterie remplie d'un fluide hydraulique et contenant des hydrophones. Chaque module contient, dans la cavité de fluide hydraulique, des organes ayant une résistance mécanique longitudinale et un module élevé, appelés organes internes résistants dans la suite, dont le rôle principal est de supporter la force de remorquage. En outre, une armature longitudinale peut être enrobée dans la paroi de la tuyauterie afin qu'elle empêche l'allongement de celui-ci. Les deux extrémités de chaque module aboutissent à des accouplements robustes qui sont destinés à raccorder les tronçons les uns aux autres et à transférer la force de remorquage de la paroi de la tuyauterie aux organes résistants internes. Du fait de cette construction, si l'un des accouplements vibre longitudinalement, pour une raison quelconque, tous les autres accouplements vibrent de la même manière puisqu'ils sont tous reliés par des organes résistants internes ayant un module élevé.

Les sources principales de vibrations sont le tapotage du câble de remorquage et l'accrochage du câble de remorquage au point de remorquage lorsque le navire se trouve en haute mer. Les procédés actuels de réduction des vibrations sont soit le carénage du câble soit l'introduc-tion de modules d'isolement des vibrations entre le câble et l'arrangement. Ces procédés ne sont pas toujours totale-ment efficaces, et, même lorsqu'ils le sont, il reste toujours un niveau de seuil de vibrations créées dans l'arrangement lui-même sous l'action de la couche limite turbulente. On sait que les organes résistants internes sont des organes importants pour la transmission des vibrations longitudinales à basse fréquence. Ils mettent les accouplements en vibration et ceux-ci jouent le rôle de sources séparées d'ondes de gonflement (parfois connues sous le nom d'ondes de respiration) et d'ondes élastiques longitudi- nales dans la paroi de la tuyauterie souple, chaque onde créant des pressions dans la tuyauterie souple. Comme ces ondes ont de grandes longueurs d'onde aux basses fréquences, elles peuvent se propager vers le centre d'un module avec une faible atténuation due à l'amortissement dans la paroi de la tuyauterie. Les réflexions dues aux accouplements adjacents, les réflexions partielles sur des constituants internes, et les effets des ondes stationnaires peuvent aussi avoir leur importance. Il est évident que le champ résultant de bruit propre dû aux vibrations à basse fréquence n'a pas une homogénéité spatiale. En d'autres termes, les niveaux de bruit propre, dans les canaux séparés, varient avec la position dans le module. En conséquence, le principe familier de l'espace des nombres d'onde qui est si utile pour l'interprétation des caractéristiques d'une réponse homogène en pression aux hautes fréquences, n'est plus très utile aux basses fréquences. Un problème associé est que les défauts d'homogénéité dans l'espace rendent difficile une estimation simple du gain de l'arrangement en fonction du bruit propre qui doit être appliqué au niveau des canaux séparés. La présente invention a pour objet un dispositif augmentant les performances à basse fréquence des arrangements remorqués des sonars lorsqu'ils sont limités par les effets des vibrations. L'invention concerne un processeur de données destiné à être raccordé à un arrangement linéaire remorqué de sonar du type défini précédemment, le processeur étant destiné à être connecté aux hydrophones de l'arrangement de manière que, aux basses fréquences, les signaux de sortie de tous les hydrophones de chaque module respectif de l'arrangement remorqué soient ajoutés avec une pondération uniforme et sans retard de phase afin qu'ils forment des signaux de sortie respectifs des canaux séparés. La caractéristique importante de ce signal additionné de sortie, pour chaque module, est que, aux basses fréquences, il correspond intimement à la pression interne moyenne sur la longueur du module. La pression moyenne dans le module, due aux vibrations à basse fréquence, a été déterminée comme proche de zéro, par une analyse théorique. Ainsi, si chaque module est traité comme un seul canal, l'influence des vibrations à basse fréquence sur les signaux acoustiques à basse fréquence peut être considérablement réduite. La mise en forme du faisceau peut alors être réalisée de manière classique avec la somme pondérée d'un certain nombre de signaux de sortie de module formés avec des retards de phase convenant à une direction choisie de faisceau. Avantageusement, le rapport de Poisson du matériau de la tuyauterie souple est pratiquement égal à 0,5 ; on a démontré que ceci réduisait encore plus les effets des vibrations sur les performances à basse fréquence de l'arrangement remorqué. De préférence, les organes internes résistants de module élevé sont incorporés dans chaque module de l'arrangement afin qu'ils résistent aux vibrations en opposition de phase des accouplements d'extrémité des modules. La séparation des hydrophones dans l'arrangement est faible par rapport à la longueur du module de l'arrange-ment, de manière avantageuse, afin que les signaux additionnés de sortie des hydrophones séparés correspondent intimement à une intégrale continue. En outre, il est préférable que la longueur des accouplements soit faible par rapport à la longueur du module. Dans une disposition, un accéléromètre peut être incorporé à chaque accouplement de module afin que les vibrations respectives soient mesurées aux extrémités de chaque module et qu'un signal soit formé et permette la compensation du bruit dû aux vibrations dans les signaux de sortie des hydrophones. Dans une autre disposition, lorsque le fluide de remplissage n'est pratiquement pas visqueux et pourvu que le coefficient de réflexion des ondes de gonflement et des ondes élastiques par les cloisons soit pratiquement nul, on a montré théoriquement que, en général et pour une configuration arbitraire d'hydrophones dans le module, quel que soit l'espacement des hydrophones, il est possible de choisir un jeu de pondérations dépendant de la fréquence de manière que la somme des signaux pondérés de sortie des hydrophones présente une réponse nulle aux vibrations à basse fréquence. Ainsi, l'invention peut être modifiée par application des pondérations qui dépendent de la fréquence lors de la formation des faisceaux de l'arrangement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 représentent un module d'un arrangement remorqué de sonar, en coupes longitudinale et transversale ; la figure 3 est un diagramme synoptique d'un ensemble remorqué formant processeur de signaux de l'arran- gement destiné à réduire l'effet des vibrations sur le 25 spectre à basse fréquence ; et les figures 4 et 5 représentent le spectre en fréquences des mesures de pression réalisées en mer à partir de deux canaux à hydrophones identiques, la figure 4 correspondant à un traitement classique et la figure 5 à la 30 formation de la moyenne sur la longueur du module selon l'invention. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un arrange- ment remorqué de sonar comprend un certain nombre de modules acoustiques semblables 10 raccordés les uns aux 35 autres par des accouplements d'extrémité portant la réfé- rence 11. Les hydrophones 12 et leurs boîtiers électro- niques 13 sont supportés par des cloisons 14 espacées le long du module dans une tuyauterie élastique 15 remplie d'un fluide pratiquement incompressible 16 afin que le module possède une flottabilité neutre. Les cloisons sont elles-mêmes supportées par les organes résistants internes 17. Dans une disposition, la tuyauterie souple peut contenir une armature longitudinale enrobée 18 destinée à empêcher l'allongement de la tuyauterie souple. Les organes résistants internes 17 transmettent facilement les vibrations longitudinales à basse fréquence qui provoquent la mise en vibration des accouplements 11 d'extrémité. Ces vibrations créent des ondes de gonflement et des ondes élastiques longitudinales dans la paroi 15 de la tuyauterie souple, avec des fluctuations associées de pression dans le fluide 16, qui sont détectées par les hydrophones 12 et constituent un bruit propre. Les caractéristiques de construction de l'arrangement ont une influence importante sur la réponse détaillée de l'arrange-ment aux vibrations. Ainsi, le bruit propre résultant est complexe et inhomogène dans l'espace, et il dépend donc de la position de l'hydrophone dans le module 10. La figure 3 représente une disposition de traitement de signaux qui a été réalisée afin que l'effet des vibrations sur l'arrangement remorqué, travaillant à basse fréquence, soit réduit au minimum. L'arrangement comprend n modules 101...10n ayant chacun m hydrophones. Les signaux de sortie des m hydrophones de chaque module sont connectés à des additionneurs respectifs 301...30n sans retard relatif de phase entre les signaux de sortie des hydrophones d'un module donné quelconque. La formation du faisceau est alors réalisée par connexion des sorties des additionneurs 30i...30n aux retards respectifs de phase Al...An qui sont déterminés par un programmateur 31 afin que le faisceau formé ait une direction prédéterminée de manière connue dans la technique. Les signaux à phase retardée provenant des additionneurs 30n...30n sont alors additionnés dans l'additionneur 32 et forment un signal de sortie 33 de faisceau.

L'inventeur a démontré qu'il existait une antisymétrie dans le champ de pression à l'intérieur d'un module de l'arrangement lorsque les accouplements 11 vibrent en phase. La pression moyenne sur la longueur du module sous l'action des vibrations est alors nulle. Cette condition est facilitée par l'utilisation d'organes résistants internes de module élevé qui raccordent les accouplements. Dans une variante, les signaux de sortie d'accéléromètres axiaux placés dans les accouplements peuvent être utilisés pour la compensation de la composante vibrationnelle de la réponse en pression. La compensation peut être réalisée de manière déterministe lorsque les paramètres de la tuyaute-rie souple sont connus préalablement ou elle peut être obtenue par adaptation.

L'inventeur a montré théoriquement que la pression moyenne le long de l'arrangement et les niveaux de pression aux deux extrémités sont reliés par une relation simple. La relation n'est pas sensible à la viscosité et à la compressibilité du fluide de remplissage ni à la présence des organes résistants internes et des cloisons. La relation et sa dérivation schématique sont indiquées dans la suite. On utilise la notation suivante : x, r = coordonnées longitudinale et radiale w = fréquence u = déplacement longitudinal de la paroi de la tuyauterie souple uo = déplacement longitudinal d'un accouplement vibrant pour x = 0 uL = déplacement longitudinal d'un accouplement vibrant pour x = L w = déplacement radial de la paroi de la tuyauterie souple p = pression dans le fluide de remplissage E = module longitudinal du matériau de la tuyauterie souple a2E = module circonférentiel du matériau de la tuyauterie souple 35 a = rapport de Poisson du matériau de la tuyauterie souple L = longueur du module R = rayon de la tuyauterie souple p = masse volumique du fluide de remplissage v = viscosité du fluide de remplissage cb = vitesse des ondes de gonflement cp = vitesse des ondes élastiques longitudinales c = vitesse du son dans le fluide de remplissage On utilise les hypothèses suivantes : 1) le mouvement est circonférentiellement symétrique si bien que toutes les variables dépendantes ne sont des fonctions que des coordonnées x et r, 2) le mouvement du fluide de remplissage est con- trôlé par les équations linéarisées de Navier-Stokes pour fluide compressible et l'équation linéarisée de continuité pour fluide compressible, et 3) le mouvement de la paroi de la tuyauterie souple est contrôlé par les équations linéarisée d'une membrane cylindrique mince. En particulier, on suppose que les contraintes longitudinales et circonférentielles dans la paroi de la tuyauterie souple sont reliées aux déformations par les relations : Txx = [E/(1 - a2)][u/x) + aa(w/R)] (1) Tb = [E/(1 - a2)].[aa(au/ax) + a2(w/R)] (2) L'approximation à basse fréquence est telle que : Rw/cb 1, Rw/cp 1, Rw/c 1 (3) qui sont supposés valables dans des exemples d'arrangements aux basses fréquences intéressantes. Des approximations de l'équation (3) impliquent que l'effet de la charge due au fluide externe peut être négligé et que la pression interne est essentiellement constante dans toute la section du fluide. Les conditions convenables à la limite sont la continuité du déplacement normal et tangentiel, la conti- nuité de la contrainte normale et tangentielle à la paroi de la tuyauterie souple, la continuité du déplacement normal et tangentiel au niveau des accouplements, et la continuité du déplacement longitudinal de la paroi de la tuyauterie souple et du déplacement longitudinal moyen du fluide de part et d'autre d'une cloison.

On peut montrer que la pression moyenne sur la longueur d'un module est telle que :

(1/L)JJLp.dx = -pcb2{[(1-2a/a)-iwv(1-a2)/cb2]/

(1-a2)(1-iwv/3c2)+cb2/C2]}.[(uL-uo)/L] (4)

On peut vérifier que, dans des situations habi-10 tuelles, l'effet de la viscosité sur l'équation (4) est

faible si bien que celle-ci se simplifie :

(1/L)Lp.dx = -[pcb2/((l-a2)+cb2/c2)]11-(2a/a)}[(uL-uo)/L] JJ (5)

Ce résultat n'indique aucune dépendance explicite 15 avec la fréquence et s'applique donc même dans le cas statique.

Le résultat de l'équation (5) est la base de l'invention. Par exemple, il est évident que la pression moyenne le long du module disparaît si les accouplements

20 vibrent en phase. Il est aussi évident que le résultat peut être facilement étendu à des arrangements comprenant plus d'un module.

La signification du facteur (1-2a/a) dans l'équation (5) est maintenant discutée.

25 Si la tuyauterie souple est un milieu isotrope car aucun matériau d'armature n'est incorporé, a=1 et, pour de nombreux matériaux de tuyauterie souple intéressants, a est à peu près égal à 0,5. Ainsi, le facteur (1-2a/a) est proche de zéro et la pression moyenne interne p du fluide

30 due au déplacement des vibrations est aussi une quantité faible. Cependant, si la tuyauterie souple est anisotrope étant donné la présence d'une armature longitudinale, la tuyauterie souple a une plus grande rigidité longitudinale-ment que circonférentiellement. En conséquence nous ne

35 pouvons pas supposer qu'une déformation circonférentielle donnée crée une grande déformation longitudinale à couplage de Poisson, car une telle déformation rencontrerait la résistance d'un grand module longitudinal. Ainsi, comme l'indique l'équation (1), on peut supposer sur le produit aa est faible. Inversement, on peut supposer qu'une déformation longitudinale donnée crée une déformation circonfé- rentielle à couplage de Poisson très analogue à celle du cas isotrope car le module circonférentiel peut être peu affecté par la présence de l'armature longitudinale. En référence à l'équation (2), ceci implique que le rapport a/a doit rester pratiquement égal au rapport de Poisson du matériau constituant le liant dans lequel l'armature est enrobée. On a aussi montré que les arguments précédents peuvent être confirmés par l'analyse théorique. En particulier, on peut montrer que, comme les rapports de Poisson des matériaux constituants ne peuvent pas dépasser 0,5, le rapport a/a ne peut pas non plus dépasser 0,5. Ainsi, le facteur (1-2a/a) doit être positif, comme dans le cas isotrope. En outre, si les rapports de Poisson des matériaux constituants sont tous proches de 0,5, (1-2a/a) est une quantité faible, comme dans le cas isotrope, et la pression moyenne de l'équation (5) est aussi faible. L'inventeur a aussi montré que, si dans le procédé de formation du faisceau, des retards relatifs de phase sont introduits entre les hydrophones d'un module donné, comme cela est réalisé de manière classique, la réponse de l'arrangement dont le faisceau a été conformé, au bruit vibrationnel aux basses fréquences, est en général supérieure à celle qui est obtenue lorsqu'aucun retard de phase de ce type n'est incorporé.

On a ainsi montré que : a) la pression interne moyenne dans le fluide d'un arrangement remorqué est créée par la tendance de la tuyauterie souple soumise à des déformations à provoquer un changement du volume interne ; un déplacement pur en translation de la tuyauterie souple ne provoque pas de déformation ni de changement de volume interne et en conséquence aucune pression interne moyenne, malgré le fait que les pressions à des emplacements individuels dans l'arrangement peuvent ne pas être nulles, b) si les rapports de Poisson des matériaux de la tuyauterie souple sont égaux à 0,5, la réponse à la pres- sion interne moyenne disparaît, et ceci peut s'appliquer même si la tuyauterie souple contient une armature longitudinale, c) les problèmes posés par le défaut d'homogénéité spatiale des diagrammes de pressions produits par les ondes élastiques et les ondes de gonflement créées par les vibrations sont évités par prise en considération de la pression moyenne le long du module, d) grâce aux points a) et b) qui précèdent, la réponse de l'arrangement aux effets des vibrations à basse fréquence est réduite par addition des signaux des hydrophones du module sans retard de phase. Les résultats indiqués jusqu'à présent sont reliés à la pression moyenne dans un tronçon se terminant à chaque extrémité par des diaphragmes pleins. Dans un arrangement remorqué, ces diaphragmes sont des accouplements placés entre les modules adjacents. Les résultats peuvent s'appliquer également à un certain nombre de modules, la différence des niveaux vibrationnels entre les extrémités étant reliée à la pression moyenne dans les modules. Ainsi, l'arrangement de sonar peut aussi être réalisé avec des modules associés par groupes de deux ou plus avec des déphasages constants appliqués aux groupes. Les figures 4 et 5 représentent chacune un spectre de fréquence correspondant à la pression obtenue au cours d'expériences en mer. Les résultats ont été obtenus avec deux canaux allongés d'hydrophones dont la réalisation était la même. Le canal associé à la figure 4 a été placé vers l'extrémité d'un long module et en conséquence ne formait pas une pression moyenne sur la longueur du module.

Le canal associé à la figure 5 a été placé dans un module court de manière que les hydrophones formant le canal donnent une estimation de la pression moyenne sur la longueur du module. Les deux modules ont été remorqués l'un à côté de l'autre avec la même configuration de remorquage. Les résultats ont été obtenus en même temps. Le bruit vibrationnel sur les deux figures apparaît à des fréquences inférieures à 20 Hz environ. Il est évident que le bruit vibrationnel de la figure 5 est inférieur d'environ 20 dB au bruit vibrationnel de la figure 4, si bien que l'efficacité de l'invention est démontrée.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Processeur de données destiné à être connecté à un arrangement linéaire remorqué de sonar du type qui comprend plusieurs modules (10) raccordés bout à bout, chaque module comprenant une tuyauterie souple remplie de fluide et logeant plusieurs hydrophones (12) espacés linéairement, le processeur comprenant un dispositif destiné à recevoir les signaux de tous les capteurs de l'arrangement et étant caractérisé en ce que, aux basses fréquences, les signaux de sortie de tous les hydrophones (12) de chaque module respectif (10) de l'arrangement remorqué sont ajoutés les uns aux autres avec une pondération uniforme et sans retard relatif de phase (30) afin que des signaux de sortie à un seul canal respectif soient formés.

2. Processeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en forme du faisceau est réalisée par introduction de retards de phase dans le processeur de manière que la somme pondérée d'un certain nombre de signaux de sortie (30) du module puisse être conformée à l'aide des retards de phase (31) convenant à une direction choisie du faisceau.

3. Processeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un jeu de pondérations dépendant de la fréquence est sélectionné pour la mise en forme du faisceau, lors de la connexion aux sorties du module, de manière que la somme des signaux pondérés de sortie des hydrophones présente une réponse nulle aux vibrations à basse fréquence.

4. Système de détection à sonar, comprenant un processeur de données selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de la tuyauterie souple est choisi de manière que le rapport de Poisson soit pratiquement égal à 0,5.

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un accouplement 11 d'extrémité est placé à l'extrémité de chaque module et les organes résistants internes de module élevé sont incorporés à chaque module del'arrangement afin qu'ils résistent aux vibrations en opposition de phase des accouplements 11 d'extrémité des modules.

6. Système selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la distance séparant les hydrophones (12) dans l'arrangement est faible par rapport à la longueur du module (10) de l'arrangement si bien que les signaux de sortie des hydrophones séparés, une fois ajoutés, correspondent intimement à une intégrale continue.

7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la longueur (11) d'accouple-ment du module est faible par rapport à la longueur du module (10).

8. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un accéléromètre incorporé à chaque accouplement (11) de module afin qu'il mesure les vibrations respectives aux extrémités de chaque module (10) et crée un signal destiné à être connecté au processeur de données de manière que le bruit vibrationnel soit compensé dans les signaux de sortie des hydrophones.