WO1993024244A1 - Antenne acoustique sous-marine a capteur surfacique - Google Patents

Antenne acoustique sous-marine a capteur surfacique Download PDF

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WO1993024244A1
WO1993024244A1 PCT/FR1993/000444 FR9300444W WO9324244A1 WO 1993024244 A1 WO1993024244 A1 WO 1993024244A1 FR 9300444 W FR9300444 W FR 9300444W WO 9324244 A1 WO9324244 A1 WO 9324244A1
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WO
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antenna
sensor
panel
hull
conductive layers
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PCT/FR1993/000444
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Bernard Fromont
Robert Fichaux
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Thomson-Csf
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/39—Arrangements of sonic watch equipment, e.g. low-frequency, sonar
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic antenna for receiving low frequency underwater waves.
  • Such an antenna is intended to detect and locate sources of underwater acoustic noise; to obtain good performances both in detection and in localization, it is necessary to work on a spectrum of low frequencies (by "low frequencies" one will hear frequencies lower than 2 kHz, typically lower than 1 kHz) and have an antenna whose gain is large in order to obtain a satisfactory signal / noise ratio (in many applications, a gain of 20 dB is necessary). These two requirements (low frequencies and high gain) necessarily require antennas of large dimensions.
  • a first possibility consists in towing behind the naval vessel (ship or submarine) a flute of hydrophones, thus forming a very long linear antenna.
  • Such a type of antenna can be much longer than the submarine and thus be very efficient at low frequency; however, it has many disadvantages of implementation (winch system, etc. and increase in the drag of the submarine) and above all a total lack of directivity in the vertical plane due to the linear configuration of the flute.
  • Another possibility is to place over a large part of the length of the submarine an antenna formed of an assembly of point sensors (small hydrophones suitably connected together). It is thus possible to have a network in two dimensions, which makes it possible to have a directivity in the vertical plane and thus to localize the direction of the acoustic source in this plane.
  • This hydrophone network antenna has a number of disadvantages, however:
  • the invention proposes an underwater acoustic antenna produced no longer from an assembly of point sensors, but from veritable surface sensors, typically of several square decimetres of catchment area for each.
  • the antenna of the invention despite its very large dimensions, only slightly weakens the hydrodynamics of the submarine, and also offers excellent resistance to hydrodynamic stresses and impacts.
  • this acoustic antenna for receiving low frequency underwater waves comprises at least one surface sensor formed by a stack of conductive layers forming electrodes and of dielectric layers made of piezoelectric material interposed between these conductive layers, this sensor being enclosed in a coating of flexible material, the assembly thus formed forming an attached flat panel mounted against the wall of the hull of a naval ship, in particular of a submarine, this panel having a degree of freedom in bending so as to allow it to conform to the shape of this shell.
  • the sensor is divided into a plurality of elementary sensors, the respective electrodes of which are electrically connected in parallel, all of the elementary sensors being placed in a common waterproof coating.
  • the conductive layers of the elementary sensors are formed from a single strip usi ⁇ born so as to divide it into separate elementary plates, leaving between adjacent elementary plates at least one bridge of ma- third ensuring the electrical connection between the electro ⁇ of these different elementary sensors.
  • the panel is mounted on the hull by leaving an intermediate layer of water between the panel and the hull, the thickness of this water layer being such that the distance separating the wall of the hull from the median plane of the sensor or less than a quarter wave of the maximum frequency of the operating band of the sensor.
  • the coating of flexible material comprises an envelope of flexible material filled with a viscoelastic lining material, the viscoelastic lining material preferably being a polyurethane material whose behavior is analogous to that of l 'water.
  • the piezoelectric material of the dielectric layers of the sensor is a poly [vinylidene fluoride] film, the stacking of the conductive layers and of the dielectric layers being preferably produced by bonding the polyvinylidene fluoride film to the adjacent conductive layers.
  • the material of the conductive layers is a copper-beryllium bond.
  • FIG. 1 is a general perspective view of an antenna according to the invention, formed of a plurality of detector panels,
  • FIGS. 2a and 2b show one of the panels in place against the hull of the submarine, with the corresponding mounting means
  • FIG. 3 is a sectional view of one of the panels
  • FIG. 4 is a sectional view of the sensor proper, enclosed in the panel of FIG. 3,
  • FIG. 5 is a plan view of one of the electrodes of the sensor of FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a detail of Figure 5, in section along the line VI-VI of Figure 5, and - Figure 7 shows the diagram of electrical connection of the sensor of Figure 4.
  • FIG. 8 is a plan view of the electrical connection of the sensors according to a variant.
  • FIG. 1 diagrammatically represents the antenna of the invention, referenced 1.
  • This antenna is formed of a succession of panels 2, which are each externally in the form of a flexible, relatively thin plate, which is applied against the wall of the hull of the naval vessel (the * hull of a submarine, or the submerged part of the hull of a surface ship) so as to match the shape thereof .
  • the antenna 1 can thus be made up of several tens of panels 2, for example in the number of sixty-four in an exemplary embodiment; it therefore occupies a large part of each side of the submarine.
  • each panel is not critical; they can for example be given a height of the order of 1 m and a width (dimension in the direction of flow) of the order of 0.5 m.
  • the particular internal structure of the panels makes it possible, without difficulty, to give them a thickness very low - without affecting the performance of the sensor - typically less than 10 cm.
  • pan ⁇ neau 2 is shown mounted on the wall of the hull 5 of the submarine: the assembly is carried out by means of two rails 3 and 4 cooperating with retaining parts 5 or flanges.
  • the panels are wedged by means of T-shaped profiles. As shown in figure 2-b, the panels are held by clamping by means of the 4 flanges mounted on the rails at the four corners. At the upper part of the panel in the middle is the molded connector followed by the connections forming a cable. The assembly is made by leaving an intermediate water sheet 6 ensuring a mechanical decoupling between panels and hull.
  • the thin shell and each panel are connected to provide minimal hydrodynamic disturbance.
  • the electrical cables of the various panels 2 run under the thin shell above the upper rail allowing the transmission of the signals detected by these panels 2.
  • the mounting of the panels on the side of the co ⁇ that of the submarine is easy from fact that, despite their large size, their weight is relatively low given the fact that, as will be seen below, they are made of low density materials and easily bend to conform to the shape of the shell of the sub marine.
  • the large dimension of the panel (of the order of 1 m, as just indicated) provides a significant gain in directivity for the highest frequencies in the band.
  • the integration due to the large capture surface reduces the sensitivity of the response to localized disturbances, leading to better phase control and better channel formation.
  • the bending waves propagated by the shell, and whose wavelength is smaller than the dimension of the panel, will be integrated, so that the sensitivity of the antenna to these waves will find reduced.
  • Figures 3 to 5 show in more detail the structure of panel 2.
  • each of the panels 2 is made up (FIG. 3) of an actual surface sensor 8 embedded in a lining material 9 itself enclosed in an envelope 10, 11.
  • the surface sensor 8 is formed by an alternating stack of conductive layers 12 and piezoelectric dielectric layers 13.
  • the central electrode will constitute one of the poles of the sensor, while the two external electrodes, connected in parallel, will constitute the other pole of the sensor, as indicated in 18.
  • This structure provides an electric shielding effect.
  • the metal layers are for example made of a copper-beryllium alloy; the thickness of the metal electrodes is for example of the order of 5/10 mm.
  • the resulting blocking effect of the PVDF layers makes it possible to avoid its depolarization at high temperatures> 50 ° C.
  • the piezoelectric material of the dielectric layers is advantageously a polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF), a fluoropolymer well known for its piezoelectric properties; the PVDF layer has for example a thickness of the order of 0.5 to 1.5 mm. PVDF, in addition to its piezoelectric properties, also has the advantage of excellent properties of chemical and mechanical resistance, poor aging, etc. suitable for most fluorinated thermoplastics. According to a variant the piezoelectric material as layers. dielectric is a copolymer, for example, consisting of 70% PVDF and 30% PTrFe (PolyTrifluoroethylene).
  • the PVDF film is advantageously produced according to the technique described in FR-A-2 490 877, to which reference will be made for further details.
  • this technique consists in continuously laminating a PVDF sheet to stretch it mechanically while simultaneously applying to it a high electric field making it possible to orient the dipole moments of the molecules and therefore to polarize the material to give it its piezoelectric properties.
  • This PVDF film cut to the appropriate size, is bonded to the metal electrodes so as to form the stack.
  • a "soft" polyurethane is used according to the invention.
  • the term "soft" polyurethane means a material whose hardness is typically less than 50 shores. Its Poisson's ratio is close to that of water ⁇ 0.5.
  • its product density x acoustic propagation speed is substantially equal to that of water, in order to be acoustically neutral vis-à-vis the sensor. Its consistency is that of a viscous liquid.
  • the envelope 10 is for example constituted by a bowl 10 making it possible to constitute, as has just been indicated, a mold, in which the material 9 is molded.
  • the bowl is then closed by means of a "hard" polyurethane typically of hardness equal to 80 shores.
  • the outer casing 10 is, for example, a neoprene casing 30 mm thick.
  • this material is not too rigid (so as not to transmit the stresses applied to the location of the connection to the hull of the submarine) and that it is more elastic than the sensor itself.
  • the thickness of the lining of the sensor 9 (that is to say of the sealing envelope / viscoelastic lining assembly, or of the homogeneous mass in which the sensor will be embedded) must be chosen to present a value allowing: on the interior side (hull side), to move the sensor 8 away from the hull enough to limit the transmission of bending waves from the hull to the sensor.
  • This distance must, however, remain small before a quarter of the wavelength of the upper frequency of the frequency band used if one wishes to avoid any destructive interference between the incident signal and the signal reflected on the shell.
  • a quarter of a wavelength corresponds to 18.75 cm, so that the total distance between the midplane of the sensor 8 and the shell, that is to say the sum of the thickness of the lining 9 under the sensor, of the casing 10 and of the water layer 6 shown in FIG. 2 must remain significantly less than this value; in practice, a distance of 5 cm appears quite suitable.
  • to move the sensor 8 sufficiently far from the surface on which the flow occurs that is to say from the surface of the cover 11 of the sealing envelope to reduce the flow noises picked up to an acceptable level taking into account the level of the incident signal, and thus improve the purity of the signal delivered at the sensor outlet.
  • FIG. 5 shows a particularly advantageous embodiment of the metal electrodes 12.
  • each of the electrodes 12 is formed of a plurality of square plates 15 connected together by thin bridges of material 16.
  • This structure is for example produced, in a conventional manner, by stamping a strip of metal or by cutting with a pressurized water jet.
  • the bridges 16, in addition to the fact that they provide electrical continuity between the various plates 15, serve as elements for positioning the electrode 12 at the bottom of the envelope 10, by their relief shape , illustrated in FIG. 6, which will allow the assembly to rest at the bottom of the casing 10 on the studs 14 before pouring the covering 9 while keeping the plates 15 at an appropriate distance from the bottom of this casing.
  • An outlet 17 is provided at one end of this set of plates 15 allowing the electrical connection of the electrode.
  • the length L of the plates is chosen: to be compatible with the width of the PVDF films that we know how to make (typically, continuous strips of about ten centimeters in width), and also - to preserve the entire sensor a certain flexibility allowing it to match the diameter (variable) of the hull of the submarine.
  • the electrode 12 were formed of a uniform plate, its rigidity would make it difficult to conform the panel 2 to the profile of the hull of the submarine, while the separation into several plates 15 makes it possible to neutralize the inherent rigidity of the metallic material.
  • a sensor formed by a monobloc electrode risks being subject to a specific resonance on this maximum dimension, which is of the same order of magnitude as the wavelengths of the frequencies received, while that by dividing the panel into cells of smaller dimensions the possible own resonances will always occur at frequencies situated far above the upper limit of the frequency band considered.
  • FIG. 7 The electrical connection diagram is illustrated in FIG. 7, where it can be seen that the various plates 15 are connected in parallel by the hinges
  • this assembly being electrically equivalent to a single electrode 12.
  • the upper and lower electrodes are joined together by their connections 17, which form one of the poles of the sensor, while the connection 17 'of the central electrode constitutes the opposite polarity terminal of the sensor.
  • this assembly corresponds to a column sensor formed by a plurality of elementary cells 19; these different cells being mounted in parallel so that their electrical signals add up.
  • the senor 8 of each panel is formed by 21 plates of 105 mm side arranged in 7 x 3 and spaced 128 mm apart.
  • This exemplary embodiment is not limiting. Indeed it is known that in an antenna, it is advantageous to have a spacing between "sensors" equal to half a wavelength at the average frequency of the strip so as not to be obstructed by the ima ⁇ ged lobes.
  • each sensor is constituted by a panel: this is not compulsory. There is separation between the "physical" panel and the “electrical” sensor.
  • the Applicant has thus produced an antenna formed of 64 panels as described and capable of operating at carrier speeds of several tens of knots.
  • each elementary sensor 15 forms an independent sensor with an electrical output.
  • each sensor 15 is electrically connected to the output cable.
  • the electrical connections are made by means of a flexible printed circuit comprising tracks. A track arrives at a sensor by gluing the edge between the central electrode and a layer of PVDF to the flexible circuit 20 as indicated in FIG. 4.
  • the positioning pads 14 are placed under certain sensors and the flexible circuit is also embedded in the lining material 9.
  • FIG. 8 represents an example of connection of 6 sensors according to this alternative embodiment.
  • the section is along the central electrode and the pis ⁇ your correspond to the lines 21 on the strip 20.

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Abstract

L'antenne acoustique de l'invention comporte au moins un capteur surfacique formé d'un empilement de couches conductrices et de couches diélectriques en matériau piézoélectrique enfermées dans un enrobage de matériau souple, l'ensemble ainsi constitué formant un panneau plat (2) monté contre la coque (5) d'un bâtiment naval, ce panneau épousant la forme de cette coque. Le montage du panneau sur la coque est obtenu au moyen de deux profils de rive (3, 4) carénés, en laissant subsister une lame d'eau intercalaire (6) entre panneau (2) et coque (5). Avantageusement, l'enrobage comprend une enveloppe de matériau souple remplie d'un matériau de garnissage viscoélastique. Le matériau piézoélectrique des couches diélectriques du capteur est de préférence un film de polyfluorure de vinylidène.

Description

Antenne acoustique sous-marine à capteur surfacique
La présente invention concerne une antenne acoustique de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence.
Une telle antenne est destinée à détecter et localiser des sources de bruit acoustique sous-mari¬ nes ; pour obtenir de bonnes performances à la fois en détection et en localisation, il est nécessaire de travailler sur un spectre de basses fréquences (par "basses fréquences" on entendra des fréquences in- férieures à 2 kHz, typiquement inférieures à 1 kHz) et de disposer d'une antenne dont le gain est im¬ portant afin d'obtenir un rapport signal/bruit satis¬ faisant (dans de nombreuses applications, un gain de 20 dB est nécessaire). Ces deux exigences (basses fréquences et gain élevé) imposent nécessairement des antennes de dimensions importantes.
Pour cela, une première possibilité consiste à remorquer derrière le bâtiment naval (navire ou sous-marin) une flûte d'hydrophones, formant ainsi une antenne linéaire de très grande longueur.
Un tel type d'antenne peut être beaucoup plus longue que le sous-marin et ainsi être très perfor¬ mante en basse fréquence ; elle présente cepen- dant de nombreux inconvénients de mise en oeuvre (système de treuil, etc. et augmentation de la traî¬ née du sous-marin) et surtout une absence totale de directivité dans le plan vertical en raison de la configuration linéaire de la flûte. Une autre possibilité consiste à placer sur une grande partie de la longueur du sous-marin une an¬ tenne formée d'un assemblage de capteurs ponctuels (hydrophones de petites dimensions reliés entre eux de manière appropriée). On peut ainsi disposer d'un réseau en deux dimensions, ce qui permet d'avoir une directivité dans le plan vertical et ainsi de locali- ser la direction de la source acoustique dans ce plan. Cette antenne en réseau d'hydrophones pré¬ sente cependant un certain nombre d'inconvénients :
- en premier lieu, il est nécessaire de dé¬ coupler acoustiquement les différents capteurs ponc- tuels constituant l'antenne vis-à-vis des vibrations et résonances de la coque et des structures annexes du sous-marin (notamment les vibrations et résonan¬ ces provenant de la machinerie du sous-marin) et du bruit d'écoulement hydrodynamique de l'eau sur les capteurs qui, en l'absence de découplage appro¬ prié, produirait une pression acoustique perturba¬ trice venant masquer le signal incident, générale¬ ment de très faible amplitude ; - il faut aussi prévoir une étanchéité et un passage étanche à travers la coque pour chaque capteur ; enfin, les structures mécaniques utilisées pour supporter les hydrophones résistent souvent mal aux efforts hydrodynamiques auxquels elles sont soumises, outre le fait qu'elles perturbent souvent de façon gênante l'écoulement des filets d'eau le long de la coque du sous-marin.
Pour remédier à ces différents inconvé¬ nients, l'invention propose une antenne acoustique sous-marine réalisée non plus à partir d'un assem- blage de capteurs ponctuels, mais à partir de vérita¬ bles capteurs surfaciques, typiquement de plusieurs décimètres carrés de surface de captation pour cha¬ cun.
L'utilisation de capteurs essentiellement surfa- ciques permettra, par effet direct d'intégration, de masquer la majeure partie des bruits parasites ou d'écoulement mentionés plus haut, et que l'on re¬ cueillait toujours plus ou moins, auparavant, avec les antennes formées d'un assemblage de capteurs ponc- tuels.
On verra également que 1' antenne de 1' inven¬ tion, malgré ses très grandes dimensions, ne per¬ turbe que très faiblement 1'hydrodynamisme du sous- marin, et offre en outre une excellente résistance aux contraintes hydrodynamiques et aux chocs.
A cet effet, selon l'invention, cette antenne acoustique de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence comporte au moins un capteur surfacique formé d'un empilement de couches conductrices formant électrodes et de couches diélectriques en maté¬ riau piézoélectrique interposées entre ces cou¬ ches conductrices, ce capteur étant enfermé dans un enrobage de matériau souple, l'ensemble ainsi constitué formant un panneau plat rapporté monté contre la paroi de la coque d'un bâtiment naval, no¬ tamment d'un sous-marin, ce panneau présentant un degré de liberté en flexion de manière à lui per¬ mettre d'épouser la forme de cette coque.
Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuse : le capteur est fractionné en une pluralité de capteurs élémentaires dont les électrodes respecti¬ ves sont électriquement reliées en parallèle, l'en¬ semble des capteurs élémentaires étant placé dans un enrobage étanche commun. les couches conductrices des capteurs élémentai¬ res sont formées à partir d'un feuillard unique usi¬ né de manière à le diviser en plaques élémentai¬ res distinctes, en laissant subsister entre plaques élémentaires adjacentes au moins un pont de ma- tière assurant la liaison électrique entre les électro¬ des de ces différents capteurs élémentaires. le montage du panneau sur la coque est réalisé en laissant subsister une lame d'eau intercalaire en- tre panneau et coque, l'épaisseur de cette lame d'eau étant telle que la distance séparant la paroi de la coque du plan médian du capteur soit infé¬ rieure à un quart d'onde de la fréquence maximale de la bande de fonctionnement du capteur. - l'enrobage de matériau souple comprend une enve¬ loppe de matériau souple remplie d'un matériau de garnissage viscoélastique, le matériau de garnis¬ sage viscoélastique étant de préférence un ma¬ tériau polyuréthane dont le comportement est analo- gue à celui de l'eau. le matériau piézoélectrique des couches diélectriques du capteur est un film de poly [fluo¬ rure de vinylidene], l'empilement des couches conduc¬ trices et des couches diélectriques étant de pré- férence réalisé par collage du film de polyfluo- rure de vinylidene sur les couches conductrices adja¬ centes. le matériau des couches conductrices est un al¬ liage cuivre-béryllium. D'autres caractéristiques de l'invention appa¬ raîtront à la lecture de la description détail¬ lée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue perspective géné- raie d'une antenne selon l'invention, formée d'une pluralité de panneaux détecteurs,
- les figures 2a et 2b montrent l'un des pan¬ neaux en place contre la coque du sous-marin, avec les moyens de montage correspondants, - la figure 3 est une vue en coupe de l'un des panneaux,
- la figure 4 est une vue en coupe du capteur proprement dit, enfermé dans le panneau de la figure 3,
- la figure 5 est une vue en plan de l'une des électrodes du capteur de la figure 4,
- la figure 6 montre un détail de la figure 5, en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5, et - la figure 7 montre le schéma de raccorde¬ ment électrique du capteur de la figure 4.
- la figure 8 est une vue en plan de la con¬ nexion électrique des capteurs suivant une variante.
La figure 1 représente schématiquement l'an- tenne de l'invention, référencée 1. Cette an¬ tenne est formée d'une succession de panneaux 2, qui se présentent extérieurement chacun sous la forme d'une plaque souple, relativement mince, qui est appli¬ quée contre la paroi de la coque du bâtiment naval (la* coque d'un sous-marin, ou la partie immergée de la coque d'un navire de surface) de manière à épou¬ ser la forme de celle-ci.
L'antenne 1 peut être ainsi constituée de plusieurs dizaines de panneaux 2, par exemple au nom- bre de soixante-quatre dans un exemple de réalisa¬ tion ; elle occupe donc une grande partie de chaque flanc du sous-marin.
Les dimensions de chaque panneau ne sont pas critiques ; on peut par exemple leur donner une hau- teur de l'ordre de 1 m et une largeur (dimension dans le sens de l'écoulement) de l'ordre de 0,5 m.
En ce qui concerne l'épaisseur, on verra que la structure interne particulière des panneaux permet, sans difficulté, de donner à ceux-ci une épaisseur très faible - sans pour autant nuire aux performances du capteur -, typiquement inférieure à 10 cm.
Sur la figure 2-a, on a représenté le pan¬ neau 2 monté sur la paroi de la coque 5 du sous- marin : le montage est réalisé au moyen de deux rails 3 et 4 coopérant avec des pièces de maintien 5 ou brides.
Sur les côtés les panneaux sont calés au moyen de profilés en forme de T. Comme représenté sur la fi- gure 2-b, les panneaux sont maintenus par serrage au moyen des 4 brides montées sur les rails aux quatre coins. A la partie supérieure du panneau en son milieu se trouve le connecteur surmoulé suivi des connexions formant un câble. Le montage est fait en laissant subsister une lame d'eau intercalaire 6 assurant un découplage mécanique entre panneaux et coque.
La coque mince et chaque panneau se raccordent de manière à apporter une perturbation hydrodynamique minimale.
En outre, les câbles électriques des différents panneaux 2 cheminent sous la coque mince au dessus du rail supérieur permettant la transmission des signaux détectés par ces panneaux 2. Le montage des panneaux sur le flanc de la co¬ que du sous-marin est aisé du fait que, malgré leur dimension importante, leur poids est relativement faible compte tenu du fait que, comme on le verra plus bas, ils sont composés de matériaux à faible den- site et se courbent facilement pour épouser la forme de la coque du sous-marin.
Dans le plan vertical, la dimension importante du panneau (de l'ordre de 1 m, comme on vient de l'in¬ diquer) procure un gain de directivité important pour les fréquences les plus élevées de la bande.
Par ailleurs, l'intégration due à la grande surface de captation réduit la sensibilité de la réponse aux perturbations localisées, conduisant à un meilleur contrôle de phase et à une meilleure for¬ mation des voies.
Du point de vue de l'amélioration du rapport signal/bruit, on peut remarquer la grande dimension de chaque panneau devant la longueur de corrélation du bruit d'écoulement, ce qui permet d'avoir un effet d'intégration qui réduit la sensibilité de l'an¬ tenne au bruit d'écoulement.
De la même façon, les ondes de flexion pro- pagées par la coque, et dont la longueur d'onde est plus petite que la dimension du panneau, seront inté¬ grées, de sorte que la sensibilité de l'antenne à ces ondes se trouvera réduite.
Enfin, la structure compacte de l'antenne n'est pas résonnante intrinsèquement.
Les figures 3 à 5 montrent plus en détail la structure du panneau 2.
Essentiellement, chacun des panneaux 2 est cons¬ titué (figure 3) d'un capteur surfacique proprement dit 8 noyé dans un matériau de garnissage 9 lui- même enfermé dans une enveloppe 10, 11.
Le capteur surfacique 8, dont la structure est représentée plus en détail figure 4, est for¬ mée d'un empilement alterné de couches conductri- ces 12 et de couches diélectriques piézoélec¬ triques 13.
L'électrode centrale constituera l'un des pô¬ les du capteur, tandis que les deux électrodes exté¬ rieures, reliées en parallèle, constitueront 1 ' au- tre pôle du capteur, comme indiqué en 18. Cette structure permet d'obtenir un effet de blindage élec¬ trique.
Les couches métalliques sont par exemple réa¬ lisées en un alliage cuivre-béryllium ; l'épais- seur des électrodes métalliques est par exemple de l'ordre de 5/10 mm. L'effet de blocage des couches PVDF qui en résulte permet d'éviter sa dépolarisa¬ tion aux températures élevées > 50° C.
Le matériau piézoélectrique des couches diélectriques est avantageusement un polymère tel qu'un polyfluorure de vinylidene (PVDF), polymère fluoré bien connu pour ses propriétés piézoélectri¬ ques ; la couche de PVDF a par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1,5 mm. Le PVDF, outre ses propriétés piézoélectri¬ ques, possède en outre l'avantage d'excellentes pro¬ priétés de résistance chimique et mécanique, de faible vieillisement, etc. propres à la plupart des thermoplastiques fluorés. Suivant une variante le matériau piézoélectri¬ que des couches . diélectriques est un copolymere par exemple constitué à 70% de PVDF et à 30% de PTrFe (PolyTrifluoroéthylène) .
Le film de PVDF est avantageusement réalisé selon la technique exposée dans le FR-A-2 490 877, auquel on se référera pour de plus amples détails.
Brièvement, cette technique consiste à laminer en continu une feuille de PVDF pour l'étirer méca¬ niquement tout en lui appliquant simultanément un champ électrique élevé permettant d'orienter les moments dipolaires des molécules et donc de polari¬ ser le matériau pour lui donner ses propriétés piézoélectriques. Ce film de PVDF, découpé à la dimension ap¬ propriée, est collé sur les électrodes métalli¬ ques de façon à former l'empilement.
Le capteur ainsi formé est ensuite placé dans une enveloppe de caoutchouc néoprène 10, qui constitue avantageusement un moule (fond et côtés de l'enveloppe). Le fond de cette enveloppe est muni de plots 14 obtenus lors de sa fabrication et sur les¬ quels est posé le capteur qui est ainsi positionné. Pour le matériau de garnissage 9, on utilise selon l'invention un polyuréthane "mou". On entend par polyuréthane "mou" un matériau dont la dureté est typiquement inférieure à 50 shores. Son coeffi¬ cient de Poisson est proche de celui de l'eau ≈ 0,5. De plus son produit densité x vitesse de propagation acoustique est sensiblement égal à celui de l'eau, afin d'être acoustiquement neutre vis-à-vis du cap¬ teur. Sa consistance est celle d'un liquide visqueux.
L'enveloppe 10 est par exemple constituée d'une cuvette 10 permettant de constituer, comme on vient de l'indiquer, un moule, dans lequel est moulé le matériau 9. La cuvette est ensuite obturée au moyen d'un polyuréthane "dur" typiquement de dureté égale à 80 shores. L'enveloppe extérieure 10, est, par exemple, une enveloppe en néoprène de 30 mm d'épaisseur.
La seule limitation est que ce matériau ne soit pas trop rigide (pour ne pas transmettre les con¬ traintes appliquées à l'endroit de la liaison à la coque du sous-marin) et qu'il soit plus élastique que le capteur proprement dit.
En variante, on pourrait prévoir, au lieu d'une structure composite formée par une enveloppe extérieure enfermant un matériau de garnissage, une structure homogène dans laquelle le capteur 8 se- rait noyé dans une masse homogène de matériau ap¬ proprié (polyuréthane "mou") présentant les propriétés d'étanchéité nécessaires.
L'épaisseur du garnissage du capteur 9 (c'est-à-dire de l'ensemble enveloppe d'étanchéi- té/garnissage viscoélastique, ou de la masse homo¬ gène dans laquelle sera noyée le capteur) doit être choisie pour présenter une valeur permettant : du côté intérieur (côté de la coque), d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la coque pour limiter la transmission des ondes de flexion de la coque vers le capteur.
Cette distance doit cependant rester faible de¬ vant le quart de la longueur d'onde de la fréquence supérieure de la bande de fréquence utilisée si l'on veut éviter toute interférence destructive entre le signal incident et le signal réfléchi sur la coque.
Ainsi, pour une fréquence maximale de 2 kHz, un quart de longueur d'onde correspond à 18,75 cm, de sorte que la distance totale entre le plan mé¬ dian du capteur 8 et la coque c'est-à-dire la somme de l'épaisseur du garnissage 9 sous le capteur, de l'enveloppe 10 et de la lame d'eau 6 représentée figure 2 doit rester nettement inférieure à cette valeur ; en pratique, une distance de 5 cm apparaît tout à fait convenable. du côté extérieur (côté de l'écoule¬ ment), d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la surface sur laquelle se produit l'écoulement c'est- à-dire de la surface extérieuredu couvercle 11 de l'enveloppe d'étanchéité pour réduire les bruits d'écoulement captés à un niveau acceptable compte tenu du niveau du signal incident, et ainsi améliorer la pureté du signal délivré en sor¬ tie des capteurs.
La figure 5 montre un mode de réalisation par¬ ticulièrement avantageux des électrodes métalliques 12.
Selon ce mode de réalisation, chacune des électrodes 12 est formée d'une pluralité de pla¬ ques 15 carrées reliées ensemble par des minces ponts de matière 16. Cette structure est par exemple réalisée, de manière classique, par estampage d'un feuillard de métal ou encore par découpe au jet d'eau sous pression.
Avantageusement, les ponts 16, outre le fait qu'ils assurent la continuité électrique entre les différentes plaques 15, servent d'éléments de po¬ sitionnement de l'électrode 12 au fond de l'enve¬ loppe 10, par leur forme en relief, illustrée figure 6, qui permettra à l'ensemble de reposer au fond de l'enveloppe 10 sur les plots 14 avant coulage du gar- nissage 9 en maintenant les plaques 15 à une distance appropriée du fond de cette enveloppe.
On prévoit à l'une des extrémités de cet ensemble de plaques 15 une sortie 17 permettant la con¬ nexion électrique de l'électrode. La longueur L des plaques est choisie : pour être compatible avec la largeur des films de PVDF que l'on sait réaliser (typiquement, des bandes continues d'une dizaine de centimètres de largeur), et aussi - pour préserver à l'ensemble du capteur une certaine souplesse lui permettant d'épouser le diamè¬ tre (variable) de la coque du sous-marin.
En effet, si l'électrode 12 était formée d'une plaque uniforme, sa rigidité ferait en sorte qu'il serait difficile de conformer le panneau 2 au profil de la coque du sous-marin, tandis que la sépa¬ ration en plusieurs plaques 15 permet de neutraliser la rigidité propre du matériau métallique.
Enfin, un capteur formé d'une électrode mo- nobloc risquerait d'être sujet à une résonance pro¬ pre sur cette dimension maximale, qui est du même or¬ dre de grandeur que les longueurs d'onde des fré¬ quences captées, tandis qu'en divisant le panneau en cellules de plus petites dimensions les résonances propres éventuelles se produiront toujours à des fré¬ quences situées très au-dessus de la limite supé¬ rieure de la bande de fréquences considérée.
Le schéma de connexion électrique est illus¬ tré figure 7, où l'on voit que les différentes pla- ques 15 sont reliées en parallèle par les charnières
16, cet ensemble étant électriquement équivalent à une électrode unique 12. Les électrodes supé¬ rieure et inférieure sont réunies ensemble par leurs connexions 17, qui forment l'un des pôles du capteur, tandis que la connexion 17' de l'électrode centrale constitue la borne de polarité opposée du capteur.
Du point de vue fonctionnel, cet ensemble cor¬ respond à un capteur-colonne formé d'une pluralité de cellules élémentaires 19 ; ces différentes cellules étant montées en parallèle de sorte que leurs signaux électriques s' additionnent.
A titre d'exemple, le capteur 8 de chaque pan¬ neau est formé de 21 plaques de 105 mm de côté arran- gées en 7 x 3 et espacées de 128 mm.
Cet exemple de réalisation n'est pas limitatif. En effet il est connu que dans une antenne, il est avantageux d'avoir un espacement entre "capteurs" égal à une demi longueur d'onde à la fréquence moyenne de la bande de façon à ne pas être gêné par les lobes ima¬ ges.
Dans l'exemple décrit-chaque capteur est consti¬ tué par un panneau : ceci n'est pas obligatoire. Il y a séparation entre le panneau "physique" et le capteur "électrique" .
Ainsi en coupant les ponts 16 entre les colon¬ nes et en les reliant à 3 sorties on obtient 3 cap¬ teurs - colonne de 7 plaques par panneau. A l'inverse on peut relier en parallèle des panneaux adjacents pour former des capteurs espacés de plusieurs largeurs de panneau.
On peut aussi constituer une antenne formée de panneaux non adjacents avec entre panneaux actifs des panneaux de "remplissage" permettant de préserver le profil hydrodynamique de l'antenne.
La Demanderesse a ainsi réalisé une antenne for¬ mée de 64 panneaux comme décrits et capables de fonc¬ tionner à des vitesses de porteur de plusieurs dizai- nés de Noeuds.
Suivant une variante de réalisation, chaque cap¬ teur élémentaire 15 forme un capteur indépendant avec une sortie électrique. Dans ce cas chaque capteur 15 est connecté électriquement vers le câble de sortie. Avantageusement on réalise les connexions élec¬ triques au moyen d'un circuit imprimé souple et compor¬ tant des pistes. Une piste arrive à un capteur en col¬ lant au bord entre l'électrode centrale et une couche de PVDF le circuit souple 20 comme indiqué sur la figure 4.
Les plots 14 de positionnement sont placés sous certains capteurs et le circuit souple se trouve aussi noyé dans le matériau de garnissage 9.
La figure 8 représente un exemple de connexion de 6 capteurs suivant cette variante de réalisation. La coupe est suivant l'électrode centrale et les pis¬ tes correspondent aux traits 21 sur la bande 20.
D'autres schémas de .connexion avec plusieurs bandes de circuit imprimé souple sont possibles sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Une antenne acoustique (1) de réception d'ondes sous-marines à basse fréquence, caractéri¬ sée en ce qu'elle comporte au moins un capteur surfa¬ cique formé d'un empilement de couches conductrices (12) formant électrodes et de couches diélec¬ triques (13) en matériau piézoélectrique interpo¬ sées entre ces couches conductrices, ce capteur étant enfermé dans un enrobage de matériau sou¬ ple (9, 10, 11), l'ensemble ainsi constitué formant un panneau plat rapporté (2) monté contre la paroi de la coque (5) d'un bâtiment naval, notamment d'un sous-marin, ce panneau présentant un degré de li¬ berté en flexion de manière à lui permettre d'épou¬ ser la forme de cette coque.
2 . L'antenne de la revendication 1, dans la¬ quelle le capteur est fractionné en une pluralité de capteurs élémentaires dont certains ort leurs électrodes respectives électriquement reliées en parallèle, l'ensemble des capteurs élémentaires étant placé dans un enrobage commun.
3. L'antenne de la revendication 2, dans la¬ quelle les couches conductrices des capteurs élé¬ mentaires sont formées à partir d'un feuillard uni¬ que usiné de manière à le diviser en plaques élé- mentaires (15) distinctes, en laissant subsister en¬ tre plaques élémentaires adjacentes au moins un pont de matière (16) assurant la liaison électrique entre les électrodes de ces différents capteurs élémentaires.
4. L'antenne de l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le montage du panneau sur la coque est obtenu au moyen de 4 brides montées sur deux rails (3 et 4).
5. L'antenne de l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le montage du panneau sur la coque est réalisé en laissant subsister une lame d'eau in¬ tercalaire (6) entre panneau (2) et coque (5), l'épais¬ seur de cette lame d'eau étant telle que la distance séparant la paroi de la coque du plan médian du capteur soit inférieure à un quart de la longueur d'onde de la fréquence maximale de la bande de fonc¬ tionnement du capteur.
6. L'antenne de l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle l'enrobage de matériau souple comprend une enveloppe de matériau souple (10, 11) remplie d'un matériau de garnissage viscoélastique (9).
7. L'antenne de la revendication 6, dans la- quelle le matériau de garnissage viscoélastique
(9) est un matériau polyuréthane à consistance molle dont la dureté est inférieure à 50 shores, dont le produit densité-vitesse ainsi que le coeffi¬ cient de Poisson sont proches de ceux de l'eau.
8- L'antenne de l'une des revendications 1 à
7, dans laquelle le matériau piézoélectrique des couches diélectriques (13) du capteur est un film de polyfluorure de vinylidene.
9. L'antenne de la revendication 8, dans la- quelle l'empilement des couches conductrices (12) et des couches diélectriques (13) est réalisé par collage du film de polyfluorure de vinylidene sur les couches conductrices adjacentes.
10. L'antenne de l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle le matériau des couches conductri¬ ces (12) est un alliage cuivre-béryllium.
11. L'antenne de la revendication 1, dans la¬ quelle les capteurs indépendants sont électriquement reliés par un circuit souple.
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