WO2002047065A1 - Sonar de coque pour batiment naval - Google Patents

Sonar de coque pour batiment naval

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WO2002047065A1
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sonar
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cylindrical surfaces
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Michel Eyries
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Thales
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to active sonars which are mounted on the hull of a naval vessel, in particular that of a surface boat.
  • this type of sonar consists, as shown in Figure 1, of a cylindrical antenna formed of a support 10 on which are mounted columns of transducers 11.
  • the transducers are of the "Tonpilz" type and provide both transmission and reception.
  • the antenna is fixed to the hull by means of a part 12 in which tapped holes 120 have been made.
  • the invention proposes a hull sonar for a naval ship comprising a low-frequency directional transmitting antenna on site formed by a stack of piezoelectric rings mainly characterized in that it further comprises a receiving antenna. transparent and volume formed by at least two sets of omnidirectional hydropones distributed over two concentric cylindrical surfaces and coaxial with the transmitting antenna. According to another characteristic, hydrophones are broadband.
  • it comprises a set of sets of hydrophones on the same number of concentric cylindrical surfaces and coaxial with the transmitting antenna. According to another characteristic, the distribution of hydrophones on the cylindrical surfaces is random.
  • the distribution of hydrophones on the cylindrical surfaces is incomplete.
  • the transmitting antenna is suspended so as to remain vertical to overcome the rolling and pitching movements of the carrier building.
  • the transmit lobe of the transmit antenna is electronically stabilized.
  • reception signals of the hydrophones are processed electronically so as to form reception channels having the directivity characteristics of a baffled antenna.
  • a hydrophone distribution scheme according to the invention.
  • a specific transmitting antenna formed from prestressed piezoelectric rings and a specific receiving antenna formed from omnidirectional hydrophones placed on a light structure are combined.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of a sonar antenna according to the invention.
  • the transmission antenna 20 is formed of a stack of piezoelectric rings 201 whose diameter is adapted to the frequency transmitted.
  • the description of a transmitting antenna produced using this technique can be found in the French patent filed by the plaintiff on 10.03.1998 under number 98 02912, published on 17.09.1999 under number 2776 161, and issued on 26.05. 2000.
  • Each ring is controlled separately by means of a power amplifier so as to produce a downward emission lobe.
  • the rings are acoustically decoupled as described for example in the French patent filed by the plaintiff on October 14, 1994 under the number 94 12285, published on April 19, 1996 under the number 2,725,868, and issued on January 03, 1997.
  • the transmission frequency is equal to 2.5 kHz and 10 rings of 250 mm in height are stacked.
  • the width of the elevated lobe is then about 15 degrees and so as to ensure the verticality of the antenna despite the movements of the boat, the latter is connected to the boat by means of an articulated axis 202.
  • the emission lobe is electrically stabilized in a known manner by varying the phases of the ring control signals.
  • the reception antenna 21 is placed coaxially with that of transmission.
  • the hydrophones 210 are fixed to a structure 211 transparent to acoustic waves in the frequency band used.
  • This structure is made of 2 concentric cylinders on which the hydrophones are fixed in columns and staggered, as shown for example in Figure 3 where the black circles correspond to the hydrophones of the outer cylinder and the white circles to the hydrophones of the inner cylinder.
  • the hydrophones will be broadband so that the sonar can also operate in passive mode (reception of external sources) or in multistatic mode (reception of other transmitters).
  • the hydrophone signals are processed to form channels whose directivity characteristics are those of a baffled antenna.
  • we form channels having a cardioid directivity as described in the patent. French filed by the plaintiff on 26.09.86 under n ° 86 13485, published on 01.04.1988 under number 2604530, and issued on 28.11.1988.
  • the arrangement of the hydrophones on the 2 cylindrical supports can be random and / or incomplete (distance of several ⁇ , at the transmission frequency, between the hydrophones).
  • more than two cylinders can be used, thus forming a solid antenna.
  • an adaptive processing of the hydrophone signals can be implemented so as to reject the noise from the boat.

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Abstract

L'invention concerne les sonars de coque pour bâtiment naval. Elle consiste à associer un émetteur (20) formé d'anneaux cylindriques (201) à un récepteur formé d'au moins deux ensembles d'hydrophones (210) répartis sur deux surfaces cylindriques transparentes (211) coaxiales à l'émetteur. Elle permet de réduire le poids et le volume total de l'antenne et de s'affranchir de l'influence du facteur de qualité Q.

Description

SONAR DE COQUE POUR BATIMENT NAVAL
La présente invention se rapporte aux sonars actifs qui sont montés sur la coque d'un bâtiment naval, notamment sur celle d'un bateau de surface. Selon l'art antérieur, ce type de sonar est constitué, comme représenté sur la figure 1, d'une antenne cylindrique formée d'un support 10 sur lequel sont montées des colonnes de transducteurs 11. Généralement les transducteurs sont du type "Tonpilz" et assurent à la fois l'émission et la réception. L'antenne est fixée sur la coque par l'intermédiaire d'une pièce 12 dans laquelle ont été pratiqués des trous taraudés 120.
Pour des fréquences émises supérieures à plusieurs KHz, typiquement 5 kHz, une telle antenne reste de dimensions et de poids raisonnables. Pour des fréquences plus basses, entre 1 et 2 KHz par exemple, l'antenne devient trop lourde. De plus le facteur de qualité Q des transducteurs limite alors la bande de fréquence.
Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un sonar de coque pour bâtiment naval comprenant une antenne d'émission basse fréquence directive en site formée d'un empilement d'anneaux piézoélectriques principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre une antenne de réception transparente et volumique formée d'au moins deux ensembles d'hydrop ones omnidirectionnels répartis sur deux surfaces cylindriques concentriques et coaxiale à l'antenne d'émission. Selon une autre caractéristique, les hydrophones sont à large bande.
Selon une autre caractéristique, il comprend un ensemble d'ensembles d'hydrophones sur un même nombre de surfaces cylindriques concentriques et coaxiales à l'antenne d'émission. Selon une autre caractéristique, la répartition des hydrophones sur les surfaces cylindriques est aléatoire.
Selon une autre caractéristique, la répartition des hydrophones sur les surfaces cylindriques est lacunaire. Selon une autre caractéristique, l'antenne d'émission est suspendue de manière à rester verticale pour s'affranchir des mouvements de roulis et de tangage du bâtiment porteur.
Selon une autre caractéristique, le lobe d'émission de l'antenne d'émission est stabilisé de manière électronique.
Selon une autre caractéristique, les signaux de réception des hydrophones sont traités électroniquement de manière à former des voies en réception présentant les caractéristiques de directivité d'une antenne bafflée. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent :
- la figure 1 ; une vue ou perspective cavalière d'un sonar connu;
- la figure 2 ; une vue en coupe d'un sonar selon l'invention; et
- la figure 3 ; un schéma de répartition des hydrophones, selon l'invention. Selon l'invention, on combine une antenne spécifique d'émission formée d'anneaux piézoélectriques précontraints et une antenne spécifique de réception formée d'hydrophones omnidirectionnels placés sur une structure légère. Ainsi, il est possible d'émettre des fréquences plus basses dans un volume et avec un poids moindre et de s'affranchir de l'influence du facteur qualité Q pour obtenir une large bande en réception.
On a représenté sur la figure 2, une réalisation préférée d'une antenne sonar selon l'invention.
L'antenne d'émission 20 est formée d'un empilement d'anneaux piézoélectriques 201 dont ie diamètre est adapté à la fréquence émise. On trouvera la description d'une antenne d'émission fabriquée selon cette technique dans le brevet français déposé par la demanderesse le 10.03.1998 sous le n° 98 02912, publié le 17.09.1999 sous le numéro 2776 161, et délivré le 26.05.2000. Chaque anneau est commandé séparément au moyen d'un amplificateur de puissance de manière à réaliser un lobe d'émission en site vers le bas. Pour cela les anneaux sont découplés acoustiquemen comme décrit par exemple dans le brevet français déposé par la demanderesse le 14.10.1994 sous le n° 94 12285, publié le 19.04.1996 sous le numéro 2 725 868, et délivré le 03.01.1997.
Dans un exemple de réalisation, la fréquence d'émission est égale à 2,5 kHz et on empile 10 anneaux de 250 mm de hauteur. La largeur du lobe en site est alors d'environ 15 degrés et de manière à assurer la verticalité de l'antenne malgré les mouvements du bateau, celle-ci est reliée au bateau au moyen d'un axe articulé 202. On obtient de la sorte un mouvement pendulaire de l'antenne suivant le tangage et le roulis.
Suivant une variante de réalisation, le lobe d'émission est stabilisé électriquement de manière connue par variation des phases des signaux de commande des anneaux.
L'antenne de réception 21 est placée de manière coaxiale à celle d'émission. Suivant une réalisation préférée, les hydrophones 210 sont fixés sur une structure 211 transparente aux ondes acoustiques dans la bande de fréquence utilisée. Cette structure est faite de 2 cylindres concentriques sur lesquels les hydrophones sont fixés en colonnes et en quinconces, comme représenté par exemple sur la figure 3 où les cercles noirs correspondent aux hydrophones du cylindre extérieur et les cercles blancs aux hydrophones du cylindre intérieur.
Avantageusement, les hydrophones seront à large bande pour que le sonar aussi puisse fonctionner en passif (réception de sources extérieures) ou en multistatique (réception d'autres émetteurs). De manière connue, les signaux des hydrophones sont traités pour former des voies dont les caractéristiques de directivité sont celles d'une antenne bafflée. Notamment, en traitant des doublets d'hydrophones situés sur un même rayon, on forme des voies présentant une directivité cardioïde, comme décrit dans le brevet français déposé par la demanderesse le 26.09.86 sous le n° 86 13485, publié le 01.04.1988 sous le numéro 2604530, et délivré le 28.11.1988.
Selon une variante de réalisation, la disposition des hydrophones sur les 2 supports cylindriques peut être aléatoire et/ou lacunaire (distance de plusieurs λ, à la fréquence d'émission, entre les hydrophones).
Suivant une autre variante de réalisation, on peut utiliser plus de deux cylindres, pour former ainsi une antenne volumique.
Enfin un traitement adaptatif des signaux d'hydrophones peut être mis en œuvre de manière à rejeter le bruit du bateau.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Sonar de coque pour bâtiment naval comprenant une antenne d'émission (20) basse fréquence directive en site formée d'un empilement d'anneaux piézoélectriques (201) carctérisé en ce qu'il comprend en outre une antenne de réception transparente et volumique formée d'au moins deux ensembles d'hydrophones omnidirectionnels (210) répartis sur deux surfaces cylindriques concentriques et coaxiale à l'antenne d'émission.
2 - Sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hydrophones (210) sont à large bande.
3 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'ensembles d'hydrophones (210) sur un même nombre de surfaces cylindriques concentriques et coaxiales à l'antenne d'émission.
4 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la répartition des hydrophones (210) sur les surfaces cylindriques est aléatoire.
5 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la répartition des hydrophones (210) sur les surfaces cylindriques est lacunaire.
6 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'antenne d'émission (202) est suspendue de manière à rester verticale pour s'affranchir des mouvements de roulis et de tangage du bâtiment porteur.
7 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lobe d'émission de l'antenne d'émission (202) est stabilisé de manière électronique. 8 - Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les signaux de réception des hydrophones
(202) sont traités électroniquement de manière à former des voies en réception présentant les caractéristiques de directivité d'une antenne bafflée.
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