WO2013174649A1 - Ensemble de coque métallique pour véhicule discret ou furtif - Google Patents

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WO2013174649A1
WO2013174649A1 PCT/EP2013/059506 EP2013059506W WO2013174649A1 WO 2013174649 A1 WO2013174649 A1 WO 2013174649A1 EP 2013059506 W EP2013059506 W EP 2013059506W WO 2013174649 A1 WO2013174649 A1 WO 2013174649A1
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WO
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stiffeners
shell
assembly according
waves
resonant
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Application number
PCT/EP2013/059506
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English (en)
Inventor
Michel TRAN VAN NHIEU
Original Assignee
Thales
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Publication date
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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
    • B63G8/28—Arrangement of offensive or defensive equipment
    • B63G8/34—Camouflage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/537—Counter-measures or counter-counter-measures, e.g. jamming, anti-jamming

Definitions

  • the present invention relates to the field of vehicles comprising a metal shell and periodic stiffeners emitting an acoustic wave depending on the periodicity of the stiffeners. More particularly, the present invention relates to the field of stealth of aquatic vehicles such as submarines and the discretion of vehicles moving in the air, such as aircraft.
  • the presence of a vehicle can be detected by acoustic waves in two modes, a passive mode or an active mode.
  • a detector listens to the acoustic waves radiated by the metal shell of the vehicle.
  • the metal shell radiates an acoustic wave because the shell is excited, for example by the flow of fluid on its surface or by mechanical vibrations. Acoustic waves radiate in a very wide frequency band. To make the vehicle less detectable in this case, the concept of discretion is used.
  • the detector integrates in time the energy of the acoustic signal emitted by the shell.
  • a detector is capable of detecting a signal over a wide range of acoustic frequencies, including low frequencies.
  • an acoustic wave is emitted, is reflected on the metal shell, giving rise to a diffracted acoustic wave, which is likely to be detected.
  • the diffracted signal is called echo.
  • the detection in the active mode can be done by correlation between the transmitted signal and the reflected signal (called coherent processing).
  • coherent processing because the transmitted signal and the reflected signal are available, which have a phase relation between them. To make the vehicle less detectable in this case, the concept of stealth is used.
  • the vehicle becomes stealthy when the echo is either fully attenuated or partially attenuated and scrambled, ie when the echo is decorrelated from the transmission signal and has a spectrum having a high frequency random dispersion.
  • An existing solution to dampen the echo is to dampen the vibrations of the hull.
  • damping structures it is sought to mitigate the vibrations of the shell by adding thereto devices for increasing the damping coefficient.
  • a sandwich damping structure is used in which a viscoelastic layer is inserted between two metal layers, the damping being obtained by working the viscoelastic layer in shear.
  • hull coatings that absorb sound.
  • coatings There are three categories of coatings: abrupt impedance matching, progressive impedance matching and resonant inclusion coatings.
  • the coating consists of heterogeneous material formed by a viscoelastic matrix in which inclusions are scattered, which induces a double effect of attenuation and diffusion.
  • the attenuation of the energy is realized in the matrix and the diffusion by the inclusions.
  • the impedance matching is only performed at the fluid-coating interface, in the second case the impedance matching is progressive, allowing the use of matrices with attenuation effect. more important (eg multilayer or pyramidal structures).
  • a disadvantage of the first two categories of solutions is that, in general, the thicknesses necessary for these materials are proportional to the wavelength, and therefore become impossible to achieve in practice at very low frequencies, ie below 1 to 2 kHz in Underwater Acoustics, because of their mass and their size.
  • a disadvantage of this type of coating is that it is highly dependent on external parameters such as temperature, hydrostatic pressure, etc.
  • the present invention aims to overcome the aforementioned drawbacks, by proposing a solution for broadband attenuation of the acoustic wave radiated, operating at very low frequencies, independent of the parameters outside the vehicle and a size compatible with the dimensions of the vehicles that we want to make discreet or furtive.
  • the present invention is applicable to discretion and stealth.
  • a substantially metal vehicle body shell of revolution along a longitudinal axis comprising stiffeners in a substantially periodic distribution having a period and comprising a plurality of resonant annular acousto-mechanical elementary structures. indexed, arranged respectively according to a plurality of positions along the longitudinal axis and respectively having a plurality of resonant frequencies, a metal inner layer having an internal acoustic impedance and a radial inner thickness, a layer intermediate having an intermediate acoustic impedance and a radial intermediate thickness, an outer layer formed of a portion of the shell of length substantially equal to said period and centered on said longitudinal position.
  • the intermediate acoustic impedance is less than or equal to one twentieth of the internal impedance
  • at least one of the resonance frequencies of an elementary structure is included in a determined frequency band comprising frequencies of the acoustic waves depending on the periodic distribution of the stiffeners
  • at least one of the radial thicknesses is variable according to the index so that the resonance frequencies associated with the radial thicknesses are also variable.
  • At least one structure of the assembly is disposed between two stiffeners.
  • At least one structure of the assembly is respectively disposed in replacement of a stiffener.
  • an outer layer of at least one resonant structure further comprises a stiffener directly attached to the shell.
  • each resonant structure comprises a stiffener directly attached to the shell.
  • the structures have a substantially identical internal radial thickness.
  • the elastic layer comprises a homogeneous material.
  • the elastic layer comprises an inhomogeneous material.
  • the inhomogeneous material is a honeycomb structure.
  • at least one of the radial thicknesses of the assembly is variable as a function of the index according to a random distribution law, so as to obtain associated resonance frequencies that are also randomly distributed.
  • the random distribution law is a statistical mathematical law of given probability.
  • the positions of the structures have a random distribution along the longitudinal axis.
  • the vehicle of the assembly is an aircraft and the acoustic waves are Bloch-Floquet type waves equal to the structural waves resulting from the excitation of the hull by a flow of air over its surface. or by mechanical vibrations, which propagate on its surface and are radiated in contact with said stiffeners.
  • the vehicle of the assembly is a submerged submarine which receives an incident acoustic wave and in which the acoustic waves comprise a Bragg-type diffracted acoustic wave and Bloch-Floquet-type waves equal to the waves of structure resulting from the excitation of the shell by the incident acoustic wave, propagate on the surface of said shell, are diffracted in contact with said stiffeners and in phase with said incident acoustic wave.
  • FIG. 1 describes a shell assembly metal vehicle according to the invention seen in profile.
  • FIG. 2 describes the assembly according to the invention according to three cross sections in the Oxy plan.
  • FIG. 3 represents an example of an assembly according to the invention seen in profile in the Oyz plane.
  • FIG. 4 describes a variant in which each of the resonant structures is arranged in replacement of a periodic stiffener
  • FIG. 5 describes a particular case of the variant of FIG. 4 in which all the stiffeners are replaced by resonant structures according to the invention
  • FIG. 6 describes a variant in which each of the bilayer structures is fixed to a periodic stiffener
  • FIG. 7 describes a particular case of the variant of FIG. 6 in which all the stiffeners comprise a bilayer structure
  • FIG. 8 describes an example of elementary resonant structure
  • FIG. 9 illustrates the far-field diffracted pressure of a cylindrical metal shell provided with metal stiffeners
  • FIG. 10 describes the calculated values of resonant frequencies corresponding to the resonant structures according to the invention
  • FIG. 11 illustrates the diffracted pressure in the far field of a metal cylinder shell provided with metal stiffeners and resonant structures according to a variant of the invention
  • the far-field diffracted acoustic pressure is calculated using a mathematical modeling, as a function of the frequency of the incident acoustic wave f / inc, and the angle at which the wave is incident on the cylinder, angle / inc, marked with respect to the longitudinal axis z of the cylinder.
  • the detector In monostatic detection, the detector is positioned at the same point as the emitter of the incident wave, therefore at the same angle.
  • the diffracted acoustic pressure has an energy E which is a function of f / inc and angle / inc, illustrated in FIG. 2 of the aforementioned publication.
  • the gray scale associated with the point considered in the plane (f, angle) corresponds to the amplitude of the energy of the acoustic wave diffracted at this point.
  • Bloch Floquet waves are structural waves resulting from the mechanical excitation of the metal cylinder, which propagate on the surface and are diffracted by the periodic structure of the stiffeners. It is a structural wave related to the periodicity of the stiffeners.
  • the Bragg diffraction of the acoustic wave incident on the stiffener array is a purely geometric effect, which does not implement the vibrations of the cylinder.
  • This effect is obtained by attenuating (for a discreet application) and possibly also by scrambling (for a stealth application) the Bloch-Floquet waves.
  • the stealth application it is also intended to attenuate the Bragg diffraction of the acoustic wave incident on the stiffener network.
  • the Bloch-Floquet waves present on the surface of the shell and radiated by the stiffeners are acoustic waves whose characteristics depend on the periodic distribution of the stiffeners. These waves are attenuated thanks to the resonant structures according to the invention, which absorb the energy efficiently in a narrow band around their resonant frequencies.
  • the immersion ship necessarily has a network of stiffeners to withstand the very strong external pressure.
  • the waves of Bloch-Floquet, resulting from the mechanical excitation of the shell by the incident acoustic wave, and diffracted by the stiffeners are therefore also important in a plurality of determined frequency bands (which we will call A, B ... ) whose meeting is known as Deltaf Band 1.
  • Bragg diffraction of the incident wave is also important in a determined Deltaf2 frequency band.
  • the amplitude of the diffracted acoustic field is maximum when there is a phase agreement between the incident wave and either the free waves of Bloch-Floquet which propagate along the hull, or the geometrical reflections on the stiffeners periodic (Bragg diffraction phenomenon).
  • Bloch-Floquet waves and Bragg diffraction depend on the periodic distribution of stiffeners and the nature of shell materials and stiffeners.
  • the Deltaf determined frequency band is in this case the sum, which is equivalent to the union of the two Deltafl and Deltaf2 bands, which generally overlap at least partially.
  • Deltaf Delfaf 1 U Deltaf2
  • FIG. 1 depicts a vehicle metal hull assembly according to the invention seen in profile and viewed from the outside.
  • the hull is substantially of revolution about a longitudinal axis z.
  • the assembly according to the invention comprises a plurality of resonant structures, indexed by the index i.
  • the resonant index structure i is called SEi.
  • an elementary structure SE1 is described in FIG. 2a
  • an elementary structure SE2 is described in FIG. 2b
  • an elementary structure SEi is described in FIG. 2c.
  • a resonant structure according to the invention is multi layer. It comprises a portion of the shell that participates in the general vibratory state in the vicinity of the resonant structure and two layers that conform to the shape of the shell in the transverse plane in which they are arranged.
  • the shell portion and each of the two layers are in annular section, the structures according to the invention are therefore annular and arranged along the z axis.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c are shown in section a portion of the metal shell 10, the metal inner layer 13 and the intermediate layer 12 located between the portion of the shell 10 and the metal layer 13.
  • the inner metal layer 12 has a variable radial thickness Hsi according to the index i of the structure SEi.
  • the structure SE2 has a radial internal thickness Hs2.
  • the inner metal layer has an acoustic impedance Zs.
  • the intermediate layer 13 has a variable radial thickness Hei according to the index i of the structure SEi.
  • the intermediate layer has an acoustic impedance Ze.
  • the structures according to the invention comprise an annular metallic inner layer, and thus also perform a function of reinforcing the mechanical strength of the shell (stiffener). These structures have a stiffening effect as important as the purely metallic stiffeners. These structures have the advantage of contributing to strengthening the hull.
  • the positioning of the structures according to the invention with respect to the stiffeners can be carried out according to different variants as described below.
  • FIG. 3 represents an example of an assembly according to the invention seen in profile in the Oyz plane, representing by way of example the elementary structures SE1, SE2 and SEi.
  • the structure SEi replaces a stiffener 30, the elementary structures SE1 and SE2 are located between the stiffeners.
  • At least one resonant structure is arranged between the periodic stiffeners.
  • At least one resonant structure is arranged instead of a periodic stiffener respectively.
  • each of the resonant structures is arranged in replacement of a periodic stiffener, as illustrated in FIG. 4.
  • a particular case of this variant is that all the stiffeners are replaced by resonant structures SE, as illustrated by way of non-limiting example in FIG. 5.
  • the mechanical strength of the shell is in this case exclusively provided by the bilayer structure of the intermediate layer / inner layer type.
  • the outer layer of at least one resonant structure comprises a stiffener.
  • the intermediate layer 12 of at least one resonant structure is thus fixed on a stiffener 30.
  • the resonant structure to be considered comprises the stiffener, in addition to the portion of the shell considered.
  • the implementation of the invention is compatible with existing vehicles comprising stiffeners. Another advantage is that the implementation of the invention has a small footprint. Another advantage is that the resonant structure has a better attenuation efficiency because the counterweight bilayer structure is directly attached to the stiffeners generating the acoustic waves that are sought to mitigate and possibly scramble.
  • each of the bilayer structures is attached to a periodic stiffener, as shown in Fig. 6.
  • a periodic stiffener as shown in Fig. 6.
  • stiffeners 30 comprise a bilayer structure, as illustrated in FIG. 7: the number of resonant structures SE and stiffeners is in this case identical.
  • the resonant structures according to the invention have a plurality of resonance frequencies FR 1, where k is an index of the resonance frequencies of the index structure i, and are optimized as follows.
  • the intermediate elastic layer works in traction-compression and not in shear. Its function is to transmit the vibrations of the shell to the metal layer 13, which has a "heavy" mass, so as to modify, by mechanical coupling between the shell portion in the vicinity of the elastic layer and the metal layer 13, the vibratory behavior of the entire hull.
  • This operation is obtained by choosing an acoustic impedance of the intermediate layer Ze very low compared to the acoustic impedance Zs of the inner metal layer.
  • the intermediate layer has an acoustic impedance Ze less than or equal to one twentieth of the acoustic impedance Zs illustrated by the formula:
  • C is the longitudinal propagation velocity of the sound in the material.
  • a low acoustic impedance Ze is for example obtained with rubber or polystyrene
  • the structures according to the invention have an effect all the more important on the vibrations of the shell that the overall mass of the inner ring associated with each structure is important (counterweight effect).
  • a "heavy" metal material is chosen, which has a high density.
  • the overall mass of all the internal metal rings must at least be greater than or equal to 5% of the overall weight of the shell (possibly including the weight of the stiffeners if the shell comprises stiffeners).
  • the metal has, in addition to a high density, a high acoustic impedance, which has the advantage of better coupling the vibrations of the inner layer with the shell.
  • the values of the heights Hei and Hsi of the structure SEi make it possible to determine, taking also into account the parameters of the shell and the stiffeners (geometry, dimensions, acoustic impedance, period p), the values of the different resonance frequencies FRi, k.
  • the resonant structure comprises, in addition to the two-layer structure, the stiffener to which it is attached and a portion of the shell 80 of length equal to the period p and centered on this stiffener. as shown in Figure 8.
  • the resonance frequencies of a SEi structure are calculated by solving the differential system formed by the vibration equations, described by the theory of thin shells, the shell and the inner layer which is considered as a ring and by the movements of the particles of the elastic layer described by the theory of linear elasticity.
  • the action of the external fluid on the vibrations of these structures is negligible for the air; on the other hand, for water which is a heavy fluid, it is necessary to take into account in the equations the pressure of the surrounding fluid on the shell.
  • each resonant structure on the shell is maximum at the resonant frequency of the system consisting of a shell portion (optionally including a stiffener), the intermediate layer and the inner layer.
  • This action has the effect of modifying and locally mitigating the vibration of the shell by transmitting the characteristics of the layer internally via the elastic layer by mechanical coupling, at this frequency and at the location of the resonant structure.
  • the vibrations of the whole shell are significantly attenuated and modified, and thus the spectrum of the diffracted pressure in this frequency range is also modified.
  • the radial internal thickness Hsi is substantially identical for all the structures SEi.
  • One advantage is that the construction of the structure is made at a lower cost, using metal rings of identical size as internal layers. Only the radial intermediate thickness is variable from one structure to another.
  • the elastic layer comprises a homogeneous material.
  • the production of structures according to the invention is made at low cost, using known and inexpensive elastic materials such as rubber.
  • the elastic layer comprises an inhomogeneous material.
  • the inhomogeneous materials make it possible to obtain acoustic impedances that are lower than those of the homogeneous materials and thus to obtain lower resonant frequencies, with a lighter weight and possibly a better mechanical resistance in compression.
  • the inhomogeneous material is a honeycomb structure.
  • the radial internal thickness and / or the radial intermediate thickness is variable as a function of the index i according to a random distribution law, so as to obtain associated resonance frequencies (FRi, k) also randomly distributed .
  • the randomness, from one structure to another, of the resonance frequencies creates a random frequency dispersion of the echo spectrum and decorrelates the echo of the emitted signal, which decreases its energy after coherent processing.
  • the random distribution of at least one of the radial thicknesses Hsi, Hei of the structures according to the invention also breaks the diffraction effect of the network of periodic stiffeners, attenuating the Bragg diffraction of the incident acoustic wave.
  • the random distribution law follows a statistical mathematical law of given probability. This allows to calculate and then practically achieve the structures of the invention.
  • An example is a uniform probability density of the resonant frequencies in the frequency band studied.
  • Another example is a normal probability density (Gaussian).
  • the resonant structures according to the invention are arranged randomly along the longitudinal axis (z).
  • the random distribution of the structures according to z creates a random frequency spread of the pressure, disperses the diffracted energy in frequencies outside the Deltaf band and induces a random phase shift which renders the correlation inoperative.
  • the interference is thus improved with in addition a decrease in Bragg diffraction.
  • the randomness of the resonant frequencies is along the longitudinal axis z is also advantageous for discretion in the case of low attenuation, because it increases the interference effect by superimposing the random characters of the resonance frequencies with a statistical variation distances between the resonant structures.
  • the Bloch-Floquet type waves are attenuated by said structures according to the invention.
  • the Bloch-Floquet waves are structural waves resulting for example from the excitation of the hull of the aircraft by a flow of air on its surface or by mechanical excitation. These waves propagate on the surface of the shell and are radiated in contact with the stiffeners. These waves present maximas when there is a phase agreement, ie when the projection of the radiated wave number on the axis of the shell is equal to the sum of the Bloch-Floquet wave number plus a number integer times of 2 ⁇ / ⁇ . The amplitude maxima depend on the intensity of the mechanical excitations on the hull.
  • an additional optimization parameter is available: the period p of the stiffeners. Indeed, an aircraft is not subjected to the same pressure resistance constraints as a submarine, and this parameter is adjustable so as to concentrate the energy of the Bloch-Floquet waves in the Deltaf frequency band where the it is desired to attenuate the vibrations of the hull.
  • the resonance frequencies of the structures according to one aspect of the invention are calculated to be included in the Deltaf band.
  • the period p of the stiffeners is an imposed parameter.
  • the submarine receives an incident acoustic wave.
  • the incident acoustic wave is diffracted by the stiffener array.
  • the phenomenon of Bragg diffraction appears when there is a phase agreement between the incident wave and the stiffener array, that is to say when the projection of the incident wave number on the axis of the shell is equal to an integer times of ⁇ / ⁇ .
  • the acoustic wave corresponding to the Bragg diffraction thus has amplitude maxima in the (f, angle) plane as previously described when the diffracted wave has a phase agreement with the incident wave. In monostatic configuration, this wave is in a given Deltaf2 frequency band.
  • the Bloch-Floquet waves in this case are structural waves resulting from the excitation of the submarine's hull by the acoustic wave incident on its surface, which propagate on the surface of the hull and which are diffracted by contact stiffeners.
  • the Bloch-Floquet waves that have a maximum amplitude are those that have a phase agreement with the incident and diffracted acoustic waves, that is to say when the projection of the incident and diffracted wave number on the axis of the shell is equal to the sum of the wave number of Bloch-Floquet plus an integer times of 2 ⁇ / ⁇ .
  • These waves have frequencies in a plurality of frequency bands whose meeting is called Deltafl.
  • a resonant structure SE i of index i according to the invention has a plurality of resonance frequency FRi, where k is the number of resonance frequencies of the index structure i.
  • At least one resonance frequency FRi, k is determined so as to be included in the frequency band
  • Deltaf equals the meeting of delf 1 and Deltaf2:
  • the coherent detection in the active mode is made by correlation between the transmitted signal and the echo received. Considered in isolation, a strong attenuation of network effects would make it difficult if not impossible to identify the target.
  • An advantage of the invention is that it scrambles the echo passively by achieving a much lower attenuation than the attenuation necessary on its own to make it impossible to identify the target.
  • the calculation is extrapolable to a cylinder of larger size, the calculated frequencies being in this case lower than for the small cylinder.
  • a metal cylinder with a radius of 6.92 cm and a length of 85.6 cm and a thickness of 0.635 mm in nickel is considered, provided with periodic stiffeners also in nickel.
  • the stiffeners have a width of 0.533 mm and a radial thickness of 5.7 mm.
  • FIG. 9 illustrates the far-field diffracted pressure, without the contribution of the compression and torsion waves, in a monostatic configuration as a function of the angle of incidence of the incident acoustic wave and the frequency of the incident acoustic wave. .
  • the amplitudes are normalized with respect to the incident pressure and expressed in dB. Pr is the diffracted acoustic energy and Pi is the incident acoustic energy.
  • the black dots in Figure 9 correspond to points where:
  • a zone of maxima 93 is noted around a 90 ° angle, which corresponds essentially to the specular reflection for an incident wave along the x axis perpendicular to the longitudinal axis z, for which the specular reflection is returned according to the same angle of incidence 90 °.
  • the zones denoted 92 correspond to the maximums resulting from the waves of Bloch-Floquet.
  • Deltaf2 is partially included in A, only the part [95 kHz; 100 kHz] of Deltaf2 is not included in A. So we have:
  • each stiffener is associated with a resonant system SEi according to the invention, which corresponds to the variant described in FIG. 7.
  • the index i then indexes both the structures and the stiffeners: i is an integer between 0 to 80.
  • FIG. 10 describes a resonant frequency FRi of the resonant structure SEi computed as a function of the index i of the resonant structure.
  • the resonance structures according to the invention have several resonant frequencies, depending on the circumferential mode and the thin shell equations adopted to describe the vibrations of the structures.
  • the intermediate layer is a rubber layer with a random radial thickness Hei of between 1 mm and 5 mm depending on the index i of the structures SEi.
  • the inner layer is a nickel metal layer of identical radial thickness Hs for all SEi structures and equal to 0.48mm.
  • the total mass of all internal metal layers is equal to 30% of the mass of the shell plus the mass of the stiffeners.
  • the calculated resonance frequencies FRi of the structures SEi are included in the chosen band, between 45 kHz and 100 kHz, as described in FIG. 10. Indeed, it can be seen in FIG. 10 that at least one resonant frequency FRi of each structure SEi is included in the selected frequency band [45 kHz; 100 kHz]. The values of these frequencies have a random distribution as a function of i according to a uniform probability density.
  • FIG. 11 illustrates the diffracted pressure in the far field by the metal cylinder provided with the resonant structures according to the invention of the example described above.
  • the simulated diffracted field of the waves of Bloch Floquet 92 is strongly attenuated and scrambled for the frequencies included in the chosen band, between 45 kHz and 100 kHz.
  • the Bragg diffraction 91 is simply attenuated and not scrambled as are the Bloch-Floquet waves.

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Abstract

L'invention concerne un ensemble de coque métallique de véhicule de révolution selon un axe longitudinal comprenant des raidisseurs selon une répartition périodique présentant une période et comprenant une pluralité de structures élémentaires acousto-mécaniques annulaires résonnantes indexées selon un index, disposées selon respectivement une pluralité de positions selon l'axe longitudinal et présentant respectivement une pluralité de fréquences de résonance, une couche interne métallique présentant une impédance acoustique interne et une épaisseur interne radiale, une couche intermédiaire présentant une impédance acoustique intermédiaire et une épaisseur intermédiaire radiale, une couche externe formée d'une portion de la coque de longueur sensiblement égale à ladite période et centrée sur ladite position longitudinale. De plus au moins une des fréquences de résonances d'une structure élémentaire est comprise dans une bande de fréquence déterminée comprenant des fréquences des ondes acoustiques dépendant de la répartition périodique des raidisseurs, et au moins une des épaisseurs radiales est variable en fonction de l'index de sorte que les fréquences de résonances associées aux épaisseurs radiales soient également variables.

Description

Ensemble de coque métallique pour véhicule discret ou furtif
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des véhicules comprenant une coque métallique et des raidisseurs périodiques émettant une onde acoustique dépendant de la périodicité des raidisseurs. Plus particulièrement, la présente invention concerne de domaine de la furtivité des véhicules aquatiques tels que des sous-marins et la discrétion des véhicules se déplaçant dans l'air, tels les aéronefs.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La présence d'un véhicule peut être détectée par des ondes acoustiques selon deux modes, un mode passif ou un mode actif.
Dans le mode passif, un détecteur écoute les ondes acoustiques rayonnées par la coque métallique du véhicule. La coque métallique rayonne une onde acoustique du fait que la coque est excitée, par exemple par l'écoulement du fluide sur sa surface ou par des vibrations mécaniques. Les ondes acoustiques rayonnent dans une très large bande de fréquence. Pour rendre le véhicule moins détectable dans ce cas, on emploie la notion de discrétion. Dans le mode de détection incohérente, le détecteur intègre dans le temps l'énergie du signal acoustique émis par la coque. Un détecteur est capable de détecter un signal sur une large bande de fréquences acoustiques, y compris les basses fréquences.
Il n'existe pas de système actuel capable d'atténuer le signal acoustique aux très basses fréquences.
Dans le mode actif, une onde acoustique est émise, se réfléchit sur la coque métallique, ce qui donne naissance à une onde acoustique diffractée, qui est susceptible d'être détectée. Le signal diffracté est dénommé écho. Lorsque l'émetteur et le récepteur sont situés au même point, on parle de détection mono-statique, lorsque l'émetteur et le récepteur sont situés en des points différents, on parle de détection bi-statique.
La détection dans le mode actif peut s'effectuer par corrélation entre le signal émis et le signal réfléchi (appelé traitement cohérent). La détection est cohérente, du fait que l'on dispose du signal émis et du signal réfléchi, qui ont une relation de phase entre eux. Pour rendre le véhicule moins détectable dans ce cas, on emploie la notion de furtivité.
Le véhicule devient furtif lorsque l'écho est soit complètement atténué, soit partiellement atténué et brouillé, c'est à dire lorsque l'écho est décorrélé du signal d'émission et présente un spectre ayant une forte dispersion fréquentielle aléatoire.
Une solution existante pour atténuer l'écho consiste à amortir les vibrations de la coque. Dans les structures amortissantes, on cherche à atténuer les vibrations de la coque en ajoutant à celles-ci des dispositifs pour augmenter le coefficient d'amortissement. Par exemple on utilise une structure amortissante en sandwich dans laquelle une couche viscoélastique est insérée entre deux couches métallique, l'amortissement étant obtenu en faisant travailler la couche viscoélastique en cisaillement.
Une autre solution existante pour atténuer l'onde acoustique consiste à utiliser des revêtements de coque qui absorbent le son. On distingue trois catégories de revêtements, les revêtements à adaptation brusque d'impédance, à adaptation progressive d'impédance et à inclusions résonnantes.
Dans les deux premières catégories, le revêtement est constitué de matériau hétérogène formé par une matrice viscoélastique dans laquelle sont disséminées des inclusions, ce qui induit un double effet d'atténuation et de diffusion. L'atténuation de l'énergie est réalisée dans la matrice et la diffusion par les inclusions. Alors que dans le premier cas l'adaptation d'impédance est seulement réalisée à l'interface fluide-revêtement, dans le deuxième cas l'adaptation d'impédance est progressive, ce qui permet d'utiliser des matrices ayant un effet d'atténuation plus important (par exemple multicouches ou structures pyramidales). Un inconvénient des deux premières catégories de solutions est que, de manière générale, les épaisseurs nécessaires pour ces matériaux sont proportionnelles à la longueur d'onde, et deviennent donc impossibles à réaliser en pratique aux très basses fréquences soit en dessous de 1 à 2 kHz en Acoustique Sous Marine, du fait de leur masse et de leur encombrement.
Il est cependant possible de réaliser des revêtements moins épais que les précédents, en utilisant des revêtements selon la troisième catégorie, à inclusions résonnantes, plus efficaces à basses fréquences. L'énergie est dans ce cas principalement absorbée par la matrice aux fréquences de résonance des inclusions, qui sont souvent de taille différentes pour élargir la bande de fréquence utile.
Un inconvénient de ce type de revêtement est qu'il est fortement dépendant des paramètres extérieurs tels que la température, la pression hydrostatique...
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients précités, en proposant une solution pour atténuer sur une large bande l'onde acoustique rayonnée, fonctionnant aux très basses fréquences, indépendantes des paramètres extérieurs au véhicule et d'un encombrement compatible avec les dimensions des véhicules que l'on souhaite rendre discrets ou furtifs. La présente invention est applicable à la discrétion et à la furtivité.
Cet objectif est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un ensemble de coque métallique de véhicule sensiblement de révolution selon un axe longitudinal comprenant des raidisseurs selon une répartition sensiblement périodique présentant une période et comprenant une pluralité de structures élémentaires acousto-mécaniques annulaires résonnantes indexées selon un index, disposées selon respectivement une pluralité de positions selon l'axe longitudinal et présentant respectivement une pluralité de fréquences de résonance, une couche interne métallique présentant une impédance acoustique interne et une épaisseur interne radiale, une couche intermédiaire présentant une impédance acoustique intermédiaire et une épaisseur intermédiaire radiale, une couche externe formée d'une portion de la coque de longueur sensiblement égale à ladite période et centrée sur ladite position longitudinale. De plus, l'impédance acoustique intermédiaire est inférieure ou égale à un vingtième de l'impédance interne, au moins une des fréquences de résonance d'une structure élémentaire est comprise dans une bande de fréquences déterminée comprenant des fréquences des ondes acoustiques dépendant de la répartition périodique des raidisseurs, et au moins une des épaisseurs radiales est variable en fonction de l'index de sorte que les fréquences de résonance associées aux épaisseurs radiales soient également variables.
Dans un mode de réalisation, au moins une structure de l'ensemble est disposée entre deux raidisseurs.
Dans un mode de réalisation, au moins une structure de l'ensemble est respectivement disposée en remplacement d'un raidisseur.
Dans un mode de réalisation, une couche externe d'au moins une structure résonnante comprend en outre un raidisseur directement fixé à la coque.
Dans un mode de réalisation chaque structure résonnante comprend un raidisseur directement fixé à la coque.
Avantageusement, les structures ont une épaisseur interne radiale sensiblement identique Selon une variante, la couche élastique comprend un matériau homogène. Selon une variante, couche élastique comprend un matériau inhomogène. Avantageusement, le matériau inhomogène est une structure en nid d'abeilles. Selon une variante, au moins une des épaisseurs radiales de l'ensemble est variable en fonction de l'index selon une loi de répartition aléatoire, de manière à obtenir des fréquences de résonance associées également aléatoirement réparties.
Avantageusement, la loi de répartition aléatoire est une loi mathématique statistique de probabilité donnée. Selon une variante, les positions des structures ont une répartition aléatoire selon l'axe longitudinal. Selon un mode de réalisation, le véhicule de l'ensemble est un aéronef et les ondes acoustiques sont des ondes de type Bloch-Floquet égales aux ondes de structure issues de l'excitation de la coque par un écoulement de l'air sur sa surface ou par des vibrations mécaniques, qui se propagent à sa surface et sont rayonnées au contact desdits raidisseurs.
Selon un mode de réalisation, le véhicule de l'ensemble est un sous-marin immergé qui reçoit une onde acoustique incidente et dans lequel les ondes acoustiques comprennent une onde acoustique diffractée de type Bragg et des ondes de type Bloch-Floquet égales aux ondes de structure issues de l'excitation de la coque par l'onde acoustique incidente, se propagent à la surface de ladite coque, sont diffractées au contact desdits raidisseurs et en accord de phase avec ladite onde acoustique incidente.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés données à titre d'exemple non limitatifs et sur lesquels : -la figure 1 décrit un ensemble de coque métallique de véhicule selon l'invention vu de profil.
-la figure 2 décrit l'ensemble selon l'invention selon trois coupes transversales dans le plan Oxy
-la figure 3 représente un exemple d'ensemble selon l'invention vu de profil dans le plan Oyz
-la figure 4 décrit une variante où chacune des structures résonnantes est disposée en remplacement d'un raidisseur périodique
-la figure 5 décrit un cas particulier de la variante de la figure 4 où tous les raidisseurs sont remplacés par des structures résonnantes selon l'invention -la figure 6 décrit une variante où chacune des structures bicouche est fixée à un raidisseur périodique
-la figure 7 décrit un cas particulier de la variante de la figure 6 où tous les raidisseurs comprennent une structure bicouche -la figure 8 décrit un exemple de structure résonnante élémentaire
-la figure 9 illustre la pression diffractée en champ lointain d'une coque cylindrique métallique munie de raidisseurs métalliques,
-la figure 10 décrit les valeurs calculées de fréquences de résonance correspondant aux structures résonnantes selon l'invention
-la figure 11 illustre la pression diffractée en champ lointain d'une coque cylindre métallique muni de raidisseurs métalliques et de structures résonnantes selon une variante de l'invention
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On va tout d'abord expliciter un effet modélisé dans les coques cylindriques métalliques munies de raidisseurs périodiques.
La publication « Scattring from a ribbed finite cylindrical shell with internai axisymmetric oscillators" Michel tran-Van-Nhieu, Journal of Acoustical Society of America n°112 (2), August 2002, p. 402-410 décrit une étude purement théorique sur le champ acoustique diffracté par une coque métallique cylindrique munie de raidisseurs ("ribs" en anglais").
La pression acoustique diffractée en champ lointain, dit « backscattering » en anglais, est calculée à l'aide d'une modélisation mathématique, en fonction de la fréquence de l'onde acoustique incidente f/inc, et de l'angle selon lequel l'onde est incidente sur le cylindre, angle/inc, repéré par rapport à l'axe longitudinal z du cylindre. En détection monostatique, le détecteur est positionné au même point que l'émetteur de l'onde incidente, donc selon le même angle.
La pression acoustique diffractée présente une énergie E qui est fonction de f/inc et de angle/inc, illustrée sur la figure 2 de la publication précitée.
L'échelle de gris associé au point considéré dans le plan (f, angle) correspond à l'amplitude de l'énergie de l'onde acoustique diffractée en ce point.
On constate un maxima (blanc) de l'énergie E à un angle de 90°, pour l'ensemble des valeurs de fréquences considérées. Ce maxima correspond essentiellement à la réflexion spéculaire de l'onde incidente sur le cylindre à un angle de 90° soit perpendiculairement à son axe, qui est réfléchie selon ce même angle.
Sur la figure 2 on constate que certaines zones du plan (f, angle) présentent des maximas d'énergie acoustique. Ces zones correspondent à la signature fréquentielle d'effets particuliers.
Des zones spécifiques correspondent aux maximas des ondes de Bloch- Floquet (voir figure 2 et figure 4 de la publication précitée). Les ondes de Bloch Floquet sont des ondes de structure issues de l'excitation mécanique du cylindre métallique, qui se propagent en surface et qui sont diffractée par la structure périodique des raidisseurs. Il s'agit d'une onde de structure liée à la périodicité des raidisseurs.
Les maximas de ces ondes sont fonction :
-des caractéristiques géométriques et mécaniques du cylindre et des nervures
-de l'impédance acoustique des matériaux constituant la coque et les raidisseurs
- de la périodicité des raidisseurs.
Des zones spécifiques correspondent à la diffraction de Bragg (voir figure 2 et figure 4 de la publication précitée) de l'onde acoustique incidente.
La diffraction de Bragg de l'onde acoustique incidente sur le réseau de raidisseurs est un effet purement géométrique, qui ne met pas en œuvre les vibrations du cylindre.
Dans le modèle de la publication précitée, des structures situées à l'intérieur du cylindre métallique sont modélisées par des systèmes masse/ressort. Ces structures modélisent les pieds de support des objets à bord qui sont montés sur des systèmes antivibratoires pour réduire les bruits rayonnés par la coque, comme cela est le cas dans les sous marins par exemple. Dans la publication précitée, on a supposé que ces pieds de support qui sont en contact avec la coque, sont de révolution axiale pour pouvoir résoudre le problème théoriquement. Il s'agit d'une hypothèse simplificatrice car ils ne sont pas en général de révolution mais occupent plutôt une surface ponctuelle Les structures masse/ressort sont supposées réparties de manière aléatoire selon l'axe z. Un système masse-ressort a une fréquence de résonance unique (dans la publication p 407), et les masses accrochées aux ressorts sont supposées toutes identiques dans la publication (page 408).
Dans certaines conditions de fréquence de résonance des ressorts et de valeur des masses, il est constaté une modification de l'onde acoustique réfléchie par le cylindre, prenant une forme de « christmas tree » (figure 7). Lorsque les masses sont suffisamment importantes (figure 8), il est constaté que le diagramme d'énergie diffractée est majoritairement fonction des mouvements de la coque dû aux systèmes masse/ressort, au détriment des autres signatures.
Ainsi, cette étude théorique modélise l'influence de la présence de systèmes masse/ressort à l'intérieur d'un cylindre métallique muni de raidisseurs périodiques sur l'onde acoustique réfléchie sur ce cylindre. Cette publication constate un effet, et ne propose pas de dispositif pratique capable de mettre en œuvre le concept d'atténuation des ondes de structures et de la diffraction de Bragg avec un dispositif peu encombrant, fonctionnant aux basses fréquences et indépendant des paramètres extérieurs. Le cas de la discrétion n'est également pas abordé. La présente invention propose un ensemble de coque métallique de véhicule comprenant des raidisseurs périodiques et muni de structures résonnantes destinées à rendre l'ensemble discret et/ou furtif. Les paramètres géométriques et acoustiques de ces structures sont choisis de manière à obtenir un effet optimal.
Cet effet est obtenu en atténuant (pour une application discrétion) et éventuellement en plus en brouillant (pour une application furtivité) les ondes de Bloch-Floquet. Pour l'application furtivité, on cherche également à atténuer la diffraction de Bragg de l'onde acoustique incidente sur le réseau de raidisseurs
S'il n'y a pas de structure périodique, lorsque la coque est excitée mécaniquement, et quelque soit l'origine de cette excitation, les ondes de flexion se propageant le long de la surface de la coque et rayonnent sur une très large bande de fréquences.
Le fait d'introduire une structure périodique de raidisseurs concentre l'énergie vibratoire autour de l'énergie des ondes de Bloch-Floquet. Nous dénommerons bande de fréquences Deltaf la réunion des bandes de fréquences dans lesquelles sont situées les ondes acoustiques rayonnées ou diffractées dépendant de la répartition périodique des raidisseurs.
Pour une application dans le domaine de la discrétion des aéronefs, on cherche par exemple à diminuer les bruits rayonnés issus de l'excitation de la coque métallique de l'aéronef par l'écoulement d'air sur sa surface. L'ajout d'un réseau de raidisseurs à la coque concentre l'énergie des ondes de Bloch-Floquet dans des fréquences comprises dans la bande de fréquence déterminée Deltaf. Ainsi, les ondes de Bloch-Floquet présentes en surface de la coque et rayonnées par les raidisseurs sont des ondes acoustiques dont les caractéristiques dépendent de la répartition périodique des raidisseurs. Ces ondes sont atténuées grâce aux structures résonnantes selon l'invention, qui d'absorbent l'énergie efficacement dans une bande étroite autour de leurs fréquences de résonance.
Pour une application dans le domaine de la furtivité des sous-marins, le navire en immersion possède nécessairement un réseau de raidisseurs pour résister à la très forte pression extérieure. Les ondes de Bloch-Floquet, issues de l'excitation mécanique de la coque par l'onde acoustique incidente, et diffractées par les raidisseurs sont donc également importantes dans une pluralité de bandes de fréquences déterminées (que nous dénommerons A, B ...) dont la réunion est dénommée bande Deltaf 1 . La diffraction de Bragg de l'onde incidente est également importante dans une bande de fréquence déterminée Deltaf2.
En effet l'amplitude du champ acoustique diffracté est maximale lorsqu'il y a un accord de phase entre l'onde incidente et soit les ondes libres de Bloch- Floquet qui se propagent le long de la coque, soit les réflexions géométriques sur les raidisseurs périodiques (phénomène de diffraction de Bragg).
Les ondes de Bloch-Floquet et la diffraction de Bragg dépendent de la répartition périodique des raidisseurs et de la nature des matériaux de la coque et des raidisseurs. La bande de fréquences déterminée Deltaf est dans ce cas la somme, ce qui équivaut à la réunion, des deux bandes Deltafl et Deltaf2, qui généralement se recouvrent au moins partiellement. Deltaf = Delfaf 1 U Deltaf2 Pour les deux applications, discrétion et furtivité, l'atténuation des ondes acoustiques dépendant de la répartition périodique des raidisseurs est réalisée en optimisant les structures résonnantes selon un aspect de l'invention de manière à ce qu'au moins une des fréquences de résonance de chaque structure soit comprise dans la bande de fréquence prédéterminée Deltaf.
La figure 1 décrit un ensemble de coque métallique de véhicule selon l'invention vu de profil et vu de l'extérieur La coque est sensiblement de révolution autour d'un axe longitudinal z.
On défini un repère orthogonal Oxyz, O étant situé sur l'axe de révolution z. La figure 2 décrit l'ensemble selon l'invention selon trois coupes transversales dans le plan Oxy, AA (figure 2a, z=d1 ), BB (figure 2b,z=d2) et CC (figure 2c,z=di), chaque coupe étant effectuée dans un plan dans lequel se trouve une structure élémentaire résonnante SE selon l'invention. L'ensemble selon l'invention comprend une pluralité de structures résonnantes, indicées par l'index i. La structure résonnante d'index i est dénommée SEi.
Par exemple une structure élémentaire SE1 est décrite sur la figure 2a, une structure élémentaire SE2 est décrite sur la figure 2b une structure élémentaire SEi est décrite sur la figure 2c.
Une structure résonnante selon l'invention est multi couche. Elle comprend une portion de la coque qui participe à l'état vibratoire général au voisinage de la structure résonnante et deux couches qui épousent la forme de la coque dans le plan transversal dans lequel elles sont disposées.
La portion de coque et chacune des deux couches sont en coupe de forme annulaire, les structures selon l'invention sont donc de forme annulaire et disposées le long de l'axe z.
Sur les figures 2a, 2b et 2c sont représentés en coupe une portion de la coque métallique 10, la couche interne métallique 13 et la couche intermédiaire 12 située entre la portion de la coque 10 et la couche métallique 13. La couche interne métallique 12 a une épaisseur radiale variable Hsi selon l'indice i de la structure SEi. Par exemple la structure SE2 a une épaisseur interne radiale Hs2. La couche interne métallique a une impédance acoustique Zs.
La couche intermédiaire 13 a une épaisseur radiale variable Hei selon l'indice i de la structure SEi. La couche intermédiaire a une impédance acoustique Ze.
Les structures selon l'invention comprennent une couche interne métallique annulaire, et réalisent donc également une fonction de renforcement de la tenue mécanique de la coque (raidisseur). Ces structures ont un effet raidisseur aussi important que les raidisseurs purement métalliques. Ces structures ont donc l'avantage de contribuer au renforcement de la coque. Le positionnement des structures selon l'invention par rapport aux raidisseurs peut être réalisé selon différentes variantes telles que décrit ci- dessous.
La figure 3 représente un exemple d'ensemble selon l'invention vu de profil dans le plan Oyz, en représentant à titre d'exemple les structures élémentaires SE1 , SE2 et SEi.
La structure SEi remplace un raidisseur 30, les structures élémentaires SE1 et SE2 sont situées entre les raidisseurs.
Ainsi selon une variante, au moins une structure résonnante est disposée entre les raidisseurs périodiques. Un avantage est que la mise en œuvre de l'invention est compatible avec des véhicules existants comprenant des raidisseurs.
Selon une autre variante au moins une structure résonnante est disposée en remplacement respectivement d'un raidisseur périodique. Un avantage est que la mise en œuvre de l'invention présente un faible encombrement.
En variante, chacune des structures résonnantes est disposée en remplacement d'un raidisseur périodique, tel qu'illustré sur la figure 4.
Un cas particulier de cette variante est que tous les raidisseurs sont remplacés par des structures résonnantes SE, tel qu'illustré à titre d'exemple non limitatif sur la figure 5. La tenue mécanique de la coque est dans ce cas exclusivement assurée par la structure bicouche de type couche intermédiaire/couche interne.
Selon une autre variante, la couche externe d'au moins une structure résonnante comprend un raidisseur. La couche intermédiaire 12 d'au moins une structure résonnante est ainsi fixée sur un raidisseur 30. Dans ce cas, la structure résonnante à considérer comprend le raidisseur, en plus de la portion de la coque considérée.
Un avantage est que la mise en œuvre de l'invention est compatible avec des véhicules existants comprenant des raidisseurs. Un autre avantage est que la mise en œuvre de l'invention présente un faible encombrement. Un autre avantage est que la structure résonnante a une meilleure efficacité d'atténuation car la structure bicouche réalisant contrepoids est directement fixée aux raidisseurs générant les ondes acoustiques que l'on cherche à atténuer et éventuellement à brouiller.
En variante, chacune des structures bicouche est fixée à un raidisseur périodique, tel qu'illustré sur la figure 6. Un avantage est que l'on calcule plus facilement des fréquences de résonances associées.
Un cas particulier de cette variante est que tous les raidisseurs 30 comprennent une structure bicouche, tel qu'illustré sur la figure 7 : Le nombre de structures résonnantes SE et de raidisseurs est dans ce cas identique. Les structures résonnantes selon l'invention présentent une pluralité de fréquences de résonance FRi,k, k étant un index des fréquences de résonances de la structure d'index i, et sont optimisées comme suit.
La couche élastique intermédiaire travaille en traction-compression et non en cisaillement. Sa fonction est de transmettre les vibrations de la coque à la couche métallique 13, qui a une masse « lourde », de manière à modifier, par couplage mécanique entre la portion de coque au voisinage de la couche élastique et la couche métallique 13, le comportement vibratoire de l'ensemble de la coque. Ce fonctionnement est obtenu en choisissant une impédance acoustique de la couche intermédiaire Ze très faible par rapport à l'impédance acoustique Zs de la couche interne métallique. La couche intermédiaire a une impédance acoustique Ze inférieure ou égale au vingtième de l'impédance acoustique Zs illustré par la formule :
Ze < Zs/20.
L'impédance acoustique Z d'un matériau est égale au produit de la masse volumique du matériau p par la célérité longitudinale C illustré par l'équation : Z= p.C
C correspond à la vitesse de propagation longitudinale du son dans le matériau.
Une faible impédance acoustique Ze est par exemple obtenue avec du caoutchouc ou du polystyrène
Pour le caoutchouc :
Zcaout = 900 kg/m3 x 1480 m/s = 1332. 103 Pa.s/m
Pour le polystyrène :
Zpolys = 1060 kg/m3 x 2350 m/s = 2491 . 103 Pa.s/m Pour une coque métallique, une couche interne également métallique présente plusieurs avantages.
Les structures selon l'invention ont un effet d'autant plus important sur les vibrations de la coque que la masse globale de l'anneau interne associé à chaque structure est importante (effet de contrepoids). Pour obtenir des structures compatibles avec l'espace disponible à l'intérieur de la coque, on choisi donc un matériau métallique « lourd », qui possède une densité volumique importante.
La masse globale de l'ensemble des anneaux internes métalliques doit au moins être supérieure ou égale à 5% de la masse globale de la coque (incluant éventuellement la masse des raidisseurs si la coque comprend des raidisseurs).
Théoriquement, plus la masse des contrepoids est importante, plus l'effet est important. Mais une masse importante implique un encombrement important, un compromis doit donc être trouvé. Le métal présente, en plus d'une masse volumique élevée, une impédance acoustique élevée, ce qui a l'avantage de mieux coupler les vibrations de la couche interne avec la coque.
Typiquement pour l'acier :
Zacier = 7800 kg/m3 x 6000 m/s = 46800 . 103 Pa.s/m
Les valeurs des hauteurs Hei et Hsi de la structure SEi permettent de déterminer, en tenant également compte des paramètres de la coque et des raidisseurs (géométrie, dimensions, impédance acoustique, période p), les valeurs des différentes fréquences de résonance FRi,k.
Par exemple dans le cas où les structures résonnantes sont fixées aux raidisseurs, la structure résonnante comprend outre la structure bi-couche, le raidisseur auquel elle est fixée et une portion de la coque 80 de longueur égale à la période p et centrée sur ce raidisseur, comme illustré figure 8.
Le calcul des fréquences de résonance d'une structure SEi s'effectue en résolvant le système différentiel formé par les équations de vibration, décrites par la théorie des coques minces, de la coque et de la couche interne qui est considérée comme un anneau et par les mouvements des particules de la couche élastique décrits par la théorie de l'élasticité linéaire. L'action du fluide extérieur sur les vibrations de ces structures est négligeable pour l'air ; par contre pour l'eau qui est un fluide lourd, il est nécessaire de prendre en compte dans les équations la pression du fluide environnant sur la coque.
La variation des hauteurs Hei et Hsi d'une structure à l'autre permet d'obtenir un grand nombre de fréquences de résonances différentes à l'intérieur de la bande de fréquence prédéterminée Deltaf, ce qui a pour avantage de maximiser l'effet d'atténuation.
L'action de chaque structure résonnante sur la coque est maximale à la fréquence de résonance du système constitué par une portion de coque (incluant le cas échéant un raidisseur), la couche intermédiaire et la couche interne. Cette action a pour effet de modifier et d'atténuer localement la vibration de la coque en lui transmettant les caractéristiques de la couche interne via la couche élastique par couplage mécanique, à cette fréquence et à l'emplacement de la structure résonnante.
En répartissant les structures résonnantes tout le long de la coque et en ajustant les valeurs des fréquences de résonance de manière à ce qu'elles soient comprises dans la bande de fréquences déterminée Deltaf, les vibrations de l'ensemble de la coque sont significativement atténuées et modifiées, et donc le spectre de la pression diffractée dans cette gamme de fréquences est également modifié.
Pour la diffraction de Bragg, où les coefficients de réflexion au niveau de chaque raidisseur sont modifiés, l'effet de réseau est atténué.
Selon une variante, l'épaisseur interne radiale Hsi est sensiblement identique pour toutes les structures SEi. Un avantage est que la réalisation de la structure est faite à moindre coût, en utilisant comme couche interne des anneaux métalliques de dimension identique. Seule l'épaisseur intermédiaire radiale est variable d'une structure à l'autre.
Selon un mode réalisation de l'invention la couche élastique comprend un matériau homogène. La réalisation de structures selon l'invention est faite à moindre coût, en utilisant des matériaux élastiques connus et peu onéreux tel que le caoutchouc.
Selon un mode de réalisation, la couche élastique comprend un matériau inhomogène. Les matériaux inhomogènes permettent d'obtenir des impédances acoustiques plus faibles que celles des matériaux homogènes et donc d'obtenir des fréquences de résonance plus basses, avec un poids plus léger et éventuellement une meilleure résistance mécanique en compression. Par exemple, le matériau inhomogène est une structure en nid d'abeilles.
Selon une variante, l'épaisseur interne radiale et/ou l'épaisseur intermédiaire radiale est variable en fonction de l'index i selon une loi de répartition aléatoire, de manière à obtenir des fréquences de résonance (FRi,k) associées également aléatoirement réparties. Le caractère aléatoire, d'une structure à l'autre, des fréquences de résonances, créé une dispersion fréquentielle aléatoire du spectre de l'écho et décorrèle l'écho du signal émis ce qui diminue son énergie après traitement cohérent. La répartition aléatoire d'au moins une des épaisseurs radiales Hsi, Hei des structures selon l'invention brise également l'effet de diffraction du réseau de raidisseurs périodiques, atténuant la diffraction de Bragg de l'onde acoustique incidente.
Selon un mode de réalisation préféré, la loi de répartition aléatoire suit une loi mathématique statistique de probabilité donnée. Cela permet de calculer puis de réaliser pratiquement les structures selon l'invention. Un exemple est une densité de probabilité uniforme des fréquences de résonance dans la bande de fréquences étudiées. Un autre exemple est une densité de probabilité normale (gaussienne).
Selon une variante de l'invention, les structures résonnantes selon l'invention sont disposées aléatoirement selon l'axe longitudinal (z). La répartition aléatoire des structures selon z crée un étalement fréquentielle aléatoire de la pression, disperse l'énergie diffractée dans des fréquences situées en dehors de la bande Deltaf et induit un déphasage aléatoire qui rend la corrélation inopérante. Le brouillage est ainsi amélioré avec en plus une diminution de la diffraction de Bragg.
Le caractère aléatoire des fréquences de résonance est selon l'axe longitudinal z est également avantageux pour la discrétion dans le cas d'une atténuation faible, car il augmente l'effet de brouillage en superposant les caractères aléatoires des fréquences de résonance avec une variation statistique des distances entre les structures résonnantes.
Pour rendre un aéronef discret, les ondes de type Bloch-Floquet sont atténuées par lesdites structures selon l'invention. Les ondes de Bloch- Floquet dans ce cas sont des ondes de structure issues par exemple de l'excitation de la coque de l'aéronef par un écoulement de l'air sur sa surface ou par une excitation mécanique. Ces ondes se propagent à la surface de la coque et sont rayonnées au contact des raidisseurs. Ces ondes présentent des maximas lorsqu'il y a un accord de phase, c'est à dire lorsque la projection du nombre d'onde rayonnée sur l'axe de la coque est égale à la somme du nombre d'onde de Bloch-Floquet plus un nombre entier fois de 2π/ρ. Les maxima d'amplitude dépendent de l'intensité des excitations mécaniques sur la coque.
Dans ce cas on dispose d'un paramètre supplémentaire d'optimisation : la période p des raidisseurs. En effet, un aéronef n'est pas soumis aux même contraintes de tenue à la pression qu'un sous marin, et ce paramètre est ajustable de façon à concentrer l'énergie des ondes de Bloch-Floquet dans la bande de fréquences Deltaf où l'on souhaite atténuer les vibrations de la coque. Les fréquences de résonance des structures selon un aspect de l'invention sont calculées pour être comprises dans la bande Deltaf.
Pour une application en acoustique sous marine pour la furtivité d'un sous- marin immergé muni de raidisseurs, la période p des raidisseurs est un paramètre imposé.
Le sous marin reçoit une onde acoustique incidente. L'onde acoustique incidente est diffractée par le réseau de raidisseur.
Le phénomène de la diffraction de Bragg apparaît quand il y a un accord de phase entre l'onde incidente avec le réseau de raidisseurs c'est à dire quand la projection du nombre d'onde incidente sur l'axe de la coque est égale à un nombre entier fois de π/ρ. L'onde acoustique correspondant à la diffraction de Bragg présente donc des maximas d'amplitude dans le plan (f, angle) tel que décrit précédemment lorsque l'onde diffractée présente un accord de phase avec l'onde incidente. En configuration monostatique, cette onde est comprise dans une bande de fréquence donnée Deltaf2.
Les ondes de Bloch-Floquet dans ce cas sont des ondes de structure issues de l'excitation de la coque du sous marin par l'onde acoustique incidente sur sa surface, qui se propagent à la surface de la coque et qui sont diffractées au contact des raidisseurs. Les ondes de Bloch-Floquet qui présentent un maxima d'amplitude sont celles qui présentent un accord de phase avec les ondes acoustiques incidente et diffractée c'est à dire quand la projection du nombre d'onde incidente et diffractée sur l'axe de la coque est égale à la somme du nombre d'onde de Bloch-Floquet plus un nombre entier fois de 2π/ρ. Ces ondes ont des fréquences comprises dans une pluralité de bandes de fréquences dont la réunion est dénommée Deltafl .
Une structure résonnante SEi d'index i selon l'invention possède une pluralité de fréquence de résonance FRi,k, k étant le nombre de fréquences de résonances de la structure d'index i.
Pour atténuer et brouiller l'écho, au moins une fréquence de résonance FRi,k est déterminée de manière à être comprise dans la bande de fréquence
Deltaf égale à la réunion de delf 1 et de Deltaf2 :
Deltaf = Deftaf 1 U Deltaf 2
La détection cohérente dans le mode actif est faite par corrélation entre le signal émis et l'écho reçu. Considérée isolément, une forte atténuation des effets de réseau rendrait difficile sinon impossible l'identification de la cible.
Néanmoins cette atténuation exigerait des revêtements très épais aux très basses fréquences. Un avantage de l'invention est qu'elle brouille l'écho de façon passive en réalisant une atténuation beaucoup plus faible que l'atténuation nécessaire à elle seule pour rendre impossible l'identification de la cible
Nous allons maintenant présenter un exemple de réalisation de l'invention dans le domaine de l'acoustique sous marine pour une application furtivité. Le calcul présenté est effectué pour un cylindre métallique de faible dimension.
Par souci de clarté et pour mettre en évidence les effets de réseau que l'on veut éliminer, ce calcul concerne seulement les composantes de la pression diffractée liées aux réflexions géométriques et aux vibrations de la coque liées aux raidisseurs. Les ondes de compression et de torsion qui proviennent de la coque seule ne sont pas prises en compte.
Le calcul est extrapolable à un cylindre de dimension plus importante, les fréquences calculées étant dans ce cas plus faibles que pour le cylindre de faible dimension.
On considère un cylindre métallique de rayon 6.92 cm, de longueur 85.6 cm et d'épaisseur 0.635 mm en Nickel, muni de raidisseurs périodiques également en Nickel. Les raidisseurs ont une largeur de 0.533 mm et une épaisseur radiale de 5.7 mm. Les raidisseurs sont espacés d'une distance p = 1 .05 cm et sont disposés tout le long de l'axe longitudinal z, soit au total 80 raidisseurs.
La figure 9 illustre la pression diffractée en champ lointain, sans la contribution des ondes de compression et de torsion, en configuration monostatique en fonction de l'angle d'incidence de l'onde acoustique incidente et de la fréquence de l'onde acoustique incidente. Les amplitudes sont normalisées par rapport à la pression incidente et exprimées en dB. Pr est l'énergie acoustique diffractée et Pi est l'énergie acoustique incidente, Les points noirs sur la figure 9 correspondent à des points où :
Pr/Pi > -25 dB
On remarque une zone de maximas 93 autour d'un angle de 90°, qui correspond essentiellement à la réflexion spéculaire pour une onde incidente selon l'axe x perpendiculaire à l'axe longitudinal z, pour laquelle la réflexion spéculaire est renvoyée selon le même angle d'incidence 90°.
On remarque également sur cette figure que le champ acoustique diffracté comporte un certain nombre maximas liés aux accords de phase entre l'onde incidente et :
- les réflexions géométriques sur les raidisseurs, correspondant à la diffraction de Bragg. Ces zones notées 91 , symétriques, sont situées entre
50° et 80° par rapport à l'axe x, avec respectivement des fréquences comprises dans une bande Deltaf2 comprise entre 75 kHz et 100 kHz :
Deltaf2 = [75kHz ; 100 kHz]
- les ondes de Bloch-Floquet telles que décrites précédemment. Les zones notées 92 correspondent aux maximas issus des ondes de Bloch-Floquet.
Ces maximas sont situés dans une première bande A comprise entre 25 kHz et 95 kHz (onde de Bloch-Floquet du premier ordre) et une deuxième bande B comprise 105 kHz et 120 kHz (ondes de Bloch Floquet de second oredre). On a donc Deltafl = A U B = [25kHz ; 95 kHz] U [105 kHz ; 120 kHz]
Deltaf2 est partiellement inclus dans A, seule la partie [95 kHz ; 100 kHz] de Deltaf2 n'est pas comprise dans A. On a donc :
Deltaf = [25kHz ; 100 kHz] U [105 kHz ; 120 kHz] On cherche à obtenir une atténuation et un brouillage des ondes de Bloch Floquet de fréquences comprises dans la bande A et de la diffraction de Bragg de fréquences comprises dans la bande Deltaf2.
Un calcul à partir d'équations différentielles a permis d'obtenir des fréquences de résonnance de structures selon l'invention dans la bande choisie [45 kHz ; 100 kHz] incluse dans Deltaf, en optimisant les paramètres Hei et Hsi, et les matériaux de la couche interne et de la couche intermédiaire.
Dans cet exemple, on associe à chaque raidisseur un système résonnant SEi selon l'invention, ce qui correspond à la variante décrite figure 7. L'index i indice alors à la fois les structures et les raidisseurs : i est un entier entre 0 à 80.
La figure 10 décrit une fréquence de résonnance FRi de la structure résonnante SEi calculée en fonction de l'index i de la structure résonnante. Les structures de résonnance selon l'invention ont plusieurs fréquences de résonance, dépendant du mode circonférentiel et des équations de coque mince adoptées pour décrire les vibrations des structures.
La couche intermédiaire est une couche en caoutchouc, d'épaisseur radiale aléatoire Hei comprise entre 1 mm et 5 mm en fonction de l'index i des structures SEi.
La couche interne est une couche métallique en Nickel d'épaisseur radiale identique Hs pour toutes les structures SEi et égale à 0.48mm.
Ces deux couches ont une largeur de 0.4mm.
La masse totale de toutes les couches internes métallique est égale à 30% de la masse de la coque plus la masse des raidisseurs.
Du fait du choix des paramètres Ze, Zs, des épaisseurs Hei et Hs, et en tenant compte du matériau et de la structure géométrique de la coque et des raidisseurs, les fréquences de résonance calculées FRi des structures SEi sont comprises dans la bande choisie, entre 45 kHz et 100 kHz, comme décrit figure 10. En effet on constate sur la figure 10 qu'au moins une fréquence de résonnance FRi de chaque structure SEi est comprise dans la bande de fréquence choisie [45 kHz ; 100 kHz]. Les valeurs de ces fréquences ont une répartition aléatoire en fonction de i selon une densité de probabilité uniforme. La figure 11 illustre la pression diffractée en champ lointain par le cylindre métallique muni des structures résonnantes selon l'invention de l'exemple décrit ci-dessus.
En faisant varier aléatoirement l'épaisseur radiale Hei entre 1 mm et 5 mm sur tous les raidisseurs le long de la coque, le champ diffracté simulé des ondes de Bloch Floquet 92 est fortement atténué et brouillé pour les fréquences comprises dans la bande choisie, entre 45 kHz et 100 kHz. On constate également une atténuation des ondes de Bloch-Floquet de second ordre (bande B plus haute fréquence) et des ondes de Bloch Floquet plus basse fréquence [25 kHz ; 40 kHz]). Cette atténuation est due à l'effet d'amortissement naturel des structures résonnantes qui opère même en dehors de la bande choisie.
La diffraction de Bragg 91 est simplement atténuée et non brouillée comme le sont les ondes de Bloch-Floquet.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Ensemble de coque métallique (10) de véhicule sensiblement de révolution selon un axe longitudinal (z) comprenant des raidisseurs selon une répartition sensiblement périodique présentant une période (p) caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de structures élémentaires acousto- mécaniques (SEi) annulaires résonnantes indexées selon un index (i), disposées selon respectivement une pluralité de positions (di) selon l'axe longitudinal (z) et présentant respectivement :
-une pluralité de fréquences de résonance (FRi,k)
-une couche interne métallique (13) présentant une impédance acoustique interne (Zs) et une épaisseur interne radiale (Hsi),
-une couche intermédiaire (12) présentant une impédance acoustique intermédiaire (Ze) et une épaisseur intermédiaire radiale (Hei),
-une couche externe formée d'une portion de la coque de longueur sensiblement égale à ladite période (p) et centrée sur ladite position longitudinale (di),
et caractérisé en ce que :
- ladite impédance acoustique intermédiaire (Ze) est inférieure ou égale à un vingtième de ladite impédance interne (Zs),
-au moins une desdites fréquences de résonances (FRi,k) d'une structure élémentaire (SEi) est comprise dans une bande de fréquence déterminée (Deltaf) comprenant des fréquences des ondes acoustiques dépendant de ladite répartition périodique desdits raidisseurs,
- au moins une desdites épaisseurs radiales (Hei, Hsi) est variable en fonction dudit index (i) de sorte que lesdites fréquences de résonances (FRi,k) associées auxdites épaisseurs radiales soient également variables.
2. Ensemble selon la revendication 1 dans lequel au moins une structure (SEi) est disposée entre deux raidisseurs (30).
3. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel au moins une structure (SEi) est respectivement disposée en remplacement d'un raidisseur (30).
4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel une couche externe d'au moins une structure résonnante comprend en outre un raidisseur directement fixés à ladite coque.
5. Ensemble selon la revendication 4 dans lequel chaque structure résonnante (SEi) comprend un raidisseur directement fixés à ladite coque.
6. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdites structures (SEi) ont une épaisseur interne radiale (Hsi) sensiblement identique
7. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dans lequel la couche élastique comprend un matériau homogène
8. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la couche élastique comprend un matériau inhomogène
9. Ensemble selon la revendication 8 dans lequel le matériau inhomogène est une structure en nid d'abeille.
10. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une desdites épaisseurs radiales (Hei, Hsi) est variable en fonction dudit index (i) selon une loi de répartition aléatoire, de manière à obtenir des fréquences de résonance (FRi,k) associées également aléatoirement réparties.
11 . Ensemble selon la revendication 10 dans lequel ladite loi de répartition aléatoire est une loi mathématique statistique de probabilité donnée.
12. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdites positions (di) desdites structures (SEi) ont une répartition aléatoire selon l'axe longitudinal (z).
13. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit véhicule est un aéronef et lesdites ondes acoustiques sont des ondes de type Bloch-Floquet égales aux ondes de structure issues de l'excitation de la coque par un écoulement de l'air sur sa surface ou par des vibrations mécaniques, qui se propagent à sa surface et sont rayonnées au contact desdits raidisseurs.
14. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel ledit véhicule est un sous-marin immergé qui reçoit une onde acoustique incidente et dans lequel lesdites ondes acoustiques comprennent une onde acoustique diffractée de type Bragg et des ondes de type Bloch-Floquet égales aux ondes de structure issues de l'excitation de la coque par ladite onde acoustique incidente, se propagent à la surface de ladite coque, sont diffractées au contact desdits raidisseurs et en accord de phase avec ladite onde acoustique incidente.
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MICHEL TRAN-VAN-NHIEU: "Scattring from a ribbed finite cylindrical shell with internal axisymmetric oscillators", JOURNAL OF ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA, August 2002 (2002-08-01), pages 402 - 410, XP012002982, DOI: doi:10.1121/1.1488659

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