FR2663489A1

FR2663489A1 - Procede de detection acoustique de signaux basses frequences.

Info

Publication number: FR2663489A1
Application number: FR9007512A
Authority: FR
Inventors: Lagier Michel
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-06-15
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1991-12-20
Anticipated expiration: 2010-06-15
Also published as: AU7964391A; WO1991019996A1; FR2663489B1

Abstract

L'invention concerne la détection des sources acoustiques de bruits basses fréquences. Elle consiste à utiliser au lieu d'hydrophones des intensimètres acoustiques (102, 103) placés de part et d'autre de la source de bruits parasites (100) et à effectuer la sommation des signaux fournis par les intensimètres. Cette sommation permet d'obtenir le signal de bruit extérieur tout en éliminant sensiblement les bruits parasites délivrés par la source à laquelle sont liés les intensimètres. Elle permet notamment de mieux repérer les bâtiments navals.

Description

PROCEDE DE DETECTION ACOUSTIQUE
DE SIGNAUX BASSES :EREQUENCES
La présente invention se rapporte aux systèmes de détection acoustique qui permettent de détecter des signaux à basses, voire à très basses fréquences qui se propagent au sein de la mer.

I1 est connu que les sous-marins actuels sont conçus pour être extrêmement peu bruyants afin justement de limiter les possibilités de détection par écoute des bruits rayonnés par ces sous-marins. Compte tenu des précautions qui sont prises, on constate que les seules fréquences émises à un niveau permettant une détection éventuelle sont situées en bas du spectre, en dessous de 100 Hz, voire de 10 Hz. Ces bruits correspondent essentiellement au fondamental des machines et des résonances de la structure, ainsi qu a quelques harmoniques supérieures. Pour détecter et localiser la source de bruit à ces fréquences il nlest pas possible de faire une antenne acoustique de dimensions inférieures à celles du sous-marin, ce qui amène à utiliser des antennes linéaires remorquées, dites flutes.

En outre l'utilisation des capteurs classiques, c'est-à-dire des hydrophones, s'avère impossible à ces fréquences puisque le bruit rayonné par le bâtiment tracteur de la flute est de même nature que le bruit à détecter et masque donc ce dernier.

Pour surmonter ces problèmes l'invention propose un procédé de détection acoustique de signaux basses fréquences en présence d'une source de bruits parasites, caractérisé en ce qu'on utilise au moins deux intensimètres placés de part et d'autre de ladite source et que l'on somme les signaux délivrés par ces intensimètres, ce qui élimine sensiblement les bruits parasites dans le signal résultant de cette sommation.

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 schématique d'un sous-marin et d'une source de bruit
- les figures 2 et 3, des vues en coupe d'un intensimètre
- la figure 4, une vue de dessus d'un sous-marin muni d'intensimètres
- la figure 5, une vue en coupe d'un intensimètre fixé sur une coque
- la figure 6, une vue de côté d'une coque munie d'un ensemble d'intensimètres; et
- la figure 7, un schéma d'un système de traitement des signaux reçus par les intensimètres.

On a représenté sur la figure 1 une coupe très schématique de la coque 100 d'un sous-marin prise dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de ce sous-marin. Une source acoustique 101, située pour la facilité de ltexplication dans le plan de coupe, se trouve à une certaine distance du sous-marin avec un angle de site par rapport à l'horizontale.

On a placé de part et d'autre de la coque du sous-marin sur un diamètre horizontal deux intensimètres 102 et 103 qui sont acoustiquement découplés par rapport à cette coque. On rappelle que les intensimètres sont des dispositifs qui mesurent l'intensité acoustique, et non pas la pression comme les hydrophones.

Aux fréquences considérées la coque du sous-marin vibre en phase et donc cette coque se contracte et se dilate selon les flèches représentées sur la figure, à la fréquence des ondes acoustiques qu'elle émet correspondant comme on l'a dit tant aux vibrations dues aux machines qu'aux résonances de structure.

Dans ces conditions, et comme les intensimètres sont découplés par rapport à cette coque, ils mesurent des intensités acoustiques correspondant à des ondes qui s'éloignent de de la coque dans deux directions diamètralement opposées pour les deux intensimètres. Ainsi donc la somme des intensités acoustiques mesurée par ces intensimètres et provenant de la coque du sous-marin est nulle.

Par contre pour la source de bruit éloignée 101 cette intensité n'est pas nulle, puisqu'on peut considérer qu'à partir d'une certaine distance les trajets entre cette source 101 et les intensimètres 102 et 103 sont sensiblement parallèles et les distances sensiblement égales. Les intensités acoustiques aux emplacements des intensimètres sont donc sensiblement égales de même direction et de même sens.

Si donc on ajoute les mesures provenant des deux intensimètres, les signaux provenant du sous-marin se soustraient et s'annulent alors que les signaux provenant de la source éloignée s'ajoutent et se renforcent.

Le système selon l'invention permet donc d'éliminer les bruits propres aux sous-marins pour ne garder que les bruits provenant des sources extérieures à repérer.

Comme intensimètre on peut utiliser par exemple un capteur du type géophone tel que celui décrit dans le brevet français nO 87 06990 déposé le 19/5/87 au nom de la demanderesse et qui est représenté schématiquement sur les figures 2 et 3. La figure 2 représente une demi-coupe dans un plan vertical passant par l'axe oz et la figure 3 une coupe dans un plan horizontal xoy représenté par le trait pointillé A-A' de la figure 2.

Ce capteur comporte un boîtier formé d'un tube cylindrique 200 fermé par deux flasques circulaires 201 et 202.

Une sphère inertielle 203 est enfermée à l'intérieur de ce boîtier et est maintenue sensiblement au centre de celui-ci par six bilames 204 à 209 en polymère piézoélectrique qui s'appuient par leur partie centrale sur la masse inertielle sphérique.

Chaque bilame est précontraint en flexion en s'appuyant à ses extrémités sur l'intérieur du boîtier par l'intermédiaire de butées telles que 211 et 210. Les deux bilames 204 et 205 correspondant à l'axe oz sont reliés à un amplificateur différentiel 212 qui délivre une tension de sortie Vz sensiblement proportionnelle aux déplacements de la masse inertielle à l'intérieur du boîtier et qui mesure donc la vitesse de déplacement du boîtier sous l'effet des ondes acoustiques qui viennent déplacer l'intensimètre selon l'axe oz.

Deux autres amplificateurs différentiels reliés aux autres bilames permettent d'obtenir respectivement les tensions de sortie Vx et Vy et correspondent aux vitesses selon les axes ox et oy.

On sait que l'intensité acoustique est le produit scalaire de la pression acoustique par la vitesse acoustique mesurées au même point. Pour obtenir la pression acoustique, on utilise par exemple un tube de céramique qui forme la partie 200 du boîtier de llintensimètre. Ce tube de céramique est relié à un amplificateur 213 qui délivre la valeur de la pression acoustique au niveau de l'intensimètre, sans référence à une direction quelconque. Des circuits électroniques connus, permettent d'obtenir les trois intensités acoustiques dans les trois directions xyz à partir des signaux P, Vx, Vy et Vz.

Pour obtenir un signal suffisant, et également pour pouvoir former des voies directives en réception, on place de tels intensimètres des deux côtés du sous-marin tout le long des flancs de celui-ci, comme représenté sur la figure 4 où l'on a particularisé les deux intensimètres 102 et 103 représentés déjà sur la figure 1.

Comme on l'a décrit plus haut il est nécessaire de découpler l'intensimètre de la coque du sous-marin. Il faut néanmoins bien entendu que l'intensimètre soit maintenu par rapport au sous-marin et par ailleurs il faut minimiser la traînée supplémentaire occasionnée par ces dispositifs.

Pour cela on peut par exemple, comme représenté sur la figure 5, surmouler ces intensimètres dans un dôme 300 en matériau élastomère qui est profilé pour être le plus hydrodynamique possible. Ce dôme est lui-même collé sur la coque 100 pour fixer l'intensimètre 102 sur le sous-marin. A l'intérieur du dôme on a également placé l'électronique 301 de traitement des signaux de l'intensimètre. Les connexions de sortie 302 de cette électronique sortent du dôme pour être regroupées sur un rail qui mène à une traversée étanche de la coque permettant de regrouper ces connexions sur les ensembles de traitement situés à l'intérieur du sous-marin.

Le matériau élastomère de moulage permettant de confectionner le dôme 300 est par exemple du polyuréthanne. Un tel matériau est connu pour fabriquer des dômes sonars de toute nature. Son coefficient de cisaillement très bas permet d'obtenir le découplage souhaité entre l'intensimètre et la coque.

A titre de variante représentée sur la figure 6, lorsque le sous-marin est muni d'antennes passives de flanc, connues sous le nom de "flank array", et formées de panneaux piézoélectriques 401 noyés dans un revêtement en élastomètre 400 lui-même collé sur les flancs du sous-marin, il est avantageux de noyer les intensimètres 102 dans ce même revêtement qui formera un bossage à cet endroit. Ce bossage sera bien entendu de forme hydrodynamique.

Les intensimètres placés à babord et les intensimètres placés à tribord constituent donc deux groupes que l'on peut assimiler aux deux intensimètres 102 et 103 de la figure 1. On détecte alors les sources de bruits basses fréquences situées à distance en sommant les intensités de ces deux groupes puis en additionnant les deux signaux ainsi obtenus. Pour former des voies W directives aussi bien en site comme représentées sur la figure 1, qu'en gisement e comme représenté sur la figure 4, on effectue cette sommation de manière connue en utilisant les projections des intensités sur l'axe de direction
e, c'est-à-dire en multipliant ces intensités par le sinus ou le cosinus de l'angle considéré selon la composante x, y ou z
utilisée.

En appelant IiD la partie réelle de l'intensité
correspondant au capteur i et à la direction D, ce traitement
consite à effectuer la somme

Dans cette formule N est le nombre total des intensimètres et les (i représentent des coefficients qui optimisent de maniere connue le rapport signal à bruit.

Pour obtenir ces coefficients on part des deux relations suiantes

La relation (2) est obtenue en l'absence de signal extérieur et les relations (3) avec le signal extérieur seul, G étant un gain établi à partir des gains des chaînes électroniques de traitement.

Comme il y a autant de signaux WD qu'il y a de voies on obtient, si M est le nombre de voies, un système linéaire de M + 1 équations. Ce système peut être inversé en choissant N =M+1. Un autre procédé de calcul consiste à minimiser les relations (2) en partant de valeur initiale fournie par la relation (3).

On a représenté sur la figure 7 un schéma synoptique du système qui permet d'obtenir à partir des intensimètres 701 à 70N les signaux de voies WD1à WDM.

Les signaux représentant la pression P et les valeurs des vitesses Vx, V et Vz sont appliqués à un circuit 710
y qui permet de les numériser et les multiplexer dans le temps. A partir des signaux ainsi numérisés et multiplexés ce même circuit effectue une multiplication et une intégration qui réalise l'opération:

Dans cette formule le paramètre k représente x, y ou z.

Le calcul des intensités IiD s'effectue dans un circuit 711 où l'on introduit séquentiellement la direction de la voie W1, 1 variant de 1 à M. Ce calcul correspond à un simple calcul géométrique connu par ailleurs dans l'état de l'art.

En prenant par exemple des directions uniquement définies dans le plan horizontal, c'est-à-dire seulement en gisement, la direction de la voie W1 est identique à e1 et l'opération correspond à

Dans cette formule est donné par l'expression

et le module du vecteur I par l'expression:

L'axe de référence dans ces calculs est lsaxe x.

Ayant obtenu ainsi les valeurs IiD, on effectue ensuite dans un circuit de calcul 712 à partir des valeurs des coefficients - i déterminées par étalonnage comme vu plus haut, le calcul des signaux de voies WDî à WDM en appliquant la formule (1).

On notera plus particulièrement que le procédé ainsi décrit permet un filtrage efficace des bruits d'écoulement, connus aussi sous l'appellation de pseudo-sons, puisque ceci ne concerne que la partie imaginaire de l'intensité acoustique alors que, comme on l'a vu, les calculs ne portent que sur la partie réelle de cette intensité acoustique.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détection acoustique de signaux basses fréquences en présence d'une source de bruits parasites (100), caractérisé en ce qu'on utilise au moins deux intensimètres (102, 103) placés de part et d'autre de ladite source et que l'on somme les signaux délivrés par ces intensimètres, ce qui élimine sensiblement les bruits parasites dans le signal résultant de cette sommation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise deux ensembles d'intensimètres (102, 103) alignés de part et d'autre de la source de bruits parasites (100) et que l'on traite les signaux délivrés par ces intensimètres de manière à former des voies directives.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les intensimètres permettent de déterminer l'intensité acoustique dans les trois directions (Oxyz) d'un trièdre de référence et que le traitement des signaux fournis par ces intensimètres permet de déterminer des voies en gisement ((3) et en site ( < p).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on fixe les intensimètres (102, 103) à la source de bruits parasites (100) tout en les découplant acoustiquement de cette source.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette fixation sans couplage élastique est faite à l'aide d'un surmoulage en matériau polymère à faible constante de cisaillement.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise un intensimètre de type géophone (200-211) permettant d'obtenir la vitesse acoustique suivant les 3 directions (Oxyz) et un capteur de pression (200) permettant d'obtenir la pression acoustique (P) et que l'on

obtient l'intensité acoustique recherchée en effectuant le produit scalaire de la pression acoustique par la vitesse

acoustique.