Brevet FR2022761A1 — publié le 19700807

La présente invention se rapporte à un dispositif permettant de déterminer la direction de fronts d'ondes sonores plans incidents (relèvement) en particulier dans l'eau, à l'aide d'un groupe de microphones (base) et d'un compensateur muni d'un réseau de retard, associé aux microphones et destiné à compenser les différences de temps de parcours, constitué par un mécanisme de commutation comportant deux groupes d'éléments de commutation couplés, à savoir un groupe dtéléments de commutation d'émission connectés aux microphones et correspondant au groupe de ceux-ci, en particulier au point de vue forme et configuration, et un groupe d'éléments de commutation de réception branchés en divers points du réseau de retard, et dans lequel les deux groupes d'éléments de commutation sont disposés de telle façon et sont réglables l'un par rapport à l'autre de telle manière , qu a chacune de leurs positions relatives corresponde une compensation des différences de temps de parcours pour un relèvement déterminé Dans les dispositifs connus de ce type, les éléments de commutation d'émission et les éléments de commutation de réception sont constitués par des groupes de contacts qui se touchent et qui glissent les uns sur les autres .Cette construction présente cet inconvénient que les contacts de tels mécanismes de commutation s'usent en service et que cette usure peut provoquer des mises en dérivation gênantes et autres perturbations électriques L'invention a pour objet de créer un dispositif du type décrit ci-dessus dans lequel on n'utilise pas d'éléments de commutation d'émission ni d'éléments de commutation de réception se touchant mutuellement Ce résultat est essentiellement obtenu par l'adoption d'un type connu en soi quelconque de couplage sans contact entre des éléments de commutation mobiles les uns par rapport aux autres et, par exemple, du couplage capacitif bien connu s'accompagnant de l'utilisation d'un champ de transmission électrique entre les deux groupes d'éléments de commutation .En raison des basses fréquences de transmission situées dans la gamme audible on utilise toutefois de préférence, pour la mise en oeuvre du principe énoncé ci-dessus, au lieu d'un couplage capacitif, un autre mode de couplage sans contact . On a déjà proposé ( Brevet français N01.551. 768) d'assurer le couplage par voie électrolytique en prévoyant des éléments de commutation couplés par l'intermédiaire d'uh liquide conducteur d'une résistivité tale que la conductance de la liaison en parallèle entre des éléments de commutation adJa oints soit négligeable par rapport à la conductance correspondante du réseau de retard associé .L'utilisation d'un électrolyte comme liquide de couplage exige bien entendu des mesures constructives spéciales et une surveillance du fonctionnement avec un renouvellement éventuel de l'électrolyte . I1 serait donc souhaitable de réaliser le couplage sans contact entre les éléments de ommuta- tion d'émission et les éléments de commutation de réception de façon qu'il soit assuré sans faire appel non plus à un milieu de couplage spécial, par des moyens de couplage se prêtant , sans complexité constructive excessive, à la transmission sans contact dans une gamme de fréquence donnée et permettant par consdquent un fonctionnement pouvant se passer de surveillance dans une large mesure A cet effet, suivant l'invention, il est prévu, comme éléments de commutation d'émission, des émetteurs de lumière, dont le flux lumineux est modulé par les signaux des microphones et comme éléments de commutation de réception, des récepteurs de lumière contrôlés par le flux lumineux des émetteurs de lumière et qui sont réalisés sous la forme de convertisseurs photoélec triques Ce couplage optique offre en outre la possibilité avantageuse d'obtenir l'exploration interpolée, la plupart du temps désirable dans des dispositifs du type défini ci-dessus, des éléments de commutation émission par les éléments de commutation de réception d'une manière particulièrement simple et efficace en couplant chaque émetteur de lumière simultanément avec plusieurs récepteurs de lumière adjacents, le degré de couplage étant à chaque instant fonction de la position géométrique relative des émetteurs de lumière et des récepteurs de lumière La modulation du flux lumineux par les signaux sonores re çus peut s'effectuer de diverses manières, par exemple par le procédé connu de la modulation d'amplitude .Comme émetteurs de lumière, on-peut utiliser des diodes luminescentes et, comme récepteurs de lumière, on peut utiliser des cellules photoélectriques au silicium ou des photodiodes .Les lasers conviennent également comme émetteurs de lumière Peur obtenir une caractéristique du flux lumineux des émetteurs de lumière adaptée au couplage désiré, des diaphragmes appropriés peuvent gtre associés aux émetteurs de lumière.Avec une disposition géométrique convenable du groupe des émetteurs de lumière et du groupe des récepteurs de lumière, on peut ainsi matérialiser une fonction de couplage désiré avec une approximation suffisante pour la pratique Il est avantageux d'utiliser des émetteurs de lumière rayonnant des faisceaux lumineux sensiblement parallèles .Dans ces émetteurs, pour obtenir la caractéristique désirée, l'intensité lumineuse peut être échelonnée sur toute la gamme du flux lumineux, suivant une variation continue ou par gradins .Avec ou sans échelonnement, lorsqu'on utilise des émetteurs de lumière rayonnant des faisceaux lumineux parallèles, on dispose de la possibilité avantageuse d'obtenir d'une manière simple une variation du couplage en vue de compenser les décalages des temps de parcours dus par exemple à des fluctuations des vitesses de propagation des ondes sonores dans l'eau , en agençant le dispositif de façon que le groupe des récepteurs de lumière disposé dans un plan donné puisse basculer par rapport au groupe des émetteurs de lumière disposé dans un autre plan et en donnant aux récepteurs de lumière la forme de bandes parallèles à l'axe de ce mouvement de basculement.Les variations désirées de la compensation des temps de parcours peuvent alors 8tre obtenues par de simples mouvements de basculement du groupe des récepteurs de lumière par rapport au groupe des émetteurs de lumière Une telle compensation à l'aide de temps de retard continuellement variables peut également être obtenue d'une manière simple en disposant les émetteurs de lumière eS les récepteurs de lumière sur des surfaces cylindriques concentriques et en les agen çant de façon qu'ils puissent être déplacés axialement les uns par rapport aux autres, les récepteurs de lumière se prdsentant alors sous la forme de bandes divergeant axialement dans le groupe que forment ces récepteurs de lumière sut la surface cylindrique associée . Dans ce cars, on peut faire varier continuellement les temps de retard par un simple coulissement axial relatif Cette ajustabilité des temps de retard peut, non seulement être utilisée pour compenser les fluctuations de la vitesse de propagation des ondes sonores dans le milieu qui les transmet, mais encore servir à ajuster l'azimutydu relèvement ainsi que l'angle d'élévation, ou à passer du relèvement dans un plan ou dans une surface conique à un relèvement dans l'espace D'autres caractéristiques de l'invention apparaCtront au cours de la description qui va suivre Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig.l représente une installation sonar ainsi qu'un dispositif suivant l'invention, sous une forme schématique , avec une disposition circulaire des émetteurs de lumière et une disposition en arc de cercle des récepteurs de lumière ; la Fig.2 est un schéma de câblage d'un montage de modulation d'énergie au moyen d'une diode luminescente, pour un dispositif du type de la Fig.l la Fig.3 est une représentation schématique de la transmission optique dans le dispositif de la Fig.l ; la Fig.b montre la disposition des émetteurs de lumière dans une autre forme d'exécution de l'invention ; la Fig.5 est un graphique de la fonction de distribution de l'intensité lumineuse pour un dispositif du type de la Fig.4 et pour aiverses distances entre le groupe des émetteurs de lumière et celui des récepteurs de lumière ; la Fig.6 est une vue en coupe d'une diode luminescente ;; la Fig.7 est une représentation schématique d'un émetteur de lumière capable d'engendrer un faisceau lumineux parallèle avec échelonnement triangulaire de l'intensité lumineuse ; la Fig.8 / Pun dZspositif de compensation de variations de la vitesse de propagation des ondes sonores dans l'eau pour le dispositif de la Fig.l , suivant une première forme d'exécution ;; la Fig.9 représente une autre forme d'exécution du dispositif de la Fig.8 , et la Fig. 10 représente un dispositif comportant une disposition sphérique des émetteurs de lumière et des récepteurs de lumière L'installation sonar représentée sur la Fig.l fonctionne avec un groupe circulaire, immergé dans de liteau libre qui sert de milieu de transmission du son, par exemple de m microphones E1 à E (base) qui sont connectés, par l'intermédiaire de canaux m de réception séparés munis de pré-amplificateurs V1 à Vm, avec des émetteurs de lumière G correspondants d'un groupe analogue à celui des microphones et également circulaire,d'émetteurs de lumière G1 à Gm, dans le compensateur électrique de l'installation sonar .Les émetteurs de lumière G sont fixés sur un plateau d'émission circulaire 1 et coopèrent avec un groupe en forme d'arc de cercle d'éléments de commutation de réception agencés en ré cepteurs de lumière A1 à A n et qui, à leur tours sont connectés au réseau de retard N du compensateur Des récepteurs de lumière A1 à An sont portés par un plateau de réception 2 qui est lié de façon rigide à un boftier 4 dans lequel est logé le réseau de retard N.Pour permettre un réglage du compensateur sur le relèvement ,le plateau de réception 2 peut pivoter, avec les récepteurs de lumière A1 à An et le boîtier 4, autour de son axe 3. Pour une source de bruit de relèvement on obvient, d'une manière connue en soi > si le compensateur est réglé dans cette direction, à la sortie dudit compensateùr, une valeur maximale de la tension reçue résultante, ce qui peut être constaté dans un écouteur ou sur un appareil indicateur 6, cet écouteur ou cet appareil étant connecté à la sortie du réseau de retard N par l'intermédiaire de contacts glissants7 et d'un postamplificateur 8. Les signaux reçus par les microphones E1 à Em sont transmis optiquement par les émetteurs de lumière G1 à Gm aux récepteurs de lumière A à A n le flux lumineux des émetteurs de lumière G étant- modulé par les signaux des ondes sonores reçues La Fig.2 représente le schéma de câblage de principe d'un dispositif de-modulation d'énergie comportant une diode lumines Qnte comme émetteur de lumière G et une eellule photoélectrique au silicium comme récepteur de lumière A.La diode luminescente est connectée par l'intermédiaire d'une résistance ohmique Ra et d'un condensateur C a à un canal de réception muni d'un pré- amplificateur V et d'un microphone E,A la diode luminescente est appliqué , au moyen d'une source de tension constante St, par l'intermédiaire d'une résistance réglable %, un courant perma nent 1a w par exemple de 180 mA qui est modulé par application du signal reçu Ue amplifié par le pré-amplificateur V. Il en résulte une modulation du flux lumineux L de la diode luminescen te .L'énergie du flux lumineux L reçu est transformée en énergie électrique par les récepteurs de lumière A(les cellules photoélec triques au silicium)disposés sur le parcours des rayons de ce flux lumineux L, et est utilisé pour la génération d'une tension continue modulée correspondante aux bornes d'une résistance de charge R v tension dont la composante alternative Ua est trans mise par l'intermédiaire d'un condensateur C en tant que signal de commande correspondant au signal reçu Ue , au réseau de retard N. Pour éviter un déphasage brusque lors du passage d'un flux lumineux L, d'un récepteur de lumière Ai au récepteur de lumière adjacent Ai + 1(cf. Fig.3), le couplage optique entre les émetteurs de lumière G et les récepteurs de lumière A est réalisé de telle manière que la modulation du flux lumineux L d'un émetteur de lumière G situé entre deux récepteurs de lumière adjacents Ai et A1 + 1 soit appliquée, suivant une fonction de lieu déterminée, en même temps que différentes composantes , dans ces deux récep teurd le lumière Ai et Ai +, 1 , et ceci de telle manière que la somme géométrique de ces composantes , à la sortie du réseau de retard N,corresponde, au point de vue phase, exactement à la position de l'émetteur de lumière G.On obtient, dans la transmission optique, une fonction d'interpolation utilisable en résolvant l'équation : Dans cette équation, x est la distance positive ou négative entre l'in de deux récepitersde de lumière adjacents Ai et Ai+l et l'émet- teur de lumière G disposé entre eux, mesurée dans la direction de déplacement, et a = xi + xi+1 est la distance entre les deux récepteurs de lumière adjacents Ai + Ai+l en question. Une fonction distributive du flux lumineux correspondant à ces conditions peut etre réalisée par un dimensionnement et une disposition géométrique appropriés des émetteurs de lumière et des récepteurs de lumière. On peut déterminer la fonction de distribution de la lumière d'une diode luminescente d'après La représentation schématique de la Fig.3, comme suit Une diode luminescente peut être considérée approximativement comme une surface lumineuse diffuse. L'intensite dt irs- ment,à une certaine distance où d est la distance entre le groupe des émetteurs de lumière G et celui des récepteurs de lumière A, suit approximativement la loi bien connue d'après laquelle l'intensité lumineuse Li décroft en raisoninverse du carré de la distancent d'après laquelle le flux lumineux L par unité d'angle est fonction du cosinus de l'angle ^entre les normales à la surface de la diode luminescente et à la direction de rayonnement.Si l'on ne tient pas compte de l'étendue finie des surfaces rayonnantes et réceptrices des émetteurs de lumière G et des récepteurs de lumière A, on obtient, pour l'intensité lumineuse Li , cest-à-dire pour le flux lumineux par unité de sur face à l'emplacement x sur la surface du groupe des récepteurs--de lumière A , dans les conditions géométriques de la Fig.3 , si l'on désigne par Lio l'intensité lumineuse pour xx = O, la relation suivante Pour obtenir un effet directionnel encore plus marqué, on peut munir l'émetteur de lumière G, comme représenté sur la Fig.4, d'un diaphragme en forme de collerette 9. Pour une largeur d'ouverture b et une hauteur hde ce diaphragme 9, onobtient alors pour la fonction de distribution, l'équation La Fig.5 représente la fonction de distribution déterminée expérimentalement de l'intensité lumineuse ti pour un dispositif du type de la Fig.4 et pour différentes distances d entre le groupe des émetteurs de lumière G et celui des récepteurs de lumière A. En utilisant le diaphragme 9 de la Fig.4 , il est possible de rapprocher dans une large mesure la fonction de distribution de l'allure linéaire désirée correspondant à la Fig.3 . De cette manière, on peut obtenir une compensation exempte de déphasage brusque au moyen d'un nombre relativement petit d'émetteurs de lumière G et de récepteurs de lumière A. La Fig.6 représente, en coupe, une diode luminescente pourvant être utilisée comme émetteur de lumière G .Un cristal d'ar- séniure de gallium 10 est disposé dans une capsule métallique ll et rayonne de la lumière diffuse lorsqu'on applique une tension U aux électrodes fixées dans le cristal Pour l'application normale à des compensateurs dans la technique de transmission du son dans l'eau, la fonction de distribution simple qui a été décrite ci-dessus suffit .Toutefois, si cela s' avère désirable, on peut encore assurer la génération d'un flux lumineux L sous forme de faisceau parallèle en associant aux émetteurs de lumière G des systèmes de lentilles ou de miroirs .On peut ainsi améliorer considérablement la fonction de distribution. La Fig.7 représente une diode luminescente utilisée comme émetteur de lumière G et dont le flux lumineux L est contrôiX par une plaque de noircissement 12 dont la distribution de densité optique est adaptée à la fonction de distribution désirée de l'in tensité lumineuse Li, ledit flux étant ensuite transforme par une lentille 13 en un flux lumineux L se présentant sous la forme d'un faisceau parallèle avec une distribution en forme de toit de l'intensité lumineuse Li. Les Fig. P et 9 représentent des dispositifs qui permettent une compensation de variations de la vitesse du son cO dans l'eau. Dans la forme d'exécution de la Figiez un secteur 14 garni de récepteurs de lumière A1 à A en forme de bande est monté de ma n nière à pouvoir basculer autour d'une charnière 15 sur le plateau de réception rotatif 2. Etant donné que des temps de retard fixes et prédéterminés du réseau de retard N interviennent entre les ré oepteurs de lumière A. le temps de retard pour les canaux de transi mission individuels, avec un angle de basculementt varie de co1s Si cO est la vitesse du son dans l'eau, D le diamètre du group des microphones E1 à Em et # le temps de retard par élément du réseau de retard N, l'équation suivante doit être satisfaite pour qu on obtienne une compensation correcte au point de vue phase D D' co L.cos.# . c Si, maintenant, la vitesse du son cO passe, par exemple , de 1425 m/sec d 1470 m/sec, cette variation peut être compensée par un ajustement de l'angle de basculement Y .On peut également utiliser cette propriété pour obtenir , avec des groupes plans horizontaux, un basculement du relèvement par rapport au plan horizontal par modification de l'angle de basculementt , Dans le dispositif de la Fig.8, on utilise de préférence des émetteurs de lumière G à flux lumineux L en faisceau parallèle Dans le dispositif de la Fig. 9, la compensation des variations de la vitesse de propagation du son dans l'eau est obtenue grâce au fait que les émetteurs de lumière G et les récepteurs de lumière A sont disposés sur des surfaces cylindriques 16,17 concentriques et pouvant être déplacées axialement l'une par rapport à l'autre et grâce au fait que les récepteurs de lumière A1 à A n qui ne s'étendent que sur un arc limité de la surface cylindrique 17 présentent la forme de bandes qui divergent en direction axiale . I1 est alors possible, par un déplacement axial relatif de modifier le temps de retard par unité d'angle de rotation du compensateur et d'obtenir de cette manière l'adaptation désirée de la compensation à différentes vitesses du son c0 La Fig.10, enfin, montre une utilisation de l'invention puur un relèvement spatial au moyen d'un groupe sphérique 18 de microphones E1 à Em .A ce groupe est associé, dans le compensateur un groupe sphérique 19 d'émetteurs de lumière G1 à Gm t lui-même couplé avec un groupe sphérique 20 de récepteurs de lumière A1 à A .Les récepteurs de lumière A sont constituées par des bandes n circulaires photosensibles disposées concentriquement autour d'un rayon 21 de la sphèrtèt qui ne recouvrent que la surface extérieure d'une calotte de celle-ci . Cette calotte sphérique peut tourner autour d'un axe 22 passant par le centre de la sphère et perpendiculaire au rayon 25, axe qui, à son tour, peut tourner autour d'un axe 23 qui lui est perpendiculaire . Les récepteurs de lumière A sont raccordés d'une manière convenable à un réseau de retard N', de façon qu'un relèvement spatial soit possible avec des appareils indicateurs spatiaux 6' pour l'azimuth et l'élévation. A titre de variante et tout en restant dans le cadre de l'invention, la modulation de la lumière peut également s'effectuer d'une autre manière comme décrit à propos de la Fig.2.Les diodes luminescentes à flux lumineux L modulé en intensité peu v8ht également être remplacées, par exemple, par des lampes à effluves, des lasers, des cellules de Kerr à lampes monochromatiques ou des émetteurs de lumière G modulés en polarisation REVENDICATIONS l ispósitif permettant de déterminer la direction de fronts dA'ondes sonores plans incidents (relèvement) en particulier dans l'eau, à l'aide d'un groupe de microphones (base) et d'un compensateur muni d'un réseau de retard, associé aux microphones et destiné à compenser les différences de temps de parcours, constitué par un mécanisme de commutation comportant deux groupes d'éléments de commutation couplés, à savoir un groupe d'éléments de commutation d'émission connectés aux microphones et correspondant au groupe de ceux-ci, en paeticulier au point de vue forme et configuration, et un groupe d'éléments de commutation de réception branchés en divers points du réseau de retard, et dans lequel les deux groupes d'éléments de commutation sont disposés de telle façon et sont réglables l'un par rapport à l'autre de telle manière, qu'à chacune de leurs positions relatives correspond une compensation des différences de temps de parcours pour un relèvement déterminé ,caractérisé en ce qu'il est prévu, comme éléments de commutation d'émis- sion, des émetteurs de lumière (G), dont le flux lumineux est modulé par les signaux des microphones (E) et, comme éléments de commutation de réception, des récepteurs de lumière (A).contrôlés par le flux lumineux des émetteurs de lumière (G), et réalisés sous la forme de convertisseurs photo-électriques 2-Dispositif suivant la revendication 1, avec exploration par interpolation des éléments de commutation d'émission au moyen des éléments de commutation de réception, caractérisé par le fait que chaque émetteur de lumière du groupe (G1,Gp G ) est couplé simultanément avec plusieurs récepteurs de lumière adjacents du groupe (A1,A2 An) , le degré de couplage étant continuellement fonction de la position géométrique relative des émetteurs de lumière (G) et des récepteurs de lumière (A). 3-Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu, comme émetteurs de lumière (G) des diodes luminescentes 4-Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce qu'il est prévu, comme émetteurs de lumière ,des lasers 5-Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu, comme récepteurs de lumière (A), des cellules photo-électriques au silicium. 6-Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4,caracté.- risé en ce qu'il est prévu, comme récepteurs de lumière (A), des photodiodes 7-Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les émetteurs de lumière (G) sont munis de diaphragmes (9). 8-Dispositif suivent la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu d émetteurs de lumière (G) émettant des faisceaux lumineux sensiblement parallèles 9-Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le groupe de récepteurs de lumière (Al,A2...An), nsposé dans un plan peut basculer par rapport au groupe d'émetteurs de lumière (G1,G2 Gm) également disposé dans un plan et ente que les récepteurs de lumière (A) se présentent sous la forme de bandes parallèles à l'axe (charnière 15) de ce mouvement de basculement 10-Dispositif suivant l'une des reverdications 1 à Q, et,en particulier, suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'intensité lumineuse (Li) de chaque émetteur~delumière (G) est échelonnée sur toute la gamme du flux lumineux (L) graduellement ou en gradins 11-Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les émetteurs de lumière (G) et les récepteurs de lumière (A) sont disposés sur des surfaces cylindriques concentriques (16,17) et peuvent être déplacés axialement les uns par rapport aux autres et en ce que les récepteurs de lumière (A) se présentert sous la forme de bandes qui divergent axialement, dans le groupe de récepteurs de lumière(Al,A2 A ) sur la surface cylindri lumière(A1,A2 ...... An que (17). 12-Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les émetteurs de lumière (G) et les récepteurs de lumière (A) sont disposés sur des surfaces sphériques concentriques et peuvent urner les uns par rapport aux autres autour de leur point milieu commun et en ee que les récepteurs de lumière (A) se présentent sous la forme de bandes circulaires et recouvrent la surface extérieure d'une calotte sphérique