Brevet FR2026525A1 — publié le 19700918

La présente invention se rapporte à un réflecteur pour ondes sonores se propageant dans l'eau, pouvant foctionner même sous des pressions d'eau élevées, et comportant une couche extérieure d'un matériau compressible et léger par rapport à veau. Dans les réflecteurs connus de ce type, une couche légère et compressible, par exemple d'un matériau mousse eomportant des inclusions d'air, est enfermée du coté avant et d'une manière étanche à l'eau, dans une capsule métallique à membrane flexible. L'efficacité de ces réflecteurs est peu satisfaisante. La membrane flexible de recouvrement n'est pas suffisamment rigide en présence de pressions élevées et n'est pas exempte de vibrations de flexion. En conséquence, il est nécessaire de donner à la capsule une telle épaisseur qu'elle modifie d'une manière indésirable les propriétés acoustiques de 1 t ensemble comprenant la couche légère compressible enfermée. L'invention a pour objet de créer un réflecteur du type précité, efficace dans une large bande de fréquences et exempt de vibrations de flexion et qui peut être utilisé même sous des pressions d'eau élevées. Pour atteindre ce but, l'invention est basée sur Itutilisa tion de filtres passe-bas acoustiques pour ondes sonores se propageant dans l'eau qui, comme leurs homologues éiectriques, réflechissent toutes les ondes- incidentes au-dessus de leur fréquence limite. Ces filtres sont constitués, dans le cas le plus simple, par des éléments à trois couches comprenant, par exemple, deux couches extérnes légères et compressibles assemblées avec une couche médiane lourde ou au contraire, deux couches externes lourdes assemblées avec une couche médiane légère et compressible. Dans le premier cas, on obtient une plus grande réduction des vibrations de flexion indésirables, du fait que les matériaux légers et compressibles tels que, par exemple, les matériaux mousses, amortissent les ondes sonores par inhérence. En partant de ces considérations, pour atteindre le but visé, il est prévu suivant l'invention de disposer de part et d'autre d'une couche médiane en matériau de poids spéeifique élevé, de préférence incompressible, deux couches extérieures d'ua matériau de faible poids spécifique et compressible. On obtient ainsi un filtre passe-bas acoustique pour ondes sonores se propageant dans l'eau qui présente dans la région située au-dessus de sa fréquence limite, des caractéristiques de réflexion remarquables meme sous des pressions d'eau élevées et qui3 en particulier, est largement exempt de vibrations de flexion.Même Si, en présence de pressions d'eau élevées, les couches compressibles sont comprimées sur une fraction de leur épaisseur initiale, le réflecteur présente encore des propriétés de réflexion bien meilleures que le réflecteur connu encapsulé résistant à la compression. La couche médiane peut être en un métal lourd tel que de lracier et peut être composée de plusieurs plaques de sorte qu'in est- facile, par un choix convenable de nombre de ces plaques et/ou de leur épaisseur, d'obtenir une ada-ptation aux propriétés-désirés. Pour former les couches extérieures, on peut utiliser tous les matériaux ou combinaisons de matériaux de faible poids spécifique, élastiquement compressibles, tels que du caoutchouc mousse, de la mousse de polyuréthane, des granules de polystyrène mousse inclus dans une rdsine époxyde ramollie ou des matériaux mousses analogues. Sur le côté externe des couches extérieures, on peut disposer des plaques de recouvrement qui,. pour maintenir une épaisseur pratiquement invariable des couches extérieures, peuvent prendre appui l'une sur-ltautre, ou sur la couche médiane lourde, par l'intermédiaire dtéléments d'espacement en matériau plus rigide. I1 est également possible, comme dans les réflecteurs encapsulés connus, d'encapsuler de façon étanche à l'eau les couches molles de manière à former-un réflecteur comprenant deux couches compressibles légères encapsulées disposées à l'extérieur et une couche médiane lourde. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple les Fig.l à 4 représentent diverses formes d'exécution de réflecteurs suivant l'invention sous une forme schématique, et la Fig.5 est un graphique expliquant le fonctionnement des réflecteurs des Fig.l à 4. Dans les réflecteurs représentés, devant et derrière une couche médiane 2 en un matériau de poids spécifique élevé tel que de l'acier, sont disposées, respectivement, des couches extérieures 1 et 3 en un matériau compressible de faible poids spécifique, tel qu'une matière mousse. Dans les trois exemples d'exécution, ces trois couches sont appliquées les unes contre les autres sans intervalles. Elles peuvent être, par exemple, collées les unes sur les autres. La couche médiane 2 est, de préférence, une couche d'un métal lourd tel que de l'acier mais elle peut également être,par exemple, une couche d'autres matériaux lourds tels que du verre ou des matières céramiques. Dans les exemples représentés, les couches sont parallèles et planes. Toutefois, au lieu'due couches planes, on pourrait également prévoir des couches bombées. De même, les couches peuvent être dans certains cas, suivant les conditions existantes, limitées par des surfaces planes non parallèles. La couche médiane 2 peut également être, comme représenté sur la Fig.4, formée en fait de plusieurs couches identiques ou différentes et, par exemple, de plaques 2a, 2b et 2c. Les couches extérieures 1 et 3 sont en un matériau de faible poids spécifique et compressible ou en des mélanges de tels matériaux; elles peuvent être, par exemple, en caoutchouc mousse, en mousse de polyuréthane, en un matériau mou tel qu'une résine époxyde ramollie dans laquelle sont inclus des granules de polystyrène mousse, ou des bulles d'air relativement grosses. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig.l, les couches extérieures 1 et 3 sont directement en contact avec l'eau 0 qui transmet le son. La Fig.2 représente une forme d'exécution dans laquelle les couches extérieures 1 et 3 sont munies, sur leur côté extérieur, de plaques de recouvrement 4 et 5 qui prennent appui sur la couche médiane 2 disposée entre les couches extérieures 1 et 3 par des éléments d'espacement 6 et 7. Les plaques de recouvrement et les éléments d'espacement peuvent être en tous matériaux désirés quelconques d'une résistance mécanique -suffisante qui absorbent les forces de pression de l'eau aux grandes profondeurs et empêchent ainsi, ou tout au moins réduisent à une valeur minimale, la compression des couches molles. De préférence, les plaques de recouvrement et les éléments -d'espacement sont également en matière plastique, élastique mais rigide, telle que, par exemple, du polyuréthane. Dans la forme d'exécution représentée à la Fig.3, les plaques de recouvrement 4 et 5 sont assemblées par des parois latérales 8 en un boîtier fermé, qui enveloppe de façon étanche à l'eau les trois couches 1, 2 ou 3 du réflecteur. Dans ce cas également, on peut prévoir, en plus des parois latérales, des éléments d'espacement 6 et 7, comme dans la forme d'exécution de la Fig.2. Grâce à partir des propriétés des couches élémentaires. Comme équations quadripolaires de systèmes acoustiques, on a: Ps = Pe A + Ve . B et Vs = Pe . C + Ve d où les valeurs Pe et Ps sont les valeurs complexes de la pression acoustique et Ve et Vs, les valeurs complexes de la vélocité acoustique, côté entrée et côté sortie du quadripôle acoustique. La matrice (A B) caractérise, on le sait, le-quadripôle acoustique (C d) est l'impédance caractéristique du système. A est dans un qùadripôle symétrique égal à d et représente le rapport Pe/Ps à vide, c'est-à-dire dans le cas où à la sortie > la vélocité Vs est nulle. Avec un bon réflecteur, A est grand. Dans l'exemple considéré, on a De la manière habituelle, on pose A = Cos g = Cos a cos b + &gamma; sin a sin b (5) Avec des matériaux sans pertes, et l'on peut considérer comme tels en premier lieu les matériaux des couches extérieures et de la couche médiane,on a sin a sin b = o (6) et, par conséquent, cos a cos b = cos g (7) Dans la zone bloquée entre la fréquence limite inférieure et la fréquence limite supérieure fO, le système présente des propriétés de réflexion; ici a > o et sin b = o. Comme cos b n'est jamais supérieur à 1, et que cos g ne peut jamais être plus petit que 1, on sait qu'on a dans la zone bloqué |cos gt > 1 et dans la bande passante (cos g Ces critères généraux relatifs à la zone bloquée et à la zone passante seront utilisés ci-après pour la discussion de l'équation (4). Pour obtenir une zone de blocage aussi importante que possible, pour la largeur de bande passante désirée du réflecteur, il est nécessaire que la fréquence limite: inférieure fU corresponde à un t1 et à un t2 aussi petits que possible car, pour t ou L1 pour f 2 = 2 on retombe dans une zone passante. On est donc en présence qualitativement d'un comportement de blocage dépendant de la fréquence. Pour la fréquence limite inférieure, on a Comme 1 et 2 sont petits, on peut écrire approximativement cos 2#1 . cos #2 = 1 et l'on a : #1 et #2 deviennent, respectivement 2 # d1 ; fu et 2 # d2 . fu C1 G2 et comme #1 et #2 à la fréquence limite iAférieure sont2 petits, le sinus est pratiquement égal à son arc. En reportant ces valeurs dans l'équation (9) et en résolvant celle-ci pour la fréquence limite, on a : C1 C2 L'équation (10) est valable, d'une manière générale, pour une construction symétrique du réflecteur à trois couches, l'indice 1 correspondant, comme précédemment infiqué, aux deux couches extérieures et l'indice 2, à la couche médiane. Pour les réflecteurs, on choisit des matériaux avec lesquels on a #1C1 > 1 #2C2 Dans le premier cas, on est en présence d'un réflecteur dont les couches extérieures sont légères, compressibles et très perméables au son et dont la couche médiane est lourde et peu perméable au son; dans le second cas, c'est l'inverse. En pratique, on choisi des matériaux qui sont également respectivement très perméables et peu perméables au son par rapport à l'eau. lc (11) pour plCl 1 on a fi (11) 2 2 2C2 et pour Q C 1 on a 1 C (12) Le Le premier cas correspond, jusqu'à une fréquence pour laquelle et 9 sont plus petits que # à un filtre passe-bas électrique à montage en,tandis qu'à l'entrée et à la sortie sont disposés deux éléments très perméables au son analogues à des capacités -l ---2 E1 i 5, . 10g g cm s #1 # 0,7 g cm- La vitesse du son dans ce matériau est donc cl 3 . 102 m . s- = 3.104 cm.s- On supposera que la couche médiane 2 est en acier avec P2 # 8 g. cm-3 et a2 2 5.103 m s = 5. lo5 . cm. s Le réflecteur doit être efficace dans la bande de fréquence de fu = 1 kHz à f IOkHz o L'épaisseur de la couche extérieure est, d'après l'4quation (15) dl C1 = 7,5 mm 4 f0 L'épaisseur de la plaque d'acier doit être déterminé d'après l'équation (11) f et atteint d2 = 5,3 cm. Pour fournir, on va encore indiquer brièvement le comportement pour une incidence oblique du son. L'onde traversante a, dans un réflecteur à trois couches, à peu près l'allure représentée sur la Fig.l. Pour une incidence oblique du son, les couches extérieures sont plus perméables au son qu'avec une incidence de 900 car, par rapport à l'eau, un canal sonore plus large est disponible. La couche médiane est moins imperméable aux sons car, dans ce cas, les conditions sont inversées et à partir d'un angle d'incidence du son t relativement petit, une réflexion totale se produit. Le réflecteur réfléchit donc encore mieux dans le cas d'une incidence sonore oblique que pour une incidence de 900. En outre, la-pratique montre qu'en raison de l'amortissement intérieur assuré par les couches extérieures légères, la fréquence limite supérieure n'est plus guère décelable. De nombreuses modifications sont encore possibles, dans le cadre de l'invention; en particulier, le réflecteur, par analogie avec les filtres passe-bas électriques, peut aussi être muni de plus de trois couches ou bien l'on peut disposer l'un derrière l'aut: I plusieurs réflecteurs à trois couches du type décrit. En outre l'invention est, bien entendu, applicable à des réflecteurs utili-és dans des liquides autres que l'eau. :î n'est pas non plus indispensable de donner aux deux couches extérieures la mAeme épaisseur. REVENDlCATI9NS I. - Réfleeteur pour ondes sonores se propageant dans l'eau, pouvant fonctionner même sous de fortes pressions d'eau et comportant une couche extérieure d'un matériau compressible et léger par rapport à l'eau, caractérisé par le fait que, de part et d'autre d'une couche médiane (2) en matériau de poids spécifique élevées de préférence incompressible, sont respectivement disposées deux couches extérieures ( 5) en un matériau de faible poids spécifique et compressible 2. - Réflecteur suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la couche médiane (2) est en métal. 3. - Réflecteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche médiane (2) est en acier. 4. - Réflecteur suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la couche médiane (2) est formée d'au moins deux plaques (2a, 2b, 2c). 5. - Réflecteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les couches extérieures (î, 3) sont en caoutchouc mousse. 6. - Réflecteur suivant la revendication I, caractérisé par le fait que les couches extérieures ( 3) sont en mousse de polyuréthane. 7. - Réflecteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les couches extérieures (I, 3) sont en polystyrène mousse noyé dans une résine époxyde ramollie. 8. - Réflecteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des plaques de recouvrement (4 5) sont disposées sur les côtés extérieurs des couches extérieures (1, 3). 9. - Réflecteur suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que les plaques de recouvrement (4, 5) prennent appui contre la couche médiane (2) disposée entre les couches extérieures. 10. - Réflecteur suivant la revendication 9; caractérisé par le fait qu'il est prévu pour assurer l'appui des plaques de recouvrement (4, 5) des éléments d'espacement (6, 7) encastrés dans les couches extérieures (1, 3). Il. - Réflecteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les couches extérieures (1, 7) sont enfermées chacune, d'une manière connue en soi, dans une capsule étanche à l'eau 12. - Réflecteur suivant l'une quelconque des revendieations 1 à 11, caractérisé par le fait qu'il présente, pour une gamme de fréquences fu à f , une épaisseur des couches extérieures a 1 X cl a 1 # 1 4f0 et une épaisseur de la couche médiane de d2 # c1 2#1/#2 fu fu/f0 où cl et t 1 sont respectivement, la vitesse du son dans les couches extérieures et la densité de celles-ci, et où r2 est la densité de la couche médiane.