Brevet FR2177504A1 — publié le 19731109

L'invention a pour objet un dispositif pour repérer la direction d'une source d'ondes acoustiques ou électromagnétiques. Le secteur technique intéressé est celui de la détection d'un émetteur d'ondes acoustiques ou électromatnétiques dont une application particu lière est le marquage acoustique d'un objet situé sous l'eau afin de permettre des plongeurs de retrouver aisément celui-ci. Dans ce but, on immerge, à proximité de l'objet à retrouver, un marqueur acoustique qui émet périodiquement des sons ou des ultra-sons de fréquence connue. Le plongeur dispose d'un détecteur portatif qui lui indique dans quelle direction se trouve l'émetteur acoustique et se dirige vers celui-ci qui fait fonction de balise. On connalt déjà des détecteurs portatifs, pour plongeurs, comportant une base acoustique -Lie de deux hydrophones qui transforment les vibrations acoustiques en tensions électriques de même fréquence. Le déphasage entre ces deux tensions varie entre + 900 et - 900 suivant l'angle que fait la direction de l'émetteur avec le plan de symétrie des hydrophones lorsque la distance entre les deux hydrophones est égale à une demi longueur d'onde A/2. On mesure cette différence de phase sur un phasemetre. Elle est nulle si l'indicateur est dirigé vers l'émetteur acoustique et elle varie dans un sens ou dans l'autre selon que le plongeur se dirige vers la droite ou vers la gauche de l'émetteur. On peut visualiser cette différence de phase par deux lampes de couleur différente dont l'une ou l'autre s'allume selon le sens dé l'écart entre la direction dans laquelle se dirige le plongeur et la direction de l'émetteur. Ce type de détecteur présente plusieurs inconvénients. En particulier, le plongeur peut se diriger en sens inverse de l'émetteur. En effet, dans ce cas, il reçoit tout de même des signaux acoustiques qui font fonctionner le détecteur sans que rien ne lui permette de se rendre compte de son erreur. D'autre part, lorsque le plongeur se dirige dans la bonne direction le signal est nul et, dans ce cas, le moindre signal parasite peut introduire des erreurs. En particulier si le détecteur capte des échos ceux-ci présentent une différence de phase avec le signal direct, même si le détecteur est bien orienté dans la direction de l'émetteur. Le bruit de fond peut également perturber l'indication fournie par l'appareil. A proximité du marqueur acoustique le repérage de celui-ci devient difficile. Or le but à atteindre est situé généralement dans des eaux troubles et peu éclairées et le plongeur est amené à rechercher longuement son but. La présente invention a pour objet un dispositif pouvant être utilisé pour localiser une balise acoustique avec une très grande précision directionnelle. Le détecteur selon l'invention permet de faire varier à volonté la sensibilité de Sorte que le plongeur peut utiliser une sensibilité faible pour repérer approximativement la direction de la balise et ensuite une sensibilité très grande pour se diriger vers celle-ci et être prévenu dès qu'il steearte très légèrement de la direction de la balise. Il est déjà connu, pour la détection des émetteurs d'ondes électromagnétiques, d'utiliser deux antennes et d'étudier la somme ou la différence des tensions captées par ces deux antennes. On sait que cette somme et cette différence sont deux tensions oscillantes en quadrature de phase. Si on décale de 900 l'une d'entre elles, on obtient deux tensions en phase que l'on envoie sur les plaques d'un oscillographe. Le spot décrit alors un trait dont l'orientation par rapport aux axes est égale à l'orientation de l'émetteur par rapport à l'axe de symétrie des deux antennes du détecteur. Bien entendu un tel dispositif comportant un oscillographe ne peut être utilisé comme dispositif portatif par des plongeurs. L'invention a pour objet un détecteur utilisant également des circuits électroniques faisant la somme et la différence des tensions émises par deux antennes a partir des ondes captées. Ces sommes et ces différences sont combinées entre elles de façon originale pour fournir une tension continue résultante qui est maxima lorsque le détecteur est dirigé vers l'émetteur et qui décroît très vite lorsqu'on l'écarte de cette direction. Cette tension résultante peut alimenter un indicateur auditif et/ou un indicateur visuel. Un dispositif selon l'invention est composé de deux antennes qui captent deux tensions alternatives fournies parades ondes acoustiques ou électroniques. Ce dispositif comporte des circuits, de préférence électroniques, pour additionner d'une part et pour soustraire d'autre part ces deux tensions alternatives. La somme et la différence ainsi obtenues sont redressées. On soustrait ensuite les deux tensions continues de même signe ainsi obtenues puis, au moyen d'une diode, on arrête la tension différence obtenue si elle est de signe contraire aux deux tensions continues. On obtient une tension continue qui alimente un indicateur auditif et/ou visuel. Un réflecteur d'ondes est placé de préférence à l'arrière des antennes. Avec un tel dispositif, s-i l'on reporte sur un plan horizontal, en coordonnées polaires, l'intensité de la tension obtenue selon la direction de la source par rapport au dispositif, on obtient une courbe dite lobe de directivité. Sans le réflecteur cette courbe a la forme d'un huit. Le réflecteur supprime le lobe arrière. La sensibilité de ce dispositif est d'environ 30 de part et d'autre de l'axe, c'est-à-dire que le lobe de directivité est inclus à l'intérieur de deux droites divergeant de 300 de part et d'autre de l'axe de l'appareil. Si l'émetteur est en dehors de ce secteur d'ouverture totale de 600 on ne décèle plus aucun signal. Un avantage très important du dispositif selon l'invention tient à ce que l'on peut faire varier la directivité pour l'augmenter ou la réduire en tournant seulement un bouton. Ce résultat est obtenu en incorporant au dispositif un amplificateur à gain variable qui amplifie la tension formée par la différence des deux tensions alternatives après que celle-ci a été redressée et avant qu'elle soit soustraite de la somme redressée. Si la valeur absolue du gain 1KI de l'amplificateur est inférieure à; 1 l'ouverture du lobe de directivité augmente et atteint 80" de part et d'autre si K = 0. Si la valeur absolue du gain |K| IKI est supérieure à 1 l'ouverture du lobe de directivité se réduit rapidement. Pour SKI K = 5 elle est de + 100. Pour 1K = 20 elle est de + 1 > 70. On voit donc que le repérage de la direction de la source peut commencer par une localisation approximative en choisissant un K voisin de 1 puis par une localisation très précise en augmentant K. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une bonne précision pour une distance entre les deux capteurs d'ondes inférieure ou égale à 2 Si la fréquence de la source est de 30 000 HZ, la vitesse de propagation dans l'eau étant de l'ordre de 1500 m, la longueur d'onde est de 5 cm et la distance entre capteurs de 2,5 cm. Cette faible distance permet donc de faire des appareils en forme de torche, peu encombrants, tout en étant très précis. Le résultat de l'invention est un produit nouveau constitué par un appareil pour repérer la direction d'un émetteur. Cet appareil peut être réalisé sous un faible encombrement et etre portatif. Dans une forme de réalisation préférentielle, l'appareil comporte un amplificateur à gain variable et sa précision peut être très grande. La conception et les résultats de l'invention sont expliqués dans la description ci-après se référant aux dessins annexés. La figure 1 est un schéma en plan. La figure 2 est un schéma des circuits électroniques composant l'appareil détecteur selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont des diagrammes en coordonées polaires. La figure 5 est un diagramme en coordonnées polaires. Les figures 6, 7, 8, 9 et 10 sont des courbes représentant les tensions à la sortie des différents étages de l'appareil. La figure 1 représente, en plan, en 3, un émetteur d'ondes acoustiques, sonores ou ultrasonores qui est immergé, par exemple, à proximité d'un but vers lequel doit se diriger un plongeur. L'émetteur 3 constitue une balise acoustique. Le plongeur se guide vers cette balise au moyen d'un détecteur acoustique selon l'invention. Ce détecteur comporte une tête acoustique composée d'un hydrophone de tout type connu. Cet hydrophone comporte deux capteurs d'ondes acoustiques 1 et 2 placés à une distance d l'un de l'autre. La ligne x x' représente la trace du plan par rapport auquel les capteurs 1 et 2 sont symétriques qui est appelé le plan de symétrie de l'appareil. L'angle a représente l'orientation du détecteur par rapport à la direction de la source 3. L'angle a peut varier entre - 1800 et + 1800. Un réflecteur d'ondes acoustiques 4 est placé à l'arrière des deux capteurs 1 et 2 de sorte que le détecteur ne capte des ondes acoustiques perceptibles que lorsque a est compris entre - 900 et + 900. Les capteurs d'ondes 1 et 2 sont des transducteurs piézoélectriques qui transforment les variations de pression dues aux oscillations acoustiques en tensions alternatives el et e2. Les capteurs 1 et 2 sont constitués, par exemple,par des céramiques piézoélectriques. La source 3 émet périodiquement sur une fréquence acoustique déterminée correspondant à une longueur d'onde précise, par exemple, elle émet toutes les secondes pendant 20 millisecondes sur une fréquence de 30 KHZ. La longueur d'onde X correspondante dans l'eau est alors de 5 cm. La distance d entre les capteurs 1 et 2 est de préférence égale à la demi longueur d'onde soit 2,5 cm ou même inférieure. La figure 2 représente en 1 et 2 les deux capteurs, distants de A/2 et le réflecteur 4. Les lettres B C D E F G représentent les différents étages des circuits électroniques constituant l'appareil dont la fonction est décrite ci-après. L'étage B reçoit les deux tensions alternatives el et e2 émises par 1 et 2. L'étage B comporte un circuit électronique additionneur qui forme la somme S des tensions el et e2 et un circuit soustracteur qui forme la différence D des tensions alternatives el et e2. Les tensions eî et e2 sont égales mais présentent entre elles un déphasage qui varie avec l'angle a. Lorsque a = O les deux tensions el et e2 sont en phase, la somme S est maxima et la différence D = 0. Lorsque a - + 900 les deux tensions el et e2 sont en opposition de phase si d - 2 2 S est alors nulle-et D maximum. Les tensions S et D sont des tensions alternatives de même fréquence que el et e2 et sont en quadrature de phase entre elles. La figure 6 représente en trait plein, en ordonnées, la variation de l'amplitude maxima de S et en traits pointillés la variation de l'amplitude maxima de D en fonction de l'angle a. Les courbes représentant ces variations sont sinusoldales. A leur sortie de l'étage B les tensions sinusoidales S et D sont envoyées sur l'étage redresseur C. La tension S est redressée positivement c'est-à-dire que le redresseur comporte une diode 5 orientée de façon à ne laisser passer que les alternances positives. Par contre la tension D est redressée négativement, c'est-à-dire que le redresseur comporte une diode 6 orientée de façon à ne laisser passer que les alternances négatives. A la sortie du redresseur 5 on obtient une tension continue positive désignée par II. A la sortie du redresseur 6 on obtient une tension continue négative désignée par - |D | . La figure 7 représente les variations des tensions ainsi redres sées 1SI et - |D| en fonction de a. On voit que |S| varie comme S. Par contre la courbe représentant - |D| présente un point de rebroussement pour a = 0. Ce point de rebroussement est très important car il entraîne une variation très rapide de de part et d'autre de a = 0 qui permet une grande sensibilité dans la détection de la position a = O. L'étage D représente un amplificateur 7, à gain K variable, qui amplifie la tension - |D| emise par 6. La tension à la sortie de l'amplificateur 7, est égale à - K |D|. La figure 8 représente, en fonction de a les valeurs de la tension s! inchangée et des tensions à la sortie de l'amplificateur 7 selon les valeurs choisies pour K. Pour K t 1 on retrouve les courbes de la figure 7. Si K croît les variations de la tension - |D| IDj de part et d'autre du point de rebrousse- ment deviennent de plus en plus rapides. On a représenté sur la figure 8 les courbes de variation de l'amplitude maxima correspondant aux valeurs de K = 1, 2, 5 et 20. L'étage E est composé par un circuit électronique quiadditionne les tensions continues PSI et - K |D| IDI fournies par l'étage D. A la sortie de E on obtient donc une tension positive ou négative, qui est égale à la différence entre la tension continue |S| et et à la tension continue K |D|. La figure 9 représente, en fonction de a, les valeurs de cette tension |S| - - |D| K !D! pour des valeurs de K = 0, 1, 2, 5 et 20. On voit que pour les valeurs de K croissantes, le secteur dans lequel cette tension est positive va en se réduisant. Bien entendu, le résultat obtenu serait le même si le redresseur 6 redressait positivement en délivrant une tension continue positive égale à Dl et si l'étage E était constitué de circuits formant la différence entre les tensions positives |S| et K Dl. En variante, le redresseur 6 peut redresser positivement, l'amplificateur K, inverser la polarite et l'étage E être un étage d'addi tion faisant la somme de |S| positif et de K |D| négatif. Quelle que soit la combinaison utilisée, l'étage E fait la somme entre deux tensions continues de signe contraire et l'on obtient, à la sortie de E la différence entre d'une part une tension continue ISîformée par redressement de la tension alternative S = el + e2 et d'autre part une tension continue de même signe K |D| IDI formée par redressement de la tension sinusoïdale D = e1 - e2 et amplification avec un gain K. Si |D| IDI est redressé négativement K est positif. Si |D| |D| est redressé positivement K est négatif. L'étage F est une diode qui laisse passer la tension de sortie de l'étage E uniquement si elle est de même sens que les deux tensions redressées S et K |D|. La figure 10 représente en fonction de a la valeur de la tension continue E obtenue à la sortie de l'étage F dans le cas où |S|, K Dl et E sont positives. On démontre oue la tension continue E sortant de l'étaye F s' exprime par la formule Le cas ou K = U correspond a celui d'un dispositit utilisant uniquement la somme redressée des tensions eî + e2. Le cas où K = 1 correspond à un dispositif qui n'aurait pas d'amplificateur 7. Dans ce cas on obtient une tension de sortie lorsque l'angle a est compris entre + 300. Pour K = 5 on obtient une tension de sortie uniquement pour a compris entre + 100. Pour K = 20 on obtient une ten sion de sortie si a est compris entre + 1,70. Les circuits permettant d'obtenir les fonctions somme, différence, redressement, amplification qui sont utilisées dans le dispositif selon 1 invention peuvent être réalisés selon de nombreuses variantes bien connues des techniciens en électronique et, de ce fait, ils ne sont pas décrits. L'étage G est l'étage indicateur. Il peut comporter un indicateur sonore M, un indicateur visuel V ou un appareil de mesure G. On peut, par exemple, découper en impulsions,de fréquence acoustique ,la tension continue sortant de F et alimenter des écouteurs 8 portés par le plongeur. Les figures 3 et 4 représentent, en coordonnées polaires, les lobes de directivité obtenus avec des dispositifs selon l'invention. Ces lobes sont obtenus en portant dans chaque direction 0 Z faisant avec x =' un angle a, une longueur OM de longueur proportionnelle à l'in tensité en décibel du son émis par l'écouteur, intensité qui est proportionnelle à la valeur de la tension de sortie de l1étage F telle qu'elle appa raît en ordonnée sur une des courbes de la figure 10. La figure 3 représente deux lobes de directivité symétriques. La figure 4 représente le cas où la tête acoustique comporte un réflecteur 4 et il ne subsiste qu'un seul lobe de directivité. La figure 5 est un diagramme, du même type, représentant, en décibels, les intensités des sons émis par l1écouteur selon le coefficient d'amplification K adopté. Le lobe 1 correspond au cas où K = O, le lobe 2 au cas où K = 1, le lobe 3 au cas où K = 5 et le lobe 4 au cas où K = 20. On voit que ce dernier lobe est très étroit, son ouverture angulaire étant seulement de + 1,70. On voit également que, quel que soit le coefficient K adopté et quelle que soit donc la largeur du lobe de directivité, l'intensité du son capté pour a = O reste la même. Le dispositif selon llinvention permet donc d'accroître la précision du repérage sans diminuer l'intensité du son reçu. On voit également que le son reçu est toujours maximum pour a = 0, c'est-à-dire autour de la direction qui est justement celle dans laquelle doit être dirigé le détecteur. Si le plongeur est gêné par des bruits de fond, il peut donc faire disparaître ceux-ci en diminuant la sensibilité du détecteur. Un détecteur selon l'invention peut comporter, de plus, un dispositif permettant un guidage plus aisé en indiquant dans tous les cas au plongeur quand il se trouve à l'intérieur du lobe 1 correspondant au cas où K = 0, c'est-à-dire au lobe correspondant au cas où le signal reçu est constitué uniquement par la somme redressée lel + e21. Les étages redresseurs C comportent,à la sortie des diodes, des condensateurs en parallèle avec des résistances formant un circuit RC. La tension continue |S| ou ou - Dl est la tension apparaîssant aux bornes du condensateLr laquelle persiste pendant le temps de décharge du condensateur. Il suffit de choisir pour le redresseur 5 un circuit RC ayant une constante de temps légèrement supérieure à la constante de temps du redresseur 6, par exemple supérieure d'une quantité de l'ordre de quelques millisecondes. Pendant cette durée de quelques millisecondes, on obtiendra donc uniquement une tension égale à la somme qui sera positive si le détecteur est à l'inte- rieur du lobe (1). On sait que physiologiquement, on n'a pas le temps de percevoir un son de durée aussi brève mais le plongeur entendra un souffle, à la fin de chaque émission de la balise, dans la mesure où il restera bien à l'intérieur du lobe (1). Bien entendu si, de plus, il se trouve orienté à l'intérieur du lobe correspondant au K choisi il entendra préalablement le son émis par l'écouteur pendant toute la durée de chaque émission de la balise. Ce dispositif supplémentaire est très utile en pratique car il permet au plongeur d'être certain que sa direction est orientée au moins à l'intérieur du grand lobe même s'il quitte le lobe plus étroit qu'il suivait. Les avantages du dispositif selon l'invention sont donc - une directivité très précise avec une antenne de dimension d très réduite; - la possibilité de faire varier l'ouverture du lobe de directivité d'où la possibilité d'effectuer d'abord un repérage approché et ensuite, pendant le cheminement, un repérage plus précis; - la suppression des lobes secondaires dans toute la plage de réglage; - le fait que l'intensité du son capté sur l'axe est maxima et constante quel que soit le réglage du dispositif. Le détecteur selon l'invention permet d'utiliser un écouteur ce qui présente des avantages importants pour un plongeur. En effet, la lecture d'un indicateur visuel est difficile dans des eaux sombres ou opaques ce qui est un cas fréquent. Le plongueur doit alors tenir l'indicateur à proximité pour voir l'indicateur visuel mais son corps risque alors de produire des echos qui faussent le repérage. Au contraire, l'indicateur selon l'invention, équipé d'un écouteur, peut être tenu à bout de bras et ne capte pas les échos réfléchis par le plongeur, Une application du dispositif selon l'invention est la détection des sources acoustiques sous l'eau principalement pour permettre à des plongeurs de se diriger vers un but à proximité duquel on a immergé un marqueur acousti que. Ce dispositif peut également servir à repérer la direction d'une source acoustique dans l'eau, par exemple, d'un submersible. Il peut également servir dans l'air à condition de l'équiper d'une tête acoustique avec des transducteurs capables de transformer les ondes acoustiques transmises par l'air en tensions sinusoldales. Bien que la description qui précède se réfère exclusivement à un dispositif pour repérer une balise acoustique, cet exemple nta rien de limitatif. Un dispositif selon l'invention peut également être appliqué pour repérer la direction d'un émetteur d'ondes hertziennes en remplaçant simplement les deux hydrophones par deux antennes. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif dont le schéma a été décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour repérer la direction d'un émetteur d'ondes acoustiques ou électromagnétiques comportant deux antennes qui captent deux tentions alternatives, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit pour faire la somme, et un circuit pour faire la différence de ces deux tensions alter natives; un circuit pour redresser ladite somme et un circuit pour redres ser ladite différence; un circuit pour faire la différence des deux ten sions continues de même signe ainsi obtenues, une diode pour supprimer la tension obtenue si elle est de signe contraire à celui des deux tensions redressées et un indicateur sonore ou visuel qui est alimenté par la ten sion continue ainsi obtenue, laquelle est maxima lorsque le dispositif est dirigé vers l'émetteur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un amplificateur à gain variable qui amplifie ladite différence des deux tensions alternatives après qu'elle a été redressée et avant qu'elle soit soustraite de la somme redressée des deux tensions alterna tives de sorte qu'en augmentant la valeur absolue du gain, on augmente la précision de l'appareil. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance entre les deux antennes est inférieure ou égale à la demi longueur d'onde de l'onde acoustique émise par l'émetteur. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit pour redresser positivement la somme des deux tensions alternatives et un circuit pour redresser négativement la différence des deux tensions alternatives, laquelle est éventuellement amplifiée avec un gain K positif et le dispositif comporte un circuit pour additionner les deux tensions continues de signe contraire ainsi obtenues, et une diode pour supprimer la tension somme si elle est négati ve et un indicateur sonore ou visuel alimenté par la tension continue positive sortant de la diode. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour repérer la direction d'une source d'ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comporte une base acoustique composée de deux hydrophones et d'un réflec teur d'ondes acoustiques placé derrière les deux capteurs d'ondes acoustiques. 6 - Dispositif selon la revendication 5 équipé d'un indicateur sonore, dans lequel les redresseurs de la somme des tensions alternatives et de la différence des tensions alternatives comportent une diode et un circuit RC, la tension redressée étant la tension entre les armatures du conden sateur, caractérisé en ce que la constante de temps du circuit RC du redresseur de la somme est supérieure de quelques millisecondes à la constante de temps du circuit RC du redresseur de la différence, de sorte qu'à la fin de chaque émission de la source acoustique, l'utilisateur perçoit un souffle dans l'écouteur dans la mesure où sa direction est située à l'intérieur d'un secteur ayant une ouverture de 80 de part et d'autre de la direction de la source.