Brevet FR2179581A1 — publié le 19731123

La vitesse du vent est actuellement mesurée à l'aide des anémomètres classiques, utilisés notamment par les services de la météorologie nationale. Ces appareils classiques, bien mis au point au cours d'une longue expérience, répondent parfaitement aux exigences de ce service. Par contre, pour d'autres usages, notamment pour la connaissance des valeurs maximales des vents qui peuvent s'exercer sur les futurs ouvrages d'art de grande hauteur, ainsi que pour déterminer la structure fine du vent et sa distribution en fonction de l'altitude, les anémomètres classiques ne conviennent plus, car d'une part leur précision pour les grandes vitesses de vent est incertaine, d'autre part ils nécessitent des supports matériels qui perturbent l'écoulement de l'air en leur voisinage et ne permettent pas des mesures à grande hauteur. La présente invention a pour objet un anémomètre qui-ne présente pas les inconvénients ci-dessus. Cet anémomètre est caractérisé en ce qu'il comprend un laser à impulsion, un système optique pour concentrer en un point situé au-dessus du sol les photons émis par le laser, au moins trois capteurs acoustiques disposés sur le sol, et des moyens pour mesurer le temps séparant l'impulsion lumineuse du laser et chacun des signaux reçus par les capteurs. Lorsque le laser émet une impulsion lumineuse, les photons émis se concentrent au foyer du système optique et, si la concentration en photons par unité de surface est suffisante, il se produit à ce foyer une ionisation de l'air et une formation de plasma qui provoque une sorte de microexplosion lumineuse et sonore ; cette microexplosionalieu pratiquement en même temps que l'impulsion lumineuse du laser. L'onde de choc de cette microexplosion constitue un signal sonore très bref, de l'ordre de quelques microsecondes, et très intense. Be signal est perçu par chacun des capteurs au bout d'un temps qui dépend de la vitesse du son dans l'air ainsi que de la vitesse et de la direction de cet air. De la mesure du temps, il est facile de déterminer les composantes suivant trois axes de la vitesse de l'air. Si on connait la vitesse du son, trois capteurs suffisent ; par contre, si on désire également la mesurer, quatre capteurs sont nécessaires. En faisant varier l'altitude de la microexplosion, c 'est-à- dire la distance focale du système optique, on peut obtenir la courbe de variation du vent, en vitesse et en direction en fonction de l'altitude. L'ensemble du dispositif peut être entièrement automatisé ; notamment un anémomètre classique peut déclancher le fonctionnement de l'anémomètre à laser lorsque la vitesse du vent dépasse un certain seuil. On a décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un anémomètre selon l'invention, avec référence au dessin annexé dans lequel La Figure 1 est un schéma du laser et de son dispositif optique La Figure 2 est un schéma de l'ensemble du laser. A la Figure 1, on voit en 1 un laser qui est disposé verticalementet devant leauel est placé un système optique divergent D, tel qu'une lentille, muni de moyens de réglage micrométrique. Le dispositif D envoie le faisceau du laser sur un miroir parabolique M tourné vers le haut ; lorsque le laser émet une impulsion lumineuse, il se forme, au foyer F du miroir M, une microexplosion sans support matériel, Sur le sol sont disposés quatre capteurs A, A', B et B'. Dans l'exemple représenté au dessin, les capteurs A et A' sont placés sur l'axe Nord-Sud passant par le pied O de la verticale du foyer F, de part et d'autre de ce point, les capteurs B et B' étant placés sur l'axe Ouest-Est passant par le pied 0, de part et d'autre de celui-ci. Des appareils de mesure Me liés au laser 1 et aux capteurs permettent de mesurer le temps séparant l'impulsion lumineuse du laser L et chacun des signaux reçus par les capteurs A, A', B, B', donc les temps de propagation de l'onde sonore à ces capteurs. Dans ce qui suit, on suppose tout d'abord, pour simplifier, que le vent a une intensité et une direction constantes sur toute la hauteur 0F intéressée par le phénomène, et on désigne par - W la vitesse du son dans l'air - VN, VE et Vz les trois composantes de la vitesse du vent, supposée constante sur les trois axes : sud nord - ouest est - et vertical. - a, a', b et b' les distances séparant du point O les capteurs A, A', B et B' - h la hauteur de l'explosion, - t, t', t", et t"', les temps de transmission de l'onde sonore aux quatre capteurs acoustiques0 Lors d'une microexplosion résultant d'une impulsion du laser, le signal sonore dû à cette microexplosion est produit dans l'air et se déplace en même temps que cet air. Dans un système d'axes liés à la vitesse du vent, l'onde sonore se propage de façon sphérique, le rayon de la sphère s'accroissant à la vitesse W ; ce rayon est donc égal à Wt au bout du temps t. Pour le calcul des temps de transmission de la microexplosion aux capteurs, il est plus simple de considérer l'ensemble par rapport à des axes liés à l'air. Dans ces axes, les capteurs du plan ONE se déplacent par translation, à une vitesse égale mais opposée à celle du vent, soit : - VN, - VE et - Vz ; l'onde sonore dans ces axes est sphérique, son centre étant fixe. On a alors les relations ( (h + Vz .t)2 + (V3.t)2 + (a - VN.t)2 = W2.t2 (h + V .t')2 + (VE.t')2 + (a' + VNotl)2 = W2.t'2 (h + Vz.t")2 + (VN.t")2 + (b - VE.t")2 = W2.t"2 ( (h + Vz.t"')2t"' )2 + (VN.t"' )2 + (b' + VE.t"' )2 = W2.t"' 2 Ces quatre équations ont quatre inconnues : Vz, VN, VE et W qui peuvent donc être ainsi déterminées. La résolution de ce système d'équation est simple, car en fait elles se présentent sous forme semi-linéaire.En effet, on peut écrire la première h2 + 2 h.Vz.t + a2 - 2a VNot = (W2 - V2).t2 et ainsi de suite pour les trois autres, (V est la vitesse du vent, et l'on a V2 = VN2 + VE2 + Vz2). il suffit alors de les diviser respectivement par t2, t'2, t"2 et t"'2 et de les retrancher les unes des autres pour obtenir un système d'équation linéaire. Dans le cas où l'on utilise quatre capteurs, l'une des meilleures dispositions de ceux-ci est celle qui consiste à placer un des capteurs au centre O et un autre à chacun des sommets d'un triangle équilatéral, de centre 0 et ayant l'un de ses sommets sur l'axe ouest-est, vers lest, à la distance a du centre. Si on appelle t le temps de propagation de l'onde au capteur central, t' son temps de propagation au capteur situé sur l'axe ouest-est, et t" et t"' les temps de propagation aux deux derniers capteurs. On obtient alors les formules Le bruit produit par la microexplosion a une durée inférieure à la microseconde. il est alors facile de mesurer les temps de propagation au dix millième de seconde. Si, par exemple, dans une installation où h = 100 m et a = 30 m on a mesuré les temps de parcours suivants, exprimés en millisecondes : t = 288,1 t' = 291,1 t" = 301,9 t"' 311,0 on trouve, en appliquant les formules ci-dessus, les valeurs suivantes exprimées en mètres par seconde Vz =-11,8 (vent descendant) Vx = 40,0 Vy = 20,0 W = 338,2. On remarque qu'en utilisant des capteurs acoustiques d'une sensibilité supérieure au dix-millième de seconde (ce qui est une performance facile à réaliser), on peut mesurer la vitesse du vent avec une précision d'une fraction de mètre par seconde. Les calculs ci-dessus ont été effectués dans l'hypothèse d'un vent constant sur toute la hauteur d'atmosphère concernée. Si le vent est variable en fonction de l'altitude, aussi bien en grandeur qu'en direction, les calculs sont un peu plus compliqués. On démontre toutefois que les formules données ci-dessus sont encore valables, à condition d'y remplacer les valeurs VN, VE et Vz des composantes de la vitesse du vent par les moyennes de ces valeurs sur toute la hauteur h. Ainsi on remplacera la valeur de VN par où VN(z) est la valeur, à la cote z de la composante nord de la vitesse du vent. Une mesure effectuée à la hauteur h permet donc de mesurer la moyenne de chacune des composantes du vent sur toute cette hauteur. C'est généralement cette valeur moyenne qu'il est utile de connaltre pour le calcul de l'effet du vent sur les ouvrages d'art. Si l'on désire effectuer une analyse plus fine du vent, il suffit de faire varier la hauteur h de la microexplosion et d'effectuer plusieurs mesures à des hauteurs h différentes. On peut ainsi tracer par points l'intégrale de la courbe du vent en fonction de l'altitude. Cette variation de la hauteur h s'obtient aisément, en manoeuvrant la vis micrométrique de la lentille divergente D. On notera qu'on a supposé que l'on plaçait sur le sol le nombre minimum de capteurs nécessaires à la détermination des inconnues (quatre dans le cas présent). Mais vu le faible coût des capteurs, on a intérêt à en disposer un plus grand nombre, ce qui permet, d'une part de déterminer la hauteur h si elle n'a pas été déterminée par des essais antérieurs, d'autre part, grâce à une méthode des moindres carrés, d'affiner les résultats et d'en connaître la précision. il va de soi que l'invention ne doit pas être considérée comme limitée au mode de réalisation décrit et représenté mais en couvre, au contraire, toutes les variantes0 Revendications lo Anémomètre caractérisé en ce qu'il comprend un laser à impulsion, un système optique pour concentrer en un point situé au-dessus du sol les photons émis par le laser, au moins trois capteurs acoustiques disposés sur le sol, et des moyens pour mesurer le temps séparant l'impulsion lumineuse du laser et chacun des signaux reçus par les capteurs. 2. Anémomètre selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte quatre capteurs dont deux sont disposés sur l'axe Nord-Sud passant par le pied de la verticale du foyer du système optique, de part et d'autre de ce pied, les deux autres capteurs étant disposés sur l'axe Est-Ouest passant par ledit pied, de part et d'autre de celui-ci. 3o Anémomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les quatre capteurs sont disposés à la même distance dudit pied. 40 Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre capteurs dont l'un est disposé au pied de la verticale du foyer du systeme optique, et un autre à chacun des sommets d'un triangle équilatéral ayant pour centre ledit pied. 50 Anémomètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le triangle équilatéral a l'un de ses sommets sur l'axe Ouest Esto