Brevet FR2307277A1 — publié le 19761105

La présente invention a pour objet des antennes de sonar émettrices, directives, de faible encombrement. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des antennes de sonar utilisées en acoustique sous-marine, notamment des antennes émettrices de grande puissance. Un des types d'antennes de sonar le plus utilisé en acoustique sousmarine est l'antenne cylindrique composée de transducteurs individuels, groupés sur un support et disposés sur des colonnes verticales régulièrement réparties sur toute la périphérie. Ces antennes peuvent être omnidirectionnelles ou, au contraire, directives en gisement lorsqu'elles émettent ou reçoivent préférentiellement dans un angle ou voie ayant un gisement déterminé. Des dispositifs électroniques, bien connus de l'homme de l'art, permettent de balayer l'espace en émettant un faisceau ou en recevant sur diverses voies décalées angulairement l'une par rapport a l'autre. Ce balayage des voies est obtenu en excitant en meme temps un certain nombre de colonnes, par exemple trois ou quatre, sur une antenne comportant une vingtaine de colon nes et en commutant électroniquement et successivement les colonnes excitées. Sur les antennes réceptrices, la formation de voies d'écoute permet de déterminer la direction d'où provient une onde acoustique directive. Sur les antennes émettrices de forte puissance, l'émission localisée dans les voies successives permet en plus de réduire, de façon très importante, la puissance électrique nécessaire pour exciter l'antenne tout en conservant le meme niveau sonore qu'en émission omnidirectionnelle en gisement. Les antennes émettrices sous-marines, destinées aux communications a grande distance en basse fréquence, qui sont composées de transducteurs individuels groupés sur un support, sont des antennes encombrantes ayant une hauteur et un diamètre de l'ordre du mètre et un poids supérieur à I tonne pour des fréquences de l'ordre de 10 KHZ. Le poids et l'encombrement augmentent lorsque la fréquence d'émission diminue de sorte qu'il devient difficile de loger à bord de petits b ti- ments des antennes émettrices dans des fréquences inférieures à 10 KHZ. Pour pallier . cet inconvénient, on a construit récemment des transducteurs multimoteurs composés d'une enveloppe cylindrique en forme de couronne à l'intérieur de laquelle sont disposés radialement des moteurs piézoélectriques régulièrement répartis sur toute la circonférence. On a construit, à l'aide de ces transducteurs multimoteurs, des antennes émettrices en basse fréquence omnidirectionnelles. Ces antennes sont composées de plusieurs couronnes superposées de telle sorte que les moteurs des différentes couronnes soient alignés verticalement, chaque alignement remplissant la même fonction qu'une colonne verticale de transducteurs individuels d'une antenne traditionnelle. Dans ces transducteurs multimoteurs, l'enveloppe annulaire remplit la fonction de surface émettrice qui est mise en vibration par les moteurs et qui transmet les ondes acoustiques à l'eau dans laquelle elle est plongée. On connait deux types de transducteurs multimoteurs à enveloppe annulaire. Dans un premier type, chaque moteur comporte sa propre contremasse, placée à l'extrémité opposée à la couronne, et les contremasses n'ont aucun point de contact entre elles. Dans un deuxième type, tous les moteurs placés à l'intérieur d'une enveloppe sont fixés sur une meme pièce centrale qui sert de contremasse commune à tous les moteurs. Ces dcux types de transducteurs présentent une symétrie géométrique parfaite par rapport à l'axe de l'enveloppe cylindrique de sorte que les antennes composées de tels moteurs sont parfaitement omnidirectionnelles lorsque tous les moteurs sont excités. A ce jour, de tels transducteurs multimoteurs ont été utilisés uniquement pour construire des antennes émettrices omnidirectionnelles de grande puissance, notamment des antennes en basses fréquences, rendant possible la construction d'antennes ayant un poids èt un encombrement très réduitsen comparaison des antennes composées de transducteurs individuels. Par exemple, une antenne omnidirectionnelle de ce type émettant sur une fréquence de 8 KHZ est composée de quatre couronnes superposées comportant chacune vingt moteurs. Le diamètre extérieur de cette antenne est de 610 mm et la hauteur totale de 336 mm. Une antenne constituée de transducteurs individuels ayant un même niveau d'émission aurait un diamètre deux fois plus fort et un poids trois fois plus grand. Mais la puissance nécessaire pour obtenir un niveau d'émission de 125 db (référence microbar) est de 62 KW ce qui constitue une puissance élevée entraînant la nécessité de disposer d'une alimentation électrique de grande capacité ainsi que d'armoires de grandes dimensions pour contenir les circuits électriques et électroniques d'excitation. Le gain de poids et d'encombrement obtenu se limite aux antennes ce qui réduit l'intérêt des transducteurs multimoteurs et limite leur développement. L'objectif de la présente invention est de procurer des antennes éémettrices composées de transducteurs multimoteurs qui soient directives afin de réduire la puissance nécessaire pour exciter celles-ci. Etant donné que la surface émettrice des transducteurs multimoteurs est constituée par l'anneau mis en vibration par les moteurs, il semble évident que les vibrations se propageront dans la totalité de l'anneau que celui-ci soit excité sur toute sa périphérie ou sur une partie seulement. Il était donc normal de penser que si l'on n'excitait qu'une partie des moteurs, la puissance électrique d'excitation serait bien reduite mais l'antenne resterait omnidirectionnelle et le niveau d'émission serait réduit dans la même proportion que la puissance d'excitation. Théoriquement, cette solution semblerait vouée à l'échec pour réduire la puissance d'excitation sans réduire le niveau d'émission. A priori, il semble donc très difficile et peu rationnel d'envisager de construire,au moyen de transducteurs multimoteurs,une antenne de sonar directive, c'est-à-dire une antenne qui émette, dans une direction déterminée, un faisceau d'ondes acoustiques avec un niveau d'émission nettement supérieur au niveau émis dans les autres directions. L'objectif de la présente invention est cependant atteint, de façon très surprenante, au moyen d'antennes de sonar composées de plusieurs transducteurs multimoteurs identiques et coaxiaux, superposés de telle sorte que les moteurs forment des colonnes verticales dans lesquelles une fraction seulement desdits moteurs, groupés sur des colones juxtaposées sont alimentés. De telles antennes présentent le résultat tout à fait inattendu d'être tres directives dans une direction déterminée. Cette direction est celle de l'axe de symétrie des moteurs excités, perpendiculaire à l'axe des transducteurs. Une antenne selon l'invention pour balayer tout l'espace comporte,en outre, des moyens de commutation électroniques pour permuter circulairement les moteurs excités et pour faire tourner le faisceau d'ondes acoustiques autour de l'axe de l'antenne. Les moyens de commutation électroniques permettant de permuter circulairement les colonnes excitées sont bien connus de l'homme de l'art, dans les antennes composées de transducteurs individuels et la présente invention constitue une application nouvelle de ces moyens. Afin d'améliorer la directivité de l'antenne et de réduire le plus possible les lobes secondaires, ltexcitation des moteurs qui composent la fraction excitée est pondérée en amplitude ou en phase, cette pondération étant symétrique par rapport à la direction du lobe principal. Le resultat de l'invention est un nouveau produit constitué par une antenne émettrice de sonar, directive, pouvant émettre dans des fréquences basses, par exemple des fréquences inférieures à 10 KHZ avec un niveau d'émission supérieur ou égal à 125 db (référence microbar). De telles antennes présentent l'avantage d'entre beaucoup moins lourdes et encombrantes que les antennes composées de transducteurs individuels et permettent de balayer tout l'espace sans nécessiter une puissance d'excitation élevée. De telles antennes conviennent bien pour construire les sonars équipant les petits bâtiments de surface ou sous-marins grâce à la réduction de l'encombrement de l'antenne et également des armoires contenant les circuits électroniques ainsi que des batteries d'alimentation. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention sans caractère limitatif et les lobes de directivité d'une telle antenne. La figure 1 est une coupe longitudinale d'une antenne. Les figures 2, 4 sont les diagrammes de directivité en gisement. La figure 3 est une vue schématique d'une portion de périphérie de l'antenne. La figure 1 représente une antenne de sonar cylindrique 1, d'axe vertical x xl, utilisée en acoustique sous-marine, par exemple à bord d'un sous-marin. Cette antenne est composée de cinq anneaux identiques 2, 3, 4, 5 et 6 superposes coaxialement. Chaque anneau comporte plusieurs moteurs piézoélectriques 7, au nombre de vingt par exemple, fixés radialement à la périphérie interne et constitue un transducteur multimoteur connu. Chaque moteur 7 est composé d'un empilement d'éléments piézoélectriques 8 alternant avec des électrodes, d'une contremasse 9 de forme conique n' ayant aucun point de contact avec les contremasses voisines et d'une tige de précontrainte 10. En variante, les contremasses individuelles peuvent être remplacées par une pièce centrale faisant fonction de contremasse commune à tous les moteurs d'un même anneau ou même à tous les moteurs de l'antenne. Les moteurs 7 sont alignés verticalement suivant des colonnes. Les anneaux sont séparés par des joints de découplage 11. Deux couvercles 12a et 12b, maintenuspar des tiges en tension 13, obturent les deux extrémités de l'antenne et sont séparés des anneaux adjacents par des joints de découplage 14. Les joints 11 et 14 peuvent servir également de joints d'étanchéité. En variante, l'étanchéité est assurée par une gaine souple 15 qui enveloppe la périphérie de l'antenne et qui est transparente aux ondes acoustiques. Un telle antenne est connue et a été utilisée comme antenne émet tu ce ennidir tionnelle, tous les moteurs 7 étant alors excités en phase à partir d'une armo-re d'excitation électronique 16 reliée à l'antenne par un câble coaxial i7 A titre d'exemple, nous indiquons ci-après les dimensions ec les caractéristiques principales d'une antenne 1 selon l'invention émettant dans une bande de fréquences de l'ordre de 8,5 KHZ. Cette antenne est composée de cinq anneaux superposés ayant un diamètre extérieur de 610 mm, un diamètre intérieur de 560 mm, une hauteur de 84 mm et comportant chacun vingt moteurs piézoélectriques disposés radialement. Lorsque tous les moteurs sont excités simultanément, la puissance électrique d'excitation consommée est de 62,5 Kw et le niveau d'émission S est de 125 db. Selon l'invention, au lieu d'exciter simultanément tous les moteurs 7, on n'excite qu'une fraction de deuirci groupés sur une portion de la péri- phérie. Par exemple, on excite seulement trois colonnes jointives de moteurs 7. Dans ce cas, la puissance électrique nécessaire est réduite à 7,5 Kw. La figure 2 est un diagramme des variations du niveau d'émission exprimé en décibels selon les gisements. Cette figure correspond au cas où l'on excite simultanément les moteurs situés sur trois colonnes juxtaposées symétriques par rapport à un gisement voisin de 1550. On obtient dans cette direction un niveau d'émission S de 125 db (référence microbar) donc égal au niveau obtenu lorsque tous les moteurs sont excités. L'angle d'ouverture 203 du lobe de directivité est égal à 380. On rappelle que l'angle 283 est celui à l'intérieur duquel l'affaiblissement du niveau d'émission est inférieur ou égal à 3 db. La figure 2 montre que le niveau d'émission décroît très rapidement de part et d'autre de la direction d'émission. Le niveau maximum des lobes secondaires est inférieur de 13 db au maximum d'émission dans le lobe principal. Afin de balayer tout l'espace, l'armoire 16 comporte des circuits de commutation permettant de faire tourner pas à pas le faisceau d'ondes acoustiques en permuttant circulairement les colonnes excitées. Ces circuits de commutation peuvent aussi être logés à l'intérieur de l'antenne. De tels circuits de commutation sont bien connus de l'homme de l'art. Dans le cas de la figure 2, par exemple, où l'on obtient un faisceau ayant une ouverture de 38 en excitant simultanément trois colonnes juxtaposées sur vingt, on balaye tout l'espace en dix pas en permutant deux par deux les colonnes excitées. Le cas où l'on excite simultanément trois colonnes sur vingt s'est avéré un des plus intéressants au point de vue directivité et réduction de puissance d'excitation. Des essais systématiques ont montré que l'on obtient également des lobes directifs en excitant un nombre de colonnes quelconque. Par exemple en excitant quatre colonnes sur vingt, on consomme une puissance de 10,4 KW et on obtient un niveau d'émission de 125 db (référence microbar)avec un angle d'ouverture 203 de 450 environ. On réduit le niveau des lobes secondaires en pondérant en amplitude le niveau d'excitation de certains moteurs piézoélectriques. La figure 3 représente schématiquement une portion de la périphérie de l'antenne. On voit sur cette figure les cinq anneaux superposés 2, 3, 4, 5 et 6 et trois colonnes juxtaposées de moteurs repérées C1, C2 et C3. On a hachuré les moteurs qui sont excités simultanément et en phase. Tous les moteurs de la colonne C2 sont excités tandis que les moteurs situés aux ex trémités des colonnes C1 et C3 ne sont pas excités ou, en variante, sont excités en phase mais avec une amplitude d'excitation moindre. La figure 4 représente les lobes de directivité obtenus dans le cas de la figure 3. On voit que le niveau maximum des lobes secondaires est plus réduit que sur la figure 2 et que le lobe principal a une forme plus allongée indiquant une meilleure directivité. L'angle 283 du faisceau est égal à 360 donc est pratiquement le même. On peut également pondérer en phase les moteurs excités. Par exemple dans le cas de la figure 3, on peut exciter simultanément les moteurs des colonnes C1, C2 et C3 en envoyant aur les moteurs des colonnes C1 et C3 des courants d'excitation présentant un même retard de phase par rapport aux courants qui excitent la colonne C2. Ce retard peut varier entre O et 1800. Les diagrammes de directivité montrent que l'on peut réduire par ce moyen le niveau des lobes secondaires. Dans tous les cas de pondération, soit en amplitude, soit en phase, les pondérations utilisées sont symétriques par rapport au plan de symétrie des colonnes de moteurs excités, passant par l'axe de symétrie de l'antenne. REVENDICATIONS 1 - Antenne de sonar pour émettre un faisceau d'ondes acoustiques dans une direction déterminée, caractérisée en ce qu'elle est composée de plusieurs transducteurs multimoteurs identiques constitués par un anneau à l'inté- rieur duquel sont disposés radialement plusieurs moteurs piézoélectriques identiques régulièrement répartis lesquels transducteurs sont superposés coaxialement de telle sorte que les moteurs forment des colonnes vertica les et une fraction seulement desdits moteurs sont excités, oeuxci étant groupés sur des colonnes juxtaposées disposées symétriquement par rapport au plan passant par l'axe de l'antenne et par ladite direction. 2 - Antenne selon la revendication 1 pour balayer tout l'espace, caractéri sée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens de commutation électroni- ques pour permuter circulairement les moteurs excités et pour faire tour ner ledit faisceau. 3 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'excitation desdits moteurs composant ladite fraction est pon dégrée en amplitude symétriquement par rapport à -ladite direction. 4 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'excitation desdits moteurs composant ladite fraction est pon dérée en phase symétriquement par rapport à ladite direction.