Brevet FR2308112A1 — publié le 19761112

La présente invention est relative à un dispositif perfectionné, destiné à engendrer, par implosion, une onde de choc au sein d'un liquide facilement exploitable pour l'étude sismique d'un soussol subaquatique. On connatt de nombreux dispositifs permettant d'engendrer par implosion une onde de choc dans une nappe de liquide. Ces dispositifs se divisent en plusieurs types, suivant les principes qu'ils mettent en oeuvre. On ne citera que les canons à eau et les canons à vapeur. Ces derniers sont basés sur la constatation théorique du fait que, dans certaines conditions hydrodynamiques, il se crée, au sein d'une masse de liquide, une cavité dans laquelle règne la pression de vapeur saturante du liquide. Sous l'effet de la pression hydrostatique du fluide ambiant, cette cavité implose, donnant naissance a une onde de choc. I1 existe plusieurs manières connues d'engendrer cette cavité. Une première méthode consiste à placer un corps fixe dans un écoulement liquide de vitesse suffisante, ou, au contraire, de propulser ce corps à une vitesse suffisante dans une nappe statique. Une cavité se forme alors derrière le corps dans le sens de l'écoulement ou de son déplacement. Une seconde méthode consiste a fermer brutalement la vanne située sur un tuyau siège d'un-écoulement fluide. Il se produit alors une cavité en aval de la vanne. Cette méthode est appliquée dans les canons à vapeur, le fluide étant de la vapeur d'eau surpressée et surchauffée. Une troisième méthode consiste à propulser un fluide dans un tube au moyen d'un piston et à stopper brutalement le piston. Il se forme alors, également, une cavité en aval du piston. Cette méthode est appliquée dans les canons a eau, le fluide susdit étant de l'eau froide ou surchauffée. La condition essentielle pour qu'il y ait effectivement formation d'une cavité dans les seconde et troisième méthodes réside dans la rapidité de la fermeture de la vanne ou dans la valeur de la décélération ou freinage du piston. En second lieu, pour que la cavité puisse être valablement utilisée comme générateur d'une onde de pression, il faut que la vitesse de l'écoulement avant freinage du piston ou fermeture de la vanne soit suffisante. Par ailleurs, il est important de rappeler quelle est la forme ainsi que la nature des- fréquences qui composent l'onde de pression engendrée par ces dispositifs. Pour cela, il sera fait référence à la figure 1 annexée qui représente par un graphe, l-'al- lure de l'évolution de la pression en fonction du temps, mesure à une distance déterminée du centre de l'implosion. Cette courbe est appelée signature du dispositif. On supposera que le dispositif est un canon à fluide (vapeur ou'eau) mettant en application la deuxième ou la-troisième méthode susdite, ledit canon débouchant dans un liquide ambiant. La première partie 1 de cette courbe marque une augmentation de la pression du liquide ambiant, au point de mesure correspondant à l'éjection du fluide hors du canon. Cette surpression atteint un maximum a Po au-delà duquel la pression redécrott. En effet, le piston étant brutaler.zent freiné, ou la vanne brutalement fermée, la pression décroît dans la partie 2 jusqu'a devenir négative, par rapport à la pression hydvoscatique ambiante Pha qui constitue l'axe des abscisses. Cette partie négative correspond à la formation de la cavité et à son augmenta-tion de volume tant que la dépression n'a pas atteint son maximum en vaiu absolue # p. Au maximum du volume de la cavité, son énergie potentielle se transforme en une énergie cinétique du liquide environnan'-. cette implosion est marquée par la partie 3 de la courbe La pression remonte jusqu'au pic noté P1 qui est la pression maximale atteinte par le liquide ambiant au point de mesure, lors de l'implosion de la cavité. Enfin, on assiste à un phénomène de rebond de la masse d'eau qui vient d'imploser, ce qui se traduit par des ca-ritaticns secondaires suivies par des implosions secondaires pouvant successivement se répéter deux, trois ou quatre fois. Sur la signature, ces cavitations et implosions successives apparaissent dans la zone 4 avec des pics a P2, pop3, ... décroissants et moins importants que ils P1 alternés avec des dépressions. Sur l'échelle des temps, T désigne la période de la cavité mesurée entre l'origine du phénomène et l'implosion. Cette période dépend de l'énergie potentielle de la cavité, donc, de l'énergie cinétique communiquée d l'eau propulsée dans le cas des canons a eau ou a l'énergie thermodynamique de la vapeur, dans le cas des canons h vapeur elle est-également fonction de l'immersion de la cavité. La durée totale du signal indiquée en Tí sur la figure conditionne la résolution. Cette résolution est d'autant plus grande que T1 est petit. L'onde de forme, telle qu'expliquée en regard de la figure 1, n'est pas exploitable dans l'état en étude sismique réflexion pétrolière. La partie utile de la signature; telle que celle décrite en regard de la figure l, sera ce qui reste de cette signature après filtrage å 8-62 hz, si on se place au niveau de la pénétration, ou après filtrage A 0-248 Hz, si on se place au niveau de la résclution. La figure 2 annexée donne une image de la signature de la figure 1 après filtrage a 8-62 Hz. On voit, sur ce graphe, que le pic ss P1 correspondant a la première implosion essentiellement chargé de hautes fréquences ne se distingue plus du pic ss P2 correspondant A l'implosòn-suivant le premier rebond. Le signal est donc multi-pic, ce qui signifie que chaque réflecteur renverra plusieurs pics. Il ne sera alors plus possible de distinguer les réflexions propres & un seul réflecteur de celles se produisant sur deux réflecteurs voisins Les difficultés d'interprétations de ce type de signal nuisent à la précision de la méthode et en-constituent l'un des principaux inconvénients. D'autres inconvénients sont inhérents à ce type de canons à fluide. La plus grande partie de l'énergie utilisable de l'onde, se situe au pic de l'implosion et est émise dans une bande de fréquences élevées qui sont rapidement absorbées- par le sol. La pénétration de cette onde reste donc faible. Ensuite, du fait de la durée totale du signal relativement grande, la résolution ést faible. Elle est encore affaiblie par l'aspect multipics du signal après filtrage. Enfin, la signature de ces dispositifs connus est complexe du fait des pics nombreux qu'il contient. Elle est donc peu reproductible simplement par un dispositif électronique et rend le traitement d'un tel signal -difficile à automatiser. Par ailleurs, d'un point de vue purement mécanique, ces dispositifs connus ont un recul à chaque tir qui est important et qui est une source de contraintes et de fatigues conduisant à une détérioration rapide des différents conduits et cables reliant-le canon au bateau tracteur. L'invention qui est relative auxdits canons à eau ou à vapeur entend remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif perfectionné pour engendrer, par implosion, une onde de choc dont la signature présente les avantages combinés de ne comporter qu'un seul pic d'implosion, de conten,ir une grande quantité d'énergie dans les basses fréquences, et d'entre de durée totale courte, possédant ainsi un grand pouvoir de pénétration dans le sous-sol en même temps qu'une bonne résolution. Elle est susceptible enfin d'être traitée simplement et d'être reproduite facilement par un circuit électronique -approprié. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispo- sitif perfectionné pour créer, par implosion, une onde de choc au sein d'un liquide destiné, notamment à l'étude sismique du sous-sol subaquatique, comprenant un conduit débouchant par une de ses extrémités dans le liquide susdit, des moyens d'animation à grande vitesse d'un écoulement fluide en direction du-liquide ambiant dans au moins l'extrémité susdite de ce conduit et des moyens d'interruption brutale de cet écoulement a cette extrémité.Selon une caractéristique principale de l'invention, ladite extrémité du conduit est équipée, en aval desdits moyens d'interruption, d'un organe diviseur et déviateur de l'écoulement fluide, Dans un premier mode de réalisation, l'organe diviseur et déviateur susdit est constitué par une plaque perpendiculaire à l'axe du conduit et attelée l'extrémité de ce dernier par des éléments d'entretoisement définissant entre eux des ouvertures latérales pour l'échappement dans le liquide ambiant de l'écoulement fluide susdit. Dans ce mode de réalisation, les ouvertures susdites peuvent être de dimensions, soit égales soit indgales. Dans une première variante, les éléments d'entretoisement sont constitués par des tirants et des douilles métalliques de diamètre extérieur déterminé en fonction des dimensions désirées des ouvertures latérales. Dans une seconde variante, les éléments d'entretoisement susdits et la plaque constituent une seule pièce tubulaire taillée dans la masse et pourvue de moyens de sa fixation à l'extrémité du conduit susdit. Ladite pièce porte extérieurement une chemise de réglage des dimensions des dites ouvertures qui est amovible et interchangeable. Dans un second mode de réalisation de l'invention, l'organe diviseur et déviateur susdit.est constitué par un élément tubulaire principal fixé ê I'extr8mité du conduit, fermé à son extrémité axia- le et possédant des ouvertures latérales. Une variante de ce second mode de réalisation consiste å prolonger lesdites ouvertures latérales par des éléments tubulaires secondaires constituant des supports pour des bagues de réglage de leur dimension. Ces éléments tubulaires sont, soit perpendiculaires à l'axe de l'élément tubulaire principal, soit divergents par rapport à ce dernier d'un angle compris entre 45 et 909. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d-'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Cette disposition concerne un dispositif du type canon à eau. I1 sera fait référence aux figues 3 à 8c dans lesquelles la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention, les figures 4 et 5 illustrent une réalisation industria- lisée de l'invention, la figure 6 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, les figures 7a à 7c sont des schémas d'évolution d'une cavité créée par le dispositif selon l'invention, les-figures 8a à 8c sont des graphes explicitant la siature de ce dispositif. En se reportant à'la figure 3, on voit un canon à eau comportant un dispositif propulseur 10 d'un piston il connu en soi. Le piston 11 est monté à coulissement dans une enceinte tubulaire 12 fixée au nez du dispositif propulseur 10. Cette enceinte 12 est ouverte à son extrémité 12a dans le liquide ambiant. Ladite extrémité comporte une butée intérieure 13 susceptible de stopper brutalement le piston ll en-fin de course. A cette extrémité, une plaque 14 est fixée par des tirants 15 et des entretoises 16. Lesdites entretoises - au nombre de quatre sur lafigure 3 - définissent, entre elles, des ouvertures latérales 17 d'échappement du fluide contenu dans l'enceinte 12.Les dimensions de ces ouvertures sont déterminées par le diamètre D des entretoises qui peut ne pas entre égal d'une entretoise à l'autre et déterminer, ainsi, des ouvertures de dimensions inégales. Sur la figure 4, on voit que les entretoises 16, ainsi que la plaque 14 et la butée 13 sont issues d'une même pièce 30, attelée au moyen de deux demi-brides 31 et 32 à l'extrêmité de 1 'enceinte. tubulaire 12. La figure 5 montre une chemise tubulaire 33 montée à l'extérieur de la pièce 30 et fixée sur elle par une vis 34 qui permet de régler les dimensions des ouvertures 17. En effet, cette chemise 33 possède des languettes 35 d'obturation partielles, des ouvertures 17. Chacune de ces languettes peut titre de la longueur que l'on veut et la chemise 33 étant amovible et facilement interchangeable, on peut ainsi modifier les caractéristiques du dispositif en changeant ladite chemise. Le dispositif représenté sur les figures 3 et 4 est constitué, en d'autres termes, par un conduit (l'enceinte 12) débouchant par une de ses extrémités (l'extremité l2a) dans le liquide ambiant, par des moyens d'animation (le dispositif propulseur 10 et le piston 11) a grande vitesse d'un écoulement liquide en direction du liquide ambiant dans au moins 1'extramité susdite et par des moyens d'interruption brutale de l'écoulement à cette extrémité (la butée 13 et le piston 11), ladite extrémité étant équipée, en aval des moyens d'interruption d'un organe diviseur et déviateur de l'écoulement liquide (la plaque 14 et les entretoises 16). La figure 6 est la représentation en coupe d'une variante de réalisation de l'organe déviateur selon l'invention. Cet organe est constitué par un élément tubulaire 20 principal fixé dans l'axe de L'extrémité lUa de l'enceinte 12. Cet élément 20 est fermé à son extrémité 20a et comporte des ouvertures latérales 21, 22 pro longées par des éléments tubulaires secondaires 21a et 22a constitu ant des supports de fixation pour des bagues 23, 24 d'ajustement de leur diamètre. Dans le cas de cette figure1 les ouvertures sont au nombre de deux et leur diamètre de sortie est inégal. On peut naturellement imaginer, dans le cadre de l'invention, un nombre supérieur d'ouvertures et de diamètres égaux. Alors que, sur la figure 6, les éléments tubulaires 21a et 22a sont- perpendiculaires à l'axe de l'élement 21, dans une variante non représentée, ces éléments tubulaires 21a et 22a sont divergents vers le bas par rapport à l'axe de l'élément 20 d'un angle compris entre 45 et 900. Ce n'est pas sortir du cadre de l'invention que de prévoir une plaque 14 possédant des rampes hydrodynamiques tournées vers l'ouverture 12a de l'enceinte qui constitueraient des guides au trajet du fluide propulsé et diminueraient sensiblement les pertes de charges à ce niveau. Les figures 7a à 7c explicitent' le phénomène hydrodynamique créé par le dispositif selon l'invention-. Sur la figure 7a, on voit le piston 11 poussant la colonne de liquide disposé dans ltenceinte 12. La vitesse de propulsion est telle que le fluide sort de l'extrémité 12a et vient s 'étaler sur la plaque 14 et s'échappe dans le fluide ambiant entre les entretoises 16. Sur la figure 7b, le piston ll est arrêté par la butée 13. L'arrêt est brutal et le fluide décolle du piston 11. I1 règne alors, entre les entretoises 16, une pression correspondant à la pression de vapeur saturante. Ce vide partiel s'étend à la suite du liquide entre les entretoises 16 et constitue des cavités 18. La largeur des entretoises 16 est telle que les cavités, dont le nombre correspond au nombre d'entre toises, n'interfèrent pas. Comme il est rappelé plus haut, ces cavités, après avoir augmenté de volume, finissent pas imploser, comme cela est symbolisé sur la figure 7c. La tendance à rebondir du fluide ambiant implosant est contrariée par le fait que l'espace délimité par la plaque 14 et les entretoises 16 reste vide, aucun fluide n'ayant pu le remplir avant l'implosion. Le fluide s'engouffre alors dans cet espace, suivant les flèches F, ce qui supprime le rebond à condition que les ouvertures 17 soient suffisamment importantes pour que ce mouvement suivant F soit prépondérant par rapport à la tendance à rebondir. L'un des avantages du dispositif selon l'invention comportant son organe diviseur et déviateur de jet, réside dans la constation que la période propre de la cavité T (figure 1) diminue. Si les cavités créées par le dispositif selon l'invention sont bien distinctes l'une de l'autre, la réduction de la période et l'augmentation de surpression sont maximales. S'il y a interférence entre ces cavités, le coefficient de réduction de la période et le coefficient d'augmentation de la surpression restent compris entre 1 et ce maximum. Les autres avantages du dispositif de l'invention sont multiples. Tout d'abord, il permet de supprimer les effets de rebond donc, les pics secondaires P2, LISP3 ... de la figure 1. La signa- ture du dispositif ne possède plus qu'un seul pic. I1 en résulte une diminution importante de la durée totale T1 (figure 1) du signal émis, d'où l'obtention d'une plus grande résolution. Le signal obtenu est illustré par la figure Sa. La forme simple de ce dernier permet de faciliter son traitement et son interprétation Ensuite, par la présence de l'ogane déviateur, le dispositif selon l'invention permet de supprimer l'effet de recul et garantit ainsi une meilleure tenue dans le temps des cibles et conduits divers reliant le dispositif au bateau le tractant. On notera également en regard que le dispositif selon l'i.nvention permet la suppression des pics secondaires susdits en jouant sur les dimensions des ouvertures latérales, soit, par mise en place d'entretoises 16 de diamètres différents (figure 3), soit, par adaptation drune chemise 33 adéquate (figure 5), soit, par adaptation de bagues 23 et 24 appropriées (figure 6). On peut ainsi créer des cavités de tailles différentes dont les périodes sont également différentes, ce qui permet de créer, au niveau des pics secondaires, des oppositions de phase ayant pour résultat leur annulation.Cette disposition est surtout intéressante pour les dispositifs de faible puissance dans lesquels les ouvertures latérales ont des dimensions ne permettant pas un engouffrement suffisant de l'eau dans le dispositif déviateur pendant la formation du rebond. Enfin, la diminution de la période du signal émis à pour conséquence une utilisation très avantageuse du dispositif de l'invention. En effet, l'onde réfléchie par la surface se superpose à l'onde initiale avec un déphasage correspondant au temps mis par ladite onde pour parcourir aller et retour la distance séparant le di-spositif de la surface de l'eau (la mer, par exemple). En outre, cette onde réfléchie a changé de signal du fait de la réflexion. La figure 8b montre sa forme et son déphasage par rapport à l'onde initiale représentée en figure 8a. Le dispositif, selon l'invention, permet d'obtenir une superposition de la zone positive de l'onde initiale avec la zone négative devenue positive de l'onde réfléchie en surface pour des immersions faibles, -puisque la période du signal est courte, immersions qui sont, en outre, avantageusement compatibles avec une bonne résolution. On obtient donc une signature du dispositif, telle que représentée en figure Sc. Cette signature est très intéressante, car elle comporte une grande énergie dans les basses fréquences du fait de l'utilisation des basses fréquences contenues dans la partie positive de l'onde réfléchie. Pour la même énergie dépensée, on a augmenté considérablement la pénétration de l'onde. Enfin, la signature de la figure 8c est d'une forme simple, facilement reproductible électroniquement. Son traitement et son interprétation peuvent être améliorés et devenir quantitatifs, ce qui permet de disposer d'informations plus complètes et plus précises sur la nature du sous-sol étudié. L'invention trouve lune application intéressante dans le domaine de la recherche pétroliére. Elle n'est pas limitée à la description qui vient d'en être donnée, mais couvre, au contraire, toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif perfectionné pour créer, (par implosion , une onde de choc au sein d'un liquide destiné, notamment à l'étude sismique du sous-sol subaquatique, comprenant un conduit débouchant par une de ses extrêmítés dans le liquide susdit. des moyens d'animation à grande vitesse d'un écoulement liquide en direction du liquide ambiant dans au moins l'extremité susdite de ce conduit et des moyens dtinterruption brutale de cet écoulement à cette entre mité, caractérisé en ce que ladite extrêmité du conduit est équipée, en aval desdits moyens d'interruption dtun organe diviseur et déviateur de l'écoulement liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe diviseur et déviateur est constitué par une plaque perpendiculaire à l'axe du conduit et attelée à l'extrêmité de ce dernier par des éléments d'entretoisement définissant entre eux des ouvertures latérales pour l'échappement dans le liquide ambiant due l'écoulement liquide susdit. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures latérales susdites sont de dimensions égales; 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lesdites ouvertures sont de dimensions inégales. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les éléments d'entretoisement sont constitués par des tirants et des douilles métalliques de diamètre extérieur déterminé, en fonction des dimensions désirées des ouvertures latérales 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments d'entretoisement susdits et- la plaque constituent une seule pièce tubulaire taillée dans la masse et pourvue de moyens de sa fixation à ltextrêmité du conduit susdit. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite pièce porte extérieurement une chemise de réglage des dimensions des dites ouvertures. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que. ladite chemise est amovible et interchangeable. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe diviseur et déviateur susdit est constitué par un élément tubulaire principal fixé à l'extremité du conduit fermé à son extrémité axiale et possédant des ouvertures latérales. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites ouvertures latérales sont de dimentions identiques. 11. Dispositif selon la revendication 9, ~caractéris en ce que lesdites Ouvertures latérales sont de dimensions différentes. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 b 9, caractérisé en ce que lesdites ouvertures latérales sont prolongées par des éléments tubulaires secondaires constituant des supports pour des bagues de réglage de leur dimension. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits éléments tubulaires secondaires sont perpendiculaires à l'axe de llélé- ment tubulaire principal. 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits éléments tubulaires secondaires divergent d'un angle compris entre 450 et 900 par rapport å l'élément tubulaire principal. 15. Dispositif perfectionné pour créer par implosion, une onde de choc au sein d'un liquide destiné.-aotamment å l'étude sismique du sous-sol subaquatique, comprenant un conduit débouchant par une de ses extrémités dans le liquide susdit, un piston susceptible d'être propulsé à grande vitesse dans ce conduit et une butée d'arrêt brutal de ce piston à ladite extrêmite du conduit, selon la revendication 8, caractérisé en ce que la butée et la pièce tubulaire sont en une seule pièce.