Brevet FR2307999A1 — publié le 19761112

La présente invention est relative à un dispositif pour propulser à gande vitesse un piston le long d'une enceinte tubulaire ouverte å l'une de ses extrémités, lequel piston est notamment destiné à pousser frontalement une masse de fluide contenue dans ladite enceinte puis à être freiné brutalement à des fins de création d'ondes de choc utilisables en prospection sismique, On connast des générateurs d'ondes de choc notamment en milieu liquide constituant des sources sismiques appliquant le principe connu consistant à créer une cavitation dans ce milieu dont l'implosion engendre l'onde de choc désirée.Ces générateurs comportent d'une manière générale une enceinte tubulaire ouverte par l'une des extrémités dans le milieu ambiant, un piston susceptible de coulisser dans cette enceinte tubulaire sous l'effet d'un fluide de propulsion appliqué sur l'une de ses faces lorsqu'on ouvre, au moyen d'une vanne, une communication établie entre une chambre de propulsion contenant ledit fluide et la partie de l'enceinte susdite opposée à son extrémité ouverte. L'enceinte tubulaire est remplie par une certaine quantité de fluide généralement liquide provenant,soit du milieu ambiant, soit d'une source appropriée. Lorsque l'on ouvre la vanne, le piston est propulsé le long de cette enceinte à une grande vitesse atteinte d'autant plus rapidement que l'ouverture de la vanne est rapide et est stoppé brutalement par une butée prévue à ladite extrémité de l'enceinte. Ce liquide poussé par le piston décolle de ce dernier et une cavitation se produit dans le milieu ambiant. Le retour du piston s'effectue ensuite par le jeu de la pression hydrostatique, la vanne étant refermée et le fluide propulseur contenu dans I1 enceinte au droit du piston s'échappant par des orifices de fuite prévus dans la paroi de cette enceinte, L'efficacité de ces dispositifs connus est liée à la rapidité d'ouverture et de fermeture de la vanne qui est de nature complexe. Par ailleurs, la cadence de tir est conditionnée par le temps de remontée du piston donc par la profondeur d'immersion. De nombreuses contraintes dues à la nature complexe des moyens. notamment de la vanne, constituant ces dispositifs connus limitent leurs conditions d'emploi et entachent d'une certaine imprécision les mesures d'exploitation du signal émis. La présente invention entend remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif, de réalisation plus simple, dont le fonctionnement est indépendant du milieu extérieur, et qui permet de limiter au maximum l'énergie consommée lors de chaque tir. A cet effet, elle a donc pour objet un dispositif pour propulser à grande vitesse un piston principal monté à coulissement dans une première enceinte tubulaire fermée à l'une de ses extrémités, entre le fond de cette enceinte et une butée d'arrêt dont elle est pourvue à son autre extrémité, et pour rappeler ledit piston sur ledit fond, le piston constituant ainsi avec ladite enceinte, du cbté du fond, une chambre de volume variable susceptible d'être mise en communication avec un réservoir de fluide sous pression.Selon l'invention, ledit piston principal constitue un équipage mobile avec un piston secondaire qui lui est solidaire au moyen d'une tige d'attelage et qui est monté à coulissement dans une seconde enceinte tubulaire fermée déterminant ainsi, dans cette seconde enceinte, deux chambres ; la chambre de volume variable susdite est reliée audit réservoir de fluide par un conduit, ledit piston principal constituant, dans sa position de rappel sur le fond de l'enceinte, une soupape de fermeture dudit conduit dont la section utile est inférieure à la section du piston secondaire ; enfin, une source de pression est reliée par une première canalisation audit réservoir, par une seconde canalisation,à la première chambre de la seconde enceinte, et ,par une troisième canalisation, à la seconde chambre de ladite seconde enceinte,la première canalisation comportant des moyens de son interruption au moins partielle tandis que la chambre de volume variable est équipée de moyens pour sa mise en communication au moins temporaire avec le milieu extérieur, la troisième canalisation comportant des moyens de son interruption tandis que la seconde chambre susdite est équipée pour sa mise en communication au moins temporaire avec le milieu extérieur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens d'interruption au moins partielle de la première canalisation sont constitués par un clapet commandé maintenu dans sa position d'ouverture de la canalisation quand le piston principal est rappelé en appui sur le fond de la première enceinte, tandis que les moyens de mise en communication de la chambre de volume variable avec le milieu extérieur sont constitués par un orifice calibré ménagé dans la paroi de la première enceinte. En outre, les moyens d'interruption de la troisième canalisation sont constitués par une électrovanne à deux voies à une position stable qui est la position d'obturation de la canalisation, tandis que les moyens de communication avec le milieu extérieur de la seconde chambre susdite sont constitués par un orifice calibré ménagé dans la paroi de fond de la seconde enceinte. Enfin, la source de fluide sous pression de la deuxième canalisation susdite, la première chambre susdite, la première capalisation susdite et le réservoir sont disposés dans cet ordre en série, tandis que la troisième canalisation relie la seconde chambre à la première chambre. 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. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - les figures 2 et 3 montrent deux modes de réalisation préférés et industrialisés de l'invention. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on voit une enceinte tubulaire 1, fermée à l'une de ses extrémités par un fond 2, et pourvue à son autre extrémité d'un épaulement 3 constituant une butée d'arrêt pour un piston 4, dit piston principal, monté à coulissement dans ladite enceinte. Ce piston définit avec ladite enceinte une chambre de volume variable 5. Ce piston principal 4 est solidaire d'un piston secondaire 6, au moyen d'une tige d'attelage 7, qui est monté coulissant dans une seconde enceinte tubulaire 8 définissant dans cette dernière une première chambre 9 et une seconde chambre 10. D'autre part, un réservoir de fluide sous pression 11 est relié par un conduit 12 à la chambre 5 susdite. Le piston 4 constitue, dans sa position en appui sur le fond 2 de l'enceinte 1, une soupape de fermeture du conduit 12. On notera à ce propos que la section utile de cette soupape fonction de la différence des diamètres d-b (b étant le diamètre de la tige 7) est inférieure à la surface utile du piston 6 au niveau de sa face inférieure proportionnelle à la différence des diamètres D-b. Sur les figures 2 et 3 on retrouve avec les mêmes références les éléments déjà décrits en regard de la figure 1. Si l'on revient à la figure 1, on voit que le réservoir 11 est relié par une première canalisation 13 à une source de fluide sous pression, notamment de l'air comprimé symbolisé en 14, que la première chambre 9 est reliée à la source 14 par une seconde canalisation 15, et que la seconde chambre 10 est reliée à la source 14 par une troisième canalisation 16. Des moyens d'obturation au moins partielle de la canalisatIon 13 sont prévus sur cette dernière et la chambre 5 est équipée de moyens pour sa mise en communication avec le milieu extérieur au moins de façon temporaire. Dans le cas de la figure 1, ces moyens sont groupés en un distributeur 17 trois voies et deux positions stables, qui, dans sa première position, établit une communication entre les deux tronçons 13a et 13b qu'il définit sur la canalisation 13 en isolant une canalisation d'échappement 18 eh dans sa deuxième position,établit une communication entre le tronçon 13a et la conduite 18 d'échappement en isolant le tronçon 13b.Ce distributeur 17 est commandé électromagnétiquement. I1 est amené dans la position représentée sur la figure par fermeture d'un circuit d'excitation 19 au moyen d'un interrupteur 20 actionné par le piston 6, quand ce dernier atteint sa position haute ; le distributeur reste dans cette position tant que l'autre circuit d'excitation 21 n'est pas fermé au moyen de l'interrupteur 22 quand le piston 6 est en position basse. A ce moment, il prend sa deuxième position et la garde tant qu'une nouvelle fermeture du circuit 19 n'est pas intervenue. Des moyens d'obturation de la canalisation 16 sont prévus sur cette dernière et la chambre 10 est équipée de moyens pour sa mise en communication au moins temporaire avec le milieu extérieur. Dans le cas de la figure 1, ces deux types de moyens sont groupés en un distributeur 23 à trois voies, et une position stable qui est celle représentée sur la figure c'est-à-dire celle mettant le tronçon de canalisation 16a qu'il détermine entre lui-même et la chambre 10 en communication avec une conduite d'échappement 24, en isolant le tronçon 16b s'étendant entre lui et la source 14. L'autre position qu'il peut prendre est instable et ne peut être maintenue que par une excitation du circuit électromagnétique 25 pour contrer l'effet d'un organe élastique de rappel 26. Dans cette seconde position, il établit la communication des tronçons 16a et 16b en isolant la conduite d'échappement 24. Sur la figure 2 onn'a pas représente' la source 14 qui est raccordée au dispositif en 27. Dans ce cas de figure, on voit que la source alimente en série d'abord par la canalisation 15, la première chambre 9 puis, d'une part par la canalisation 13, le réservoir 11 et, d'autre part, en parallèle sur les éléments 13 et 11, la chambre 10 par la canalisation 16 en deux tronçons 16a et 16b. Dans ce cas de figure, les moyens d'obturation au moins partielle susdits de la canalisation 13 sont constitués par le conduit 13 lui-même qui est calibré et fonctionne comme un limiteur de débit, tandis que les moyens de mise en communication de la chambre 5 avec le milieu extérieur résident en un orifice calibré 28 ménagé dans le fond de l'enceinte 1. Il est à remarquer que l'orifice calibré 28 est d'un diamètre supérieur au diamètre du conduit 13. Toujours en regard de la figure 2, les moyens d'interruption de la canalisation 16 sont constitués par une électrovanne 29 à deux voies à une position stable qui est celle représentée correspondant à l'interruption de la canalisation 16. Elle possède une position instable lorsque son circuit d'excitation 30 est alimenté,dans laquelle la canalisation 16 est ouverte. Les moyens de mise en communication de la chambre 10 avec le milieu extérieur consistent ici en un orifice calibré 31 percé dans le fond de l'enceinte 8 qui constitue un orifice de fuite permanente. Sur la figure 3, enfin, on retrouve certains des éléments des figures 1 et 2 avec les mêmes références. On notera au vue de cette-figure que la source 14 non représentée mais branchée en 27 est directement reliée comme sur la figure 1 par le conduit 13 au réservoir 11 par le conduit 15 à la chambre 9 et par le conduit 16 à la chambre 10. Les moyens d'obturation du conduit 13 sont ici un clapet 32 commandé par le piston secondaire 6. Le conduit 13 est obturé quand le piston 6, donc le piston 4,est plus en position haute. Les moyens de communication de la chambre 5 avec le milieu extérieur sont comme pour la figure 2, un orifice calibré 28. Quant aux moyens d'interruption du conduit 16 et de mise en communication avec l'extérieur de la chambre 10, ils sont l'électrovanne 29 et le conduit calibré 31. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est un peu différent suivant les modes de réalisation représentés. La figure 1 représente le dispositif en état d'équilibre. En effet, la source de fluide 14 alimente en air comprimé la chambre 9, le réservoir 11 et le conduit 12. La pression s'exerçant sous le piston 6 est la même que celle appliquée sur la partie du piston 4 obturant le conduit 12. Du fait de la surface utile du piston 6 plus importante que celle de ladite partie du piston 4 soumise à la pression, l'équipage mobile 4, 7, 6 est maintenu plaqué contre le fond 2 de l'enceinte I ou plus exactement contre le joint non référencé entourant le conduit 12. Par l'excitation du circuit 25 de l'électrovanne 23, au moyen d'une impulsion électrique de commande, la chambre 10 est mise, un brefinstant, en communication avec la source 14. Cette action a pour effet de rompre l'équilibre de l'équipage mobile et de décoller le piston 4 de son siege. Par le conduit 12 s'engouffre alors, dans la chambre 5, le gaz sous pression contenu dans le réservoir 11 qui est encore en communication avec la source 14. Ce gaz agit sur toute la surface du piston 4, se détend et le propulse à grande vitesse contre la butée 3. A ce moment, le piston 6 ferme le contact 22. Le circuit 21 étant alimenté fait changer de position le distributeur 17 qui coupe alors la communication, réservoir 11, source 14, et met le réservoir 11 à l'échappement 18. On aura noté que le gaz sous pression contenu dans la chambre 9 sera refoulé dans le conduit 15 lors de la descente du piston 6 en direction de la source et du conduit 13.La pression à l'inté- rieur deb k chambre 5 et du réservoir ll chutant du fait de la mise à l'échappe- ment du conduit 13, la pression dans la chambre 9, qui est en communication permanente avec la source donne naissance à une force prépondérante sous le piston 6 qui fait remonter l'équipage mobile. Dans ce mouvement, le gaz contenu dans la chambre 10 est refoulé à l'échappement 24, le distributeur 23 ayant dès après l'impulsion de commande repris sa position stable de la figure. Le piston 4 est de nouveau plaqué sur le joint entourant le conduit 12 et dans le même temps l'interrupteur 20 est fermé.Le circuit 19 étant alimenté fait basculer l'état du distributeur 17 qui met en communication le réservoir ll avec la source 14 en isolant l'échappement 18.Le dispositif est alors pret pour un nouveau cycle d'opérations. En ce qui concerne le mode de réalisation de la figure 2, dans l'état d'équilibre représenté, la pression de la source règne dans la chambre 9, la chambre annulaire, non référencée qui l'entoure, le réservoir 11, le conduit 12, la canalisation 13 et le tronçon 16b de la canalisation 16 et a pour effet de maintenir le piston 4 contre le fond 2 de l'enceinte 1. Une breve excitation du circuit 30 de l'électrovanne 29 a pour effet de conduire cette pression dans la chambre 10 qui auparavant était à la pression du milieu ambiant par le conduit 31. Cette pression,étant donne-le ps tit calibre du conduit 31, ne peut s'échapper immédiatement de la chambre 10 et provoque le départ de l'équipage mobile 4,7,6. De même que précédemment, le fluide contenu dans le réservoir ll propulse à grande vitesse le piston 4 vers la butée 3 puisque agissant sur toute sa surface. Pendant la descente, le gaz contenu dans la chambre 9 retourne à la source par le conduit 15 et passe en partie par la canalisation calibrée 13, et le gaz contenu dans la chambre 5 commence de s'échapper à l'extérieur par l'orifice calibré 28, La pression dans cette chambre et dans le réservoir 11 chute malgré le passage constant de gaz par la canalisation 13. I1 y a en effet un plus grand débit de gaz pouvant s'échapper par l'orifice 28 que celui du gaz passant le conduit 13. La force agissant sous le piston 6 devient alors prépondérante et l'équipage mobile remonte en chassant le gaz de la chambre 10 par l'orifice 31. La pression de gaz s'équilibre entre la chambre 9 et le réservoir 11 et le dispositif est prêt pour un nouveau cycle. Enfin, en regard de la figure 3, on notera que le fonctionnement du dispositif qu'elle représente est semblable à celui du dispositif de la figure 2 à une différence près. En effet, lors du démarrage de l'équipage mobile 4, 7, 6, le clapet 32 coupe l'alimentation par la source du réservoir 11. Il n'y a donc plus de fuite constante comme auparavant à travers le conduit 13 et l'équipage mobile remonte quand la pression dans le réservoir 11 et la chambre 5 a suffisamment chutée (à travers l'orifice 28) pour que la force sous le piston 6 soit prépondérante. Quand le piston 4 est arrivé en appui surson siège 2, le clapet 32 est ouvert par le piston 6 et la pression de la source se rétablit dans le réservoir 11. Les avantages généraux de l'invention sont les suivants. L'un d'entre eux réside tout d'abord dans le fait que le piston 4 assure lui-même le relie d'une vanne à ouverture rapide. Le générateur d'onde de choc selon l'invention est donc d'une conception plus simple donc d'un court moins élevé. En outre, dans son application à un canon à eau, du fait de l'équipage mobile, le piston 4 est rappelé pneumatiquement ce qui d'une part réduit le temps de remontée de ce piston et permet une cadence rapide de tir et d'autre part ne nécessite pas une pression hydrostatique importante donc autorise des tirs à faible immersion. De plus, la vidange de la chambre 5 étant forcée par ce rappel pneumatique, elle peut directement s'effectuer dans le milieu ambiant à la pression hydrostatique y régnant. Il y a donc une indépendance totale entre les conditions ambiantes et le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la loi d'ouverture de la communication entre le réservoir 11 et la chambre 5 ne dépend que du piston 4 et de ce fait est invariable en particulier indépendante du temps de fonctionnement plus ou moins aléatoire de l'électrovanne 23 ou 29. On obtient ainsi pour une même pression dans le réservoir Il une répétitivité absolue des tirs ce qui est intéressant au niveau de l'interprétation des résultats d'une campagne de tirs. De plus, l'agencement des différents éléments constitutifs du dispositif selon l'invention permet de rendre la chambre 5 très petite en position d'attente de tir donc de réduire considérablement le volume mort nécessaire à remplir avant de voir bouger le piston 4. I1 en résulte une diminution importante du temps de réponse du dispositif. Plus particulièrement, en ce qui concerne les modes de réalisation des figures 2 et 3, celles-ci présentent l'avantage de ne mettre en oeuvre que des dispositifs mécaniques simples d'une grande longévité et ne nécessitant pratiquement aucun entretien. On notera également la grande accessibilité de l'électrovanne 29 qui est l'élément le moins endurant du dispositif et que l'on peut remplacer très facilement. Enfin, la réalisation selon la figure 3 présente l'avantage de limiter, grace au clapet 32,au strict minimum la consommation d'air. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de l'étude sismique des sols immergés. 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. R E V E N D I C A T I O N S REVEND ICAT IONS 1. Dispositif pour propulser à grande vitesse un piston principal monté à coulissement dans une première enceinte tubulaire fermée à l'une de ses extrémités, entre le fond de cette enceinte et une butée d'arrêt dont elle pourvue à son autre extrémité, et pour rappeler ledit piston sur ledit fond, le piston constituant ainsi avec ladite enceinte, du cbté du fond, une chambre de volume variable susceptible d'être mise en communication avec un réservoir de fluide sous pression, ledit piston principal constituant un équipage mobile avec un piston secondaire qui lui est solidaire au moyen d'une tige d'attelage et qui est monté à coulissement dans une seconde enceinte tubulaire fermée, déterminant ainsi dans cette seconde enceinte deux chambres, la chambre de volume variable sus ladite étant reliée audit réservoir de fluide par un conduit, ledit piston principal constituant, dans sa position de rappel sur le fond de l'enceinte, une soupape de fermeture dudit conduit dont la section utile est inférieure à la section utile du piston secondaire, caractérisé en ce qu'une source de pression est reliée par une première canalisation audit réservoir, par une seconde canalisation à la première chambre de la seconde enceinte, et par une troisième canalisation à la seconde chambre de ladite seconde enceinte, la première canalisation comportant des moyens de son interruption au moins partielle, tandis que la chambre de volume variable est équipée de moyens pour sa mise en communication au moins temporaire avec le~milieu extérieur, la troisième canalisation comportant des moyens de son interruption tandis que la seconde chambre susdite est équipée de moyens pour sa mise en communication au moins temporaire avec le milieu extérieur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'interruption au moins partielle de la première canalisation sont constitués par un limiteur de débit tandis que les moyens de mise en communication de la chambre de volume variable avec le milieu extérieur sont constitués par un orifice calibré ménagé dans la paroi de la première enceinte, la section de cet orifice étant supérieure à la section de passage du limiteur de débit. 3. Dispositif selon la revendication 1 ,caractérisé en ce que les moyens d'interruption au moins partielle de la première canalisation sont constitués par un clapet commandé maintenu dans sa position d'ouverture de la canalisation quand le piston principal est rappelé en appui sur le fond de la première enceinte, tandis que les moyens de mise en communication de la chambre de volume variable avec le milieu extérieur sont constitués par un orifice calibré ménagé dans la paroi de la première enceinte 4.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens susdits d'interruption de la première canalisation et les moyens de mise en communication de la chambre de voume variable avec le milieu extérieur sont constitués par un distributeur trois voies et deux positions stables divisant ladite première canalisation en un premier tronçon de sortie de la source de fluide et en un second tronçon d'entrée du réservoir raccordés respectivement à deux voies du distributeur, la troisième voie étant raccordée à une canalisation d'échappement, et établissant, dans sa première position, une communication entre les deux tronçons susdits en isolant la canalisation d'échappement, et, dans sa deuxième position, une communication entre le second tronçon et la canalisation d'échappement en isolant le premier tronçon, la première position étant établie lorsque le piston principal est rappelé en appui sur le fond de 1' enceinte et la deuxième position étant établie lorsque ledit piston est en appui sur la butée d'arrêt. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ceque les moyens d'interruption de la troisième canalisation sont constitués par une électrovanne deux voies à une position stable qui est la position d'obturation de la canalisation, tandis que les moyens de communication avec le milieu extérieur de la seconde chambre susdite sont constitués par un orifice calibré ménagé dans la paroi de fond de la seconde enceinte. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens susdits d'interruption de la troisième canalisation et les moyens de mise en communication de la seconde chambre avec le milieu extérieur sont constitués par une électrovanne trois voies à une position stable raccordée à un premier tronçon de la troisième canalisation s'étendant entre la source de fluide et l'électrovanne à un déuxième tronçon de cette canalisation s'étendant entre l'électrovanne et ladite seconde chambre et à une canalisation d'échappement, ladite position stable établissant une communication entre le second tronçon et la canalisation d'échappement, en isolant le premier tronçon. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 5, caractérisé en ce que la source de luide sous pression, la deuxième canalisation susdite, la première chambre susdite, la première canalisation susdite et le réservoir sont disposés dans cet ordre en série, tandis que la troisième canalisation relie la seconde chambre å la première chambre. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 5, caractérisé en ce que les première, seconde et troisième canalisations sont en parallèle à partir de la source de fluide sous pression.