Brevet FR2617284A1 — publié le 19881230

Lors de la mise en oeuvre d'essais en sismique marine, il est opportun de connaitre le signal de pression d'essai émis par la source de pression ainsi que les paramètres susceptibles de modifier celui-ci. Parmi ces paramètres figurent notamment la profondeur de la source de pression immergée. Le plus souvent, les sources de pression sont des sources étendues, c'est-à-dire des sources à plusieurs points d'émission réparties en alignement sur une certaine longueur. La mesure du signal source ou onde de pression délivrée par chaque source et de la profondeur de celle-ci est réalisée par deux types de capteurs ou hydrophones distincts répartis au voisinage de chacun des points d'émission. Il est donc nécessaire de prévoir deux capteurs différents par point d'émission, I'un étant sensible à la pression statique du milieu marin et l'autre à la pression dynamique engendrée par le point d'émission constitutif de la source. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précité par la mise en oeuvre d'un hydrophone pouvant être utilisé comme capteur unique au voisinage d'un point d'émission d'une source étendue. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un hydrophone permettant de détecter et mesurer à la fois la pression statique du milieu marin environnant et la pression dynamique engendrée par le point d'émission de pression d'essai. Un autre objet de la présente invention est également la mise en oeuvre d'un hydrophone de haute qualité et présentant un haut degré de fiabilité de tenue à la corrosion. Le dispositif hydrophone pour la mesure de pression d'essais en sismique marine objet de l'invention est remarquable en ce qu'il comporte, dans un corps d'hydrophone en matériau souple, un corps rigide support permettant, avec le corps d'hydrophone en matériau souple, de ménager une chambre de transmission de pression. Des moyens manomètriques sont montés dans le corps rigide, la face sensible de ces derniers étant en contact avec le milieu de la chambre de transmission de pression. Des moyens de filtrage mécanique des ondes de pression sont prévus pour assurer la transmission et le filtrage des ondes de pression d'essai et de la pression statique vers la face sensible des moyens manométriques. Le dispositif hydrophone objet de l'invention trouve application principalement, bien que de façon non limitative, aux techniques d'essais en sismique marine, essais permettant d'obtenir toute valeurs de signatures géophysiques en exploitation ou en expérimentation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins dans lesquels : La figure 1 représente en coupe selon un plan de symétrie longitudinal d'un hydrophone selon l'invention, .La figure 2 représente en a, b, c, d, la fonction de transfert en amplitude et phase d'un hydrophone selon l'invention, tel que réalisé conformément à la figure 1, les différentes fonctions de transfert ayant été établies en milieu aérien respectivement entre 0 et 25 Hz, 0 et 250 Hz, O et I kHz, O et 5000 Hz. Le dispositif hydrophone pour la mesure de pression d'essais en sismique marine objet de l'invention, sera tout d'abord décrit en liaison avec la figure 1. Sur la figure précitée, on a représenté un hydrophone objet de l'invention, en coupe selon un plan de symétrie longitudinal. Ainsi qu'il apparaît sur la figure précitée, le dispositif hydrophone objet de l'invention comporte dans un corps d'hydrophone noté 1, en matériau souple, un corps 2 rigide support, permettant avec le corps hydrophone 1 en matériau souple de ménager une chambre 3 de transmission de pression. Le dispositif hydrophone objet de l'invention comporte également des moyens 4 manomètriques, montés dans le corps rigide, et dont la surface sensible 20 est en contact avec le milieu de la chambre 3 de transmission de pression. En outre, des moyens 5 de filtrage mécanique des ondes de pression sont prévus, ces moyens de filtrage 5 assurant la transmission et le filtrage des ondes de pression d'essais, et la transmission de la pression statique du milieu vers la face sensible des moyens manométriques. Selon une caractéristique avantageuse du dispositif hydrophone objet de l'invention, le corps d'hydrophone I en matériau souple peut être constitué en un matériau plastique tel que le polychlorure de vinyle ou de préférence le polyuréthane ou analogue. Selon une autre caractéristique avantageuse du dispositif hydrophone objet de l'invention, les moyens manométriques 4 sont constitués par un système à capsule piézo-électrique. Dans un mode de réalisation non limitatif, les moyens manométriques 4 ont été réalisés au moyen d'un transducteur de pression piézo-résistif de la série PA-10 distribué par la société DRUCK- UND KRAFTMESSTECHNICK domiciliée en Suisse. Ces types de transducteurs piézo-résistifs présentent l'avantage d'une bonne linéarité, celle-ci étant inférieure à plus ou moins 5 millivolts sur 50 % de la plage de mesure maximum, ainsi qu'un faible degré d'hystérésis et un bon degré de répétabilité ainsi qu'un bon degré de stabilité à long terme.Ces transducteurs de pression piézo-résistifs peuvent être facilement utilisés dans les plages de température allant de - 10 C à 80"C. Ils présentent en outre une faible dérive en température. Selon une autre caractéristique avantageuse du dispositif hydrophone objet de l'invention, les moyens 5 de filtrage mécanique constituent un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est voisine de 500 Hz. Ainsi qu'on l'a représenté en figure 1, le filtre passe-bas précité peut comporter au moins un disque noté 50, de matériau poreux assurant la transmission des ondes de pression de fréquence inférieure à 500 Hz entre la chambre de transmission de pression 3 et une chambre intermédiaire notée 200, comportant la face sensible des moyens manométriques 4. Selon un mode de réalisation non limitatif, la chambre 3 de transmission de pression et la chambre intermédiaire 200 peuvent être remplies d'un fluide, tel que par exemple un gaz, le fluide remplissant les deux chambres précitées baignant en outre le disque 50 en matériau poreux. Selon une autre variante de réalisation particulièrement avantageuse non limitative, la chambre 3 de transmisson de pression et la chambre intermédiaire 200 sont remplies d'un fluide visqueux,- noté 30, baignant le disque 50 en matériau poreux. Dans un mode de réalisation avantageux, tel que précédemment cité, le fluide visqueux 30 peut être constitué par une huile de viscosité absolue n, comprise entre -3 -1 -1 20.10~3Kg m~l 5-1 4 n 4 200.10 Kg.m . s (relation 1) Le disque en matériau fritté 50 peut par exemple, être constitué par un disque en métal fritté, présentant une porosité p comprise entre 0,10 # p # 0,50 (relation 2) Selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, le corps d'hydrophone 1 en matériau souple est formé par une enveloppe tubulaire 11, laquelle est fixée au corps rigide support 2 par exemple, par l'intermédiaire de brides de fixation 10.En outre, les extrémités de l'enveloppe tubulaire Il sont munies chacune d'un embout noté 100, 101, I'un des embouts constituant embout de traction 100 et de connexion, l'autre embout 101 constituant embout de remplissage en fluide visqueux. Bien entendu, I'enveloppe tubulaire 11 peut également être fixée sur les embouts 100 et 101, par l'intermédiaire de brides de fixation 10. Le fonctionnement du dispositif hydrophone pour mesure de pression d'essais en sismique marine, objet de l'invention, est le suivant. Les signaux émis lors d'une explosion locale d'un point d'émission en sismique marine se rapprochent sensiblement d'une impulsion de DIRAC et le spectre de fréquence émis est donc à très large bande, sensiblement de 0 à 20 kHz. Seule une petite partie de fréquence basse de ce spectre est utile en géophysique, la bande comprise entre 0 et 250 Hertz. Il est donc inutile de transmettre les fréquences situées au delà de cette bande utile au système capteur ou système manométrique, pour filtrer celles-ci ensuite électroniquement. Le filtrage mécanique mis en oeuvre dans le dispositif hydrophone objet de l'invention permet d'optimaliser le rapport de la sensibilité à la valeur pleine échelle du signal obtenu. Compte tenu des longueurs d'onde des signaux se propageant dans le milieu marin, I'utilisation d'une cascade de résonnateurs d' Helmolz n'est pas réalisable dans un encombrement restreint, ce qui exclut l'utilisation précitée. Conformément au résultat établit par BIOT M.A, dans la publication "Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid saturated Porous Solid", il a été établi que l'onde de pression incidente dans un milieu poreux remplie d'un fluide ou d'un liquide, se transmet sous la forme de deux ondes de pression caractérisées par une atténuation dépendant du carré de la fréquence et des Vitesses de propagation différente. L'origine de cette atténuation réside dans l'accélération du fluide, par effet de viscosité et couplage mécanique au squelette du matériau poreux. Conformément au modèle de BIOT précédemment cité, l'amplitude transmise par le matériau poreux baignant dans le fluide visqueux est de la forme (3) A = A .eapf2.x 0 L'atténuation correspondante pour un . matériau fritté d'épaisseur x s'écrit a.x.f2 (4) At = - P x 20 Ln10 où Ln est le symbole du logarithme Népérien. Dans les relations 3 et 4 précictées, le coefficient a désigne p le coefficient d'absorption d'onde longitudinale dans le matériau poreux, x désigne l'épaisseur de ce matériau poreux, c'et-à-dire la dimension du matériau poreux et du disque fritté 5, selon l'axe longitudinal du dispositif hydrophone représenté en figure 1 et f représente la fréquence de l'onde acoustique considérée. La condition de validité du modèle de BIOT est donnée par la relation 5 f 2n.p.k Dans la relation 5 précitée, n représente le coefficient de viscosité absolue du fluide, contenu dans la chambre de transmission de pression 3 et la chambre intermédiaire 200, p représente la porosité du matériau fritté et du disque fritté, p représente la masse volumique du fluide précité, et k représente la perméabilité de celui-ci. Avec un fluide dont le rapport \' de la viscosité absolues à la masse volumique p est égale à 140 mm2 x s pour une perméabilité k l6.l0l0 m2 et pour un matériau fritté de porosité p = 0,35, la condition de validité indiquée précédemment deviens (relation 6) f Le disque de métal fritté était constitué dans le prototype de réalisation par un disque d'épaisseur I = 3 mm présentant un module d'élasticité de 3000 daN/mm2 et une porosité p = 0,35, la perméabilité k étant égale à 16 Da. Une bonne atténuation des composantes de fréquence aux fréquences élevées, composantes de l'onde de choc correspondant à l'émission d'une impulsion de DIRAC, ont été obtenues en utilisant un fluide de couplage constitué par une huile de masse volumeP = 1005 kg/m3 et de viscosité n à 8 C, sensiblement égale à 140.10 6 m2/s. La masse volumique P du métal fritté baignant dans l'huile constituant le fluide visqueux correspondant au mode de réalisation précité présentait une valeur de (7) p = (1 - )p s + #p f = 5564.75 kg/m3 La vitesse de propagation de l'onde longitudinale dans le métal fritté baignant dans l'huile présentait alors une valeur (relation 8): c p = 2321,87 m/s. Compte tenu des valeurs précédentes, le coefficient d'absorption d'onde longitudinale a p s'écrit 22 P k (relation 9) ap = Cp ' p . p Cp Pour une épaisseur du matériau fritté de 3 mm compte tenu des paramètres correspondants de l'huile utilisée, le coefficient précité avait pour valeur 52,64 lo-12 s2 Des résultats d'essais du dispositif hydrophone objet de l'invention tel que représentés en figure 1 seront donnés en liaison avec les figures 2a, 2b, 2c, 2d. Les essais ont consistés dans un premier temps à déterminer la réponse amplitude et phase de l'hydrophone en fonction de la fréquence comprise entre 15 Hz et 5 kHz, pour une pression d'essais en milieu aérien. Les figures précitées représentent les diagrammes amplitude, module en décibels et phase en degré, en fonction de la fréquence pour le dispositif hydrophone objet de l'invention. L'excitation de l'hydrophone a été réalisée par un bruit rose dont le niveau de pression sonore a été fixé à 125dBlin, soit 2 10 5 Pa à 0,10 m. La figure 2a représente la fonction de transfert pour les fréquences comprise de 0 à 25 Hz, la figure 2b pour les fréquences comprises entre 0 et 250 Hz, la figure 2c représente la fonction de transfert pour les fréquences comrpise entre 0 et 1000 Hz et la figure 2d représente la fonction de transfert pour les fréquences comprises entre 0 et 5000 Hz. Après leur estimation, les courbes précédentes indiquent une réponse que l'on peut considérer linéaire de 0 à 220 Hz, puis légèrement croissante jusqu'à 560 Hz, et décroissante au-delà. On a ainsi décrit un dispositif hydrophone pour mesure de pression d'essais en sismique marine particulièrement performant dans la mesure où celui-ci permet à la fois la mesure de la pression statique, c'est-à-dire de la profondeur d'immersion de l'hydrophone et la transmission des signaux utiles d'essais en sismique marine compris dans une bande de 0 à 250 Hz, les composantes à fréquence élevée de l'onde de choc engendrées par l'émission locale de la source, selon une impulsion de DIRAC sensiblement, étant filtrées et non transmises par le dispositif hydrophone objet de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif hydrophone pour la mesure de pression d'essais en sismique marine, caractérisé en ce qu'il comporte, dans un corps d'hydrophone (1) en matériau souple: - un corps (2) rigide support permettant avec le corps d'hydrophone (1) en matériau souple de ménager une chambre (3) de transmission de pression, - des moyens (4) manométriques montés dans le corps (2) rigide et dont la face sensible (20) est en contact avec le milieu de ladite chambre (3) de transmission de pression, - des moyens (5) de filtrage mécanique des ondes de pression, lesdits moyens (5) de filtrage assurant la transmission et le filtrage des ondes de pression d'essai et de la pression statique du milieu vers la face sensible des moyens manométriques. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps d'hydrophone (1) en matériau souple est constitué en un matériau plastique tel que le polychlorure de. vinyle, le polyuréthane ou analogue. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens manométriques (4) sont constitués par un système à capsule piezo-électrique. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (5) de filtrage mécanique constituent un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est voisine de 500 Hz. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre comporte au moins un disque (50) de matériau poreux assurant la transmission des ondes de pression de fréquence inférieure à 500 Hz entre ladite chambre intermédiaire (200) comportant ladite face sensible des moyens manométriques. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite chambre (3) de transmission de pression et ladite chambre intermédiaire (200) sont remplies d'un fluide visqueux (30) baignant ledit disque (50) en matériau poreux. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit fluide visqueux (30) est constitué par3une huile, de viscosité 20.10 Kg. d . ( #n 200.10 -3 xg.m.s1 le disque en matériau fritté (50) présentant une porosité p comprise entre 0,10 # p 4 0,50. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en- ce que le corps d'hydropone (1) en matériau souple formé par une enveloppe tubulaire (Il) est fixée au corps rigide support par l'intermédiaire de brides de fixation (10). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les extrémités de l'enveloppe tubulaire (11) sont munies chacune d'un embout (100,101), I'un des embouts constituant embout (100) de traction et de connexion, L'autre embout (101) constituant embout de remplissage en fluide visqueux.