Brevet FR2647909A1 — publié le 19901207

Procédé et dispositif de correction des signaux fournis par les hydrophones d'une antenne et antenne de sonar utilisant un tel dispositif. La présente invention se rapporte à la correction des signaux d'écoute fournis par une antenne de sonar faite d'hydrophones montés sur une paroi telle que, par exemple, une coque. Dans la description qui suit le terme de coque est utilisé à titre d'exemple, étant entendu que ce qui est dit à son sujet est transposable à toute paroi soumise à des vibrations dans l'eau. Les hydrophones sont des capteurs acoustiques destinés à fonctionner dans l'eau et chaque hydrophone de l'antenne fournit un signal qui est fonction des ondes incidentes provenant du il milieu extérieur à la coque. Il est rappelé que, pour trouver la di:?ction d'une onde incidente, il est connu de former des voies. chaque voie correspondant à une direction déterninée. Avec des hydrophones régulièrement espacés d'une distance d et disposés selon une ligne qui fait un angle a avec une direction donnée, une voie dans la direction donnée est obtenue en déphasant les signaux d'hydrophones d'une valeur w.d.sin a / c, o w est la pulsation de l'onde incidente et c la vitesse du son dans l'eau. Pour que la voie soit correctement formée Il faut que l'onde incidente soit plane à la fréquence w/21T. L'antenne doit être montée sur un support qui est généralement la coque d'un bâtiment naval (navire de surface ou sous-marin). Or la coque est élastique et ne constitue donc pas un baffle rigide: elle vibre sous l'effet de l'onde Incidente et les vibrations de la coque perturbent la planéité de l'onde. Il en résulte que les relations de phase entre les signaux reçus par les hydrophones sont perturbées et que la formation des voles n'est plus assurée correctement. En effet, comme il est bien connu, chaque hydrophone reçoit l'onde incidente et l'onde réfléchie sur la coque. L'onde réfléchie se décompose en une onde qu'aurait donné la coque si 2 2647909 elle avait été parfaitement immobile, c'est l'effet de baffle rigide, et une onde due à la vibration Induite par l'onde incldente. L'effet de baffle rigide n'est pas gênant pour la formation des voies, car l'amplitude et la phase de l'onde réfléchie correspondante dépendent peu de l'emplacement de l'hydrophone sur la coque quelles que soient la fréquence et l'incidence de l'onde excitatrice. En revanche, l'effet de la vibration est perturbateur. Pour corriger cet effet perturbateur il est connu de placer une barrière acoustique entre les hydrophones de l'antenne et la coque. Cette barrière reste immobile sous l'effet de l'onde incidente qui s'y réfléchit. Mais cette barrière est Inefficace aux fréquences inférieures à lkHz étant donné qu'elle doit ' résister à la pression hydrostatique et donc être suffisamment rigide, et que ses dimensions restent petites devant la longueur d'onde de l'onde captée. La présente invention a pour but de corriger les signaux de sortie des hydrophones d'une antenne afin d'éviter ou, pour le moins, de réduire les perturbations dues aux vibrations de la coque. Ceci est obtenu en mesurant la vibration de la coque et en élaborant, à partir des mesures obtenues, un signal de correction qui, a l'emplacement de chaque hydrophone, est équivalent à la pression rayonnée par la vibration de la coque. Ce signal de correction est alors retranché au signal Issu de chaque hydrophone. Selon.l'invention un procédé de correction du signal électrique issu d'un hydrophone d'une antenne acoustique, l'hydrophone étant monté au voisinage d'une paroi et étant destiné à capter un signal acoustique, est caractérisé en ce que, pour tenir compte au moins des vibrations de la paroi engendrées par le signal acoustique A capter, il consiste à soustraire du signal électrique issu de l'hydrophone la contribution liée aux 3 2647909 vibrations de la paroi, grâce à une mesure de ces vibrations au moyen de capteurs. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront a l'aide de la description ci-apres et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, un schéma général d'un dispositif de correction selon l'invention, - la figure 2, un schéma partiel d'un exemple simple de réalisation d'un dispositif de correction selon. l'invention. Sur les différentes figures les éléments correspondants sQnt désignés par les mêmes repères. La vibration d'une coque, comme pour toute structure, se décompose en modes de vibration; un mode de vibration correspond à une certaine répartition de la vitesse vibratoire le long de la coque. Si x est une abscisse prise, par exemple, suivant l'axe d'une antenne faite d'hydrophones alignés, la vitesse vibratoire v (x) pour le mode m est le produit: vm(x) = Vm.Ym(x) o Vm est l'amplitude à l'origine pour le mode m et Ym(x) la fonction d'onde. Cette fonction d'onde est m analytiquement connue de la théorie des vibrations et de la mesure de vrn(x); la vtitesse, Vm, à l'origine du mode m, se déduit donc de la mesure de la vitesse vibratoire v (x), en un ou quelques points de la coque. Par ailleurs, 1il est connu qu'une Impédance acoustique de transfert, pour un mode de vibration donné, est le rapport Zm(xh)=Pm(Xh)/Vm o Pm(Xh) est la pression acoustique pour le mode m reçu en un point xh o se trouve un hydrophone de l'antenne. La pression totale due à la vibration et reçue par l'hydrophone est': co Ph -lZm(Xh).V Les impédances Zm(xh) sont déterminées par calculs (modélisation) ou par étalonnage. Il apparait donc que la mesure 4 2647909 en amplitude et phase de vm(x), pour un certain nombre de modes, permet d'obtenir un signal représentatif de Ph qui, soustrait du signal de l'hydrophone situé au point Xh, élimine les effets de la vibration de coque. Ceci est mis en oeuvre dans le dispositif selon la figure 1. La figure 1 montre, vue en coupe, une partie de la coque, 1, d'un navire muni d'un dispositif de correction selon l'invention; dans la réalisation, qui a servi à l'expérimentation du dispositif, le navire était un bâtiment de surface mals le dispositif selon l'invention est utilisable également sur un sous-marin et sur la paroi de tout corps élastique immergé muni d'un système d'écoute par hydrophones. De manière classique, des hydrophones, HI à HN, sont fixés à quelques centimètres de la coque 1; ces hydrophones 1I s sont enrobés dans un moulage de protection visco-élastique qui ne réduit que très peu le niveau des vibrations qui leur sont transmises par le milieu aquatique. Les hydrophones H1 à HN fournissent respectivement des signaux S1 à S., qui sont appliqués respectivement à des 2 soustracteurs B1 à BN. Ces soustracteurs soustraient au signal qui leur parvient d'un hydrophone, un signal de correction destiné à débarrasser, autant que faire se peut, le signal de l'hydrophone de ses composantes dues aux vibrations de la coque. Des capteurs de vibrations, K1 à KQ, constitués dans l'exemple décrit par des accéléromètres, sont répartis sur la paroi interne de la coque, au voisinage de l'antenne constituée par les hydrophones. Les signaux fournis par les capteurs de vibrations sont représentatifs de la vitesse vibratoire v(x) écharitillonnée aux points de mesure des capteurs; l'ensemble de ces signaux est appliqué à des filtres de mode, F1 à FM, relatifs respectivement à M modes vibratoires de la coque dont Il a été décidé de tenir compte en raison de leur influence perturbatrice sur les signaux des hydrophones. Il est à noter que le nombre Q des capteurs de 26479b9 vibrations, doit être supérieur ou égal au nombre M de modes vibratoires dont il est tenu compte. Chacun des M filtres de mode réalise, pour le mode m auquel 11il correspond, un traitement qui donne l'amplitude et la phase à l'origine Vm = vm(x)/Ym(x) compte tenu de ce que clo v(x) = vm(x) m:lI m Pour réaliser ce filtrage, les signaux v(x) délivres par les capteurs sont multipliés par des coefficients connus, fonctions de la fréquence et déterminés pour le mode considéré, et les signaux ainsi obtenus sont additionnés entre eux; un exemple de réalisation d'un tel filtrage de mode est décrit plus loin à l'aide de la figure 2. Chacun des M signaux V1 à V est ensuite multiplié, par l'impédance de transfert Zm(Hi) relative au mode m considéré et à l'hydrophone i considéré; comme Zm(Hi1) est fonction de la fréquence, les circuits qui effectuent cette opération réalisent donc un filtrage et sont appelés filtres de transfert sur la figure 1. Ainsi. à l'hydrophone H1 correspondent, respectivement pour les modes 1 à M, les filtres de transfert Gll à G1M dont les impédances ont été notées respectivement Z!(H1) à ZM(H1). Et, à l'hydrophone HN, correspondent les filtres de transfert GN1 à GNM relatifs respectivement aux modes 1 à M et qui reçoivent respectivement les mêmes signaux d'entrée V1 à VM; les fonctions de transfert de ces filtres sont notées Z1(HN) à ZM(HN). Les signaux de sortie des filtres de transfert sont représentatifs des pressions Pm (H1) relatives,. pour un hydrophone I donné, à un mode m considéré. Pour un hydrophone i donné, un additionneur AI fait la somme des signaux de pression relatifs à cet hydrophone dans les modes 1 à M consldérés. Ainsi le circuit de sommation A1 fait la somme des signaux de pression P1(H1) à PM(H1). L'additionneur Ai fournit un signal de pression représentatif de la pression totale 6 2647909 engendrée par les vibrations de coque sur l'hydrophone Hi; ce signal constitue le signal de correction qui est soustrait au signal de l'hydrophone Hi; ainsi la figure 1 montre qu'au signal S1 de l'hydrophone HI est soustrait, dans le soustracteur B1, le signal de pression totale fourni par l'additionneur A1, ce qui permet au soustracteur B1 de fournir le signal corrigé S1'. La figure 2 montre une plaque 1, vue.par la tranche, qui est soumise à deux modes de vibration principaux dont l'un est un mode de translation entraînant des déplacements de la plaque, qui la font passer par une position it indiquée par un tracé en traits interrompus courts, et dont l'autre est un mode de flexion du premier ordre, qui la fait passer par une position If indiquée par un tracé en traits interrompus longs. Deux capteurs de vibrations, KI, K2, sont respectivement disposés à l'une des extrémités et au milieu de la plaque 1. Le filtre de mode de translation, pour donner un signal Vt représentatif de la vitesse de translation de la plaque 1, est obtenu en multipliant par 1, dans deux circuits de multiplication, 2, 3, les signaux fournis par les capteurs K1 et 2 1K2; ces circuits de multiplication sont suivis d'un additionneur 4 dont le signal de sortie est le signal Vt. Le filtre de mode de flexion du premier ordre, pour donner un signal Vf représentatif de la vitesse de flexion de la plaque 1, est obtenu en multipliant par 1, dans un circuit de multiplication 5, le signal fourni par le capteur K2, en multipliant par -1, dans un circuit de multiplication 6 le signal fourni par le capteur K1 et en additionnant, dans un additionneur 7 les signaux délivrés par les circuits de multiplication 5 et 6; ces coefficients de multiplication égaux respectivement A 1 et -1 proviennent de ce que, pour le mode de flexion considéré, et aux endroits o sont disposés les capteurs K1 et K2, les signaux représentatifs de la vitesse de flexion sont en opposition de phase. Suivant une réalisation préférée, la mise en oeuvre du procédé de correction des signaux fournis par les hydrophones 7 2647909 est effectuée de façon numérique. Dans ce but les signaux des capteurs de vibrations sont numérisés. Les opérations de filtrage de mode et de transfert sont réalisées dans un calculateur. Les coefficients multiplicateurs des signaux v(x) et les valeurs des Impédances de transfert sont mis en mémoire. La détermination de ces valeurs est obtenue par étalonnage au cours d'expériences préalables. La réponse "théorlque" des hydrophones à un signal donné, en l'absence de vibrations, est connue et est mise en mémoire. Les valeurs des coefficients de filtrage de mode et des impédances des filtres de transfert sont obtenues par mlnimisation de l'écart entre la réponse théorique de chaque hydrophone et sa réponse réelle. La minimisation de cet écart est obtenue par un logiciel, basé sur la méthode connue de Newton, en procédant par itérations successives. Il est à noter que l'invention permet de corriger aussi bien les vibrations de coque produites par des sources externes à la coque que celles produites par des sources internes. 8 2647909 REVENDICATIONS 1. Procédé de correction du signal électrique issu d'un hydrophone d'une antenne acoustique, l'hydrophone étant monté au voisinage d'une paroi et étant destiné à capter un signal acoustique, caractérisé en ce que, pour tenir compte au moins des vibrations de la paroi engendrées par le signal acoustique à capter, il consiste à soustraire du signal électrique issu de l'hydrophone la contribution liée aux vibrations de la paroi, grâce à une mesure de ces vibrations au moyen de capteurs. 2. Dispositif de correction des signaux fournis par les hydrophones (Hi, HN) d'une antenne montée sur une paroi (1), caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs de vibrations (Kl1-KQ) montés sur la paroi et, pour chaque hydrophone (HI), un circuit de correction (F1-FM, G11-G1M, A1) pour fournir un signal de correction fonction des signaux délivrés par les capteurs et un soustracteur (Bl) pour soustraire, du signal (S1) de l'hydrophone, le signal de correction. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de correction comporte des filtres de mode (F1-FM) qui, chacun, réalisent une addition pondérée des signaux des capteurs (Kl-KQ), un additionneur (A1) pour fournir le signal de correction et des filtres de transfert (Gll-GIM) pour coupler les filtres de mode à l'additionneur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les filtres de mode (F1-FM) sont communs aux circuits de correction des hydrophones (H1-HN) de l'antenne. 5. Antenne de sonar, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de correction selon l'une quelconque des revendications 2 à 4.