Brevet FR2682515A1 — publié le 19930416

Procédé pour réduire le bruit d'un navire, et navire équipé de dispositifs correspondants. L'invention concerne la réduction du bruit engendré par les navires de guerre, de surface ou sous-marins. Réduire ce bruit est souhaitable, d'une part pour rendre le navire "discret", d'autre part pour rendre plus efficaces ses propres dispositifs de détection acoustique. L'une des sources de bruit est l'hélice, par son rayonnement acoustique direct, constitué d'un spectre à large bande parsemé de raies intenses. Celle-ci induit des rayonnements acoustiques indirects en d'autres parties du navire. A noter que l'usage de "pompes-hélices" réduit le rayonnement direct. I1 existe aussi des bruits d'écoulement. Même bien profilés, les éléments du navire engendrent un bruit direct et surtout un bruit indirect dont le mécanisme est le suivant : les fluctuations de pression pariétale dues à la turbulence de l'écoulement excitent des vibrations des structures qui deviennent elles-mêmes sources de bruit. I1 est par ailleurs connu d'installer le dôme d'écoute d'un sous-marin à sa proue. Cependant, il arrive souvent, à vitesse élevée, que la zone de transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent remonte jusqu'à ce dôme. D'autres facteurs interviennent, dont la turbulence ambiante et l'état de surface du dôme, lequel évolue avec l'age du sous-marin. Tout cela fait que le dôme d'écoute voit souvent ses performances diminuer à cause de turbulences. L'invention a pour but de réduire les bruits liés à l'écoulement, pour les navires en général, et plus spécialement pour les sous-marins. Ce but est atteint grâce à des modifications locales des propriétés mécaniques ou hydrodynamiques, en particulier des couches limites et des sillages. Les modifications portent sur les organes externes ou profils du navire. Selon un premier aspect de l'invention, préféré actuellement, on aspire la couche limite au voisinage du bord de fuite du profil. Une variante intéressante de l'invention consiste aussi à injecter dans le sillage, au niveau du bord de fuite du profil, un débit d'eau choisi, propre à réduire la turbulence de l'écoulement en aval du profil et à restituer 1 'éner- gie cinétique dirigée. L'invention peut s'appliquer en différents endroits du navire. Le profil intéressé peut être en particulier l'un au moins des éléments suivants : aileron monté sur la carène, ensemble aileron plus safran, obstacle amont, tel que le massif d'un sous-marin, notamment en son raccordement à la carène, aubages fixes ou mobiles et carénage d'une pompehélice, ou encore carène du navire en amont de l'hélice. De préférence, le bord d'attaque du profil ou des profils concernés est revêtu de matériau viscoélastique. Il est intéressant que le bord de fuite du profil soit lui aussi revêtu, au moins en partie, de matériau viscoélastique. Mais on peut aussi prévoir que le bord de fuite du profil soit équipé d'aspérités, telles que des plaques minces dentelées. Dans le cas où le procédé concerne l'aspiration de la couche limite, le bord de fuite peut encore être muni d'orifices ou de surfaces poreuses permettant l'aspiration au moins partielle de la couche limite turbulente ou laminaire. L'invention prévoit encore, en l'une de ses variantes, qu'on aspire la couche limite d'un dôme d'écoute, en amont de la position la plus avancée de la transition d'écoulement laminaire à turbulent. On a indiqué plus haut que des parois sont susceptibles de vibrer, excitées par leur couche limite turbulente. Pour résoudre ce problème, l'invention prévoit que l'on rompt la cohérence des fluctuations de pression pariétale de cette couche limite, par aspirations locales de celle-ci, par mise en place de profils, corps souples ou de jets visqueux ou encore de bulles de gaz, dont l'espacement est inférieur à la longueur de cohérence transversale précitée. On peut également prévoir, le cas échéant en complément de la mesure précédente, d'établir des variations de masse locale d'une paroi ou plaque susceptible de vibrer. Bien entendu l'invention couvre également les dispositifs permettant la mise en oeuvre du procédé, et naturellement les navires, en particulier les sous-marins, équipés de tels dispositifs ou moyens permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raieront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une illustration schématique des dispos i- tifs de réduction de bruit d'une pompe-hélice; - la figure 2 est une illustration schématique d'un dispositif de l'invention pour réduire les bruits causés par un obstacle tel que le massif d'un sous-marin; - la figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 2; - la figure 4 est une illustration schématique d'un dispositif de réduction de bruit au bord de fuite d'un aileron; - la figure 5 est une illustration schématique d'un dispositif de réduction de bruit au bord de fuite d'un ensemble aileron-safran; et - la figure 6 est une illustration schématique d'un dispositif de réduction des bruits provoqués par la couche limite d'une carène. Les dessins annexés présentent des éléments de caractère géométrique et/ou certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description détaillée ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. Sur l'ensemble des figures, la référence 1 désigne la carène d'un navire que l'on supposera être un sous-marin. On désigne par 2 son hélice, illustrée d'une manière simplifiée. La figure 1 concerne le cas d'un sous-marin dont la propulsion est assurée par le dispositif dit pompe-hélice. L'hélice proprement dite 2 est logée dans un carénage de révolution 20. Celui-ci est muni d'un stator distributeur et/ou de supports en amont du rotor formant l'hélice proprement dite (plusieurs rotors sont envisageables). Les supports ou aubes de stator portent les références 21-1 ... 21-i. En aval du rotor 2, on prévoit des éléments de stator ou supports 22-1...22-i. Un bras tel que 21-1 est muni d'orifices 23-1 à 23-5, placés près de son bord de fuite, et communiquant avec une conduite 24. La conduite 24 est reliée à une pompe 25, qui fonctionne entre cette conduite 24 et une autre conduite 26 aboutissant dans le profil arrière du carénage 20, en un point de la périphérie de celui-ci. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la pompe 25 fonctionne en aspiration depuis les orifices 23 vers la conduite 26. On réalise ainsi une aspiration de la couche limite près du bord de fuite du bras 21-1. Mais il est également envisageable de procéder de manière inverse, c'est-à-dire que la pompe aspire depuis la conduite 26 vers les orifices 23, de manière à injecter de l'eau à vitesse suffisante dans le sillage du profil que constitue le bras 21-1. I1 a été observé en effet qu'une injection d'eau à vitesse suffisante permet de restituer l'homogénéité de l'écoulement en aval du profil 21-1, là où cet écoulement va intersecter la trajectoire du rotor 2. Bien entendu, il est souhaitable que le débit d'eau aspiré ou refoulé ne fluctue pas, de manière à ne pas créer luimême une nouvelle source de bruit. On choisit donc pour la pompe 25 un type de pompe dont le débit soit aussi constant que possible, et cette pompe est reliée aux orifices d'aspiration et de rejet par des tuyaux souples et épais. La zone d'aspiration, qui se trouve le plus près possible du bord de fuite, peut être limitée en envergure à la partie de l'écoulement qui interagit avec hélice. Les rejets de la pompe, s'il s'agit d'aspirations de la couche limite, se font naturellement en dehors de l'écoulement qui se dirige vers l'hélice, comme visible sur la figure 1. La position et la dimension des orifices d'aspiration peuvent être choisies à partir de la carte de sillage du bras 21-1. Les orifices d'aspiration pourront d'ailleurs être recouverts de matériau poreux assurant une surface externe lisse, en continuité avec la surface naturelle du bras. I1 a été observé que l'aspiration d'une couche limite de 1 centimètre d'épaisseur sur 1 mètre d'envergure, pour une vitesse du sous-marin de 10 mètres/seconde, conduit à un débit tout à fait accessible, de l'ordre de 100 litres/seconde. Pour limiter le débit, on peut tout d'abord procéder à une aspiration partielle seulement, car il a été observé qu'une aspiration partielle peut être très efficace du point de vue acoustique. Par ailleurs, on peut limiter la zone d'aspiration. Si elle est limitée à une corde de 10 centimètres, on limite de façon correspondante à environ 1 mètre/seconde la vitesse moyenne de l'écoulement à la prise d'eau. Bien entendu, ce qui vient d'être décrit à propos du bras 21-1 vaut pour les autres bras tels que 21-i. De même, des dispositions correspondantes pourront être prévues pour les organes aval 22-1 à 22-i. Mais on peut aussi se contenter de raidir simplement ces organes, ou bien de les munir d'un revêtement viscoélastique convenable, de l'une des manières indiquées plus haut. Sur les figures 2 et 3, on voit qu'une perturbation d'écoulement turbulent, notée 49, est produite par l'intersection amont du massif 4 d'un sous-marin avec la carène 1 de celuici. Cette perturbation 49 va intersecter la trajectoire du rotor 2 (maintenant simplifiée). On peut résoudre ce problème comme précédemment par aspira tions de couche limite ou par injection d'eau. Dans la suite de la description détaillée, on ne considérera plus que la solution par aspiration, considérée comme actuellement préférable. Sur la figure 2, un ou plusieurs orifices 43 sont placés au point où nait la turbulence 49, à l'intersection de la face avant du massif 4 avec la carène 1. Cet orifice 43 est relié par une conduite 44 à une pompe d'aspiration 45 débouchant par une conduite de retour 46 dans la partie arrière haute du massif 4, de façon que les rejets se fassent selon des trajets fluidiques aussi éloignés que possible de l'hélice. On assure ainsi une diminution considérable de la perturbation 49, qui ne va plus intersecter la trajectoire du rotor 2, et par conséquent ne plus créer de bruit. Une variante est illustrée sur la figure 3. Cette figure montre que l'on peut placer l'orifice 43 en un point de la carène, là où passe la trajectoire de l'écoulement turbulent 49. La conduite 44 relie alors cet orifice 43 à la pompe 45 toujours située à l'intérieur du massif 4, tandis que la conduite de rejet 46 débouche comme précédemment au sommet arrière du kiosque du sous-marin. La figure 4 représente le cas où le navire sous-marin comporte un aileron 3 monté sur la carène, en amont de l'hélice. On suppose, dans un but de simplification de l'exposé, que l'épaisseur de la couche limite turbulente sur la carène est inférieure au rayon de la pale d'hélice. En dehors de cette couche limite, les pales de l'hélice vont donc passer dans le sillage de l'aileron. En faisant encore l'hypothèse que l'écoulement amont est uniforme, en dehors de ce qui concerne la couche limite de la carene, il apparaÎt que le sillage de l'aileron 3 constitue un ndé- faut de vitesse" de l'écoulement hydrodynamique. On prévoit alors par exemple des orifices 33-1 et 33-2 au voisinage du bord de fuite de l'aileron 3. Ces orifices sont reliés par une conduite 34 à une pompe 35 logée dans un bulbe 30 situé au sommet de l'aileron. La pompe 35 débouche par une conduite 36 vers l'arrière du bulbe, loin de l'hélice. Comme précédemment indiqué, on préfère aspirer la couche limite de l'aileron au voisinage de son bord de fuite, plutôt que produire à ce niveau une injection d'eau à vitesse suffisante dans la partie du sillage de l'aileron qui se dirige vers le rotor 2. Les exemples numériques mentionnés plus haut à propos de la pompe-hélice s'appliquent pleinement au cas de l'aileron 3. La figure 5 illustre une variante de la figure 4, pour le cas où il s'agit non pas d'un aileron seul, mais d'un ensemble constitué d'un aileron 3 et d'un safran 5. Pour le bord de fuite de l'aileron 3, on a un ou plusieurs orifices 33 qui communiquent par la conduite 34 avec la pompe 35. De même,le bord de fuite du safran 5 est équipé d'un ou plusieurs orifices 53 qui communiquent par la conduite 54 avec la même pompe 35, les deux aspirations à effectuer conduisant à des rejets par la conduite de refoulement 36. Il est maintenant fait référence à la figure 6. Celle-ci décrit le cas d'une aspiration de couche limite, au moins partielle, effectuée sur la carène en amont de l'hélice. Il s'agit là encore d'éviter l'interaction de fluctuations turbulentes de cette couche limite avec la trajectoire du rotor 2. Des orifices 38-1 et 38-2, convenablement placés sur la carène, communiquent avec une conduite 34 aboutissant à la pompe 35 située par exemple dans un bulbe porté par un aileron 3 et muni d'une conduite d'évacuation 36. La conduite 34 peut passer d'abord dans la carène, puis par 1 'in- térieur de l'aileron 3, pour rejoindre la pompe 35. Si l'on revient maintenant à la figure 1, on comprendra que le carénage 30 peut être générateur de turbulence tout comme la carène 1. On peut là encore aspirer, ne fût-ce que partiellement, la couche limite du carénage d'une pompehélice en amont du rotor, pour éviter là encore une génération de bruit par interaction de cette couche limite turbulente avec le rotor 2. S'agissant d'un navire de surface, des aspirations ou des injections d'eau sont possibles à la poupe, à travers la coque, juste en amont de l'hélice. L'invention permet ainsi d'éviter de nombreuses sources de bruit dues à des interactions d'une couche limite turbulente avec des obstacles. Elle vise aussi à réduire les vibrations des surfaces qui peuvent être excitées par une couche limite qui s 'écoule le long de ces surfaces. A cet effet, il est intéressant de rompre la cohérence des fluctuations de pression pariétale. Cela peut se faire tout d'abord par fixation de profils minces dans le sens de llécoulement,orthogonalement à la surface susceptible de vibrer. Leur envergure (distance de la surface traitée à leur extrémité) est de l'ordre de l'épaisseur de la couche limite. Leur corde (dimension dans le sens de l'écoulement) est de longueur quelconque, au moins de l'ordre de 1 'épaisseur de la couche limite, ou très supérieure à celle-ci, suivant la longueur à traiter. Enfin, leur distance de séparation est inférieure à la longueur de cohérence transversale. On peut aussi recourir aux moyens précédemment décrits des prises d'eau réparties longitudinalement et transversalement sur la surface permettent d'aspirer ponctuellement la couche limite. La dimension des orifices (ouverts ou poreux) est au moins de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite. Leur espacement peut être défini à partir de l'analyse du spectre de pression pariétale, en termes de nombre d'ondes. On aura aussi intéret, souvent, à disposer des plaques de matériau viscoélastique, réparties longitudinalement et transversalement sur la surface. Les dimensions de ces plaques sont au moins égales à l'épaisseur de la couche limite. Un autre moyen consiste à attacher des fils,des écheveaux de fils, des bandelettes, des rubans ou des ressorts, un par un ou en groupes,en divers points de la surface à traiter. La longueur de ces organes filiformes est supérieure à l'épaisseur de la couche limite, tandis que leur dimension transverse à l'écoulement est au plus égale à l'épaisseur de la couche limite. D'un autre côté, en divers points de la surface à traiter, il est intéressant de pratiquer des injections de fluide visqueux, comme des polymères ou des huiles. Un petit nombre d'orifices d'injection, limités à l'amont et de faible débit, peuvent produire un effet suffisant. En effet, il ne s'agit pas de supprimer totalement la turbulence, mais de l'altérer localement, comme l'aura compris l'homme de l'art. I1 est encore utile de réduire le rayonnement des plaques en d'autres circonstances, par exemple les rayonnements induits indirectement pour les raisons données plus haut. On peut tout d'abord réduire la cohérence des vibrations de telles plaques, par fixation de masselottes en divers points de leurs surfaces internes, de façon irrégulière, ou encore par perçage de trous borgnes ou débouchant à l'ex térieur également de façon irrégulière. D'autres variantes consistent à pratiquer des incisions dans la plaque à l'extérieur ou à l'intérieur, suivant des lignes régulières ou irrégulières. I1 est encore utile de partager la surface vibrante en plusieurs panneaux suivant des lignes régulières ou irrégulières, par des découpes ou par des cordons de soudure. Une autre manière d'éviter le rayonnement acoustique de plaques consiste à perturber le milieu de propagation acoustique au voisinage immédiat de la zone d'émission du rayonnement (secondaire). I1 a été observé que, dans de nombreux cas, les sources de rayonnement acoustique effectives sont limitées à de petites portions de surface d'une plaque en vibration, en particulier les bords et les coins de celle-ci. On peut alors fixer, juste en amont des zones émettrices, des corps souples (fils, bandelettes, rubans, ressorts) entraînés par l'écoulement au-dessus de la paroi. On peut aussi procéder aux mêmes points à une injection d'air ou des gaz à faible débit, de façon qu'une couche de bulles recouvre la partie émettrice de la paroi en vibration. On peut encore recourir à une injection de fluide visqueux (polymère ou huile) à faible débit. Certaines parties des moyens décrits ici ont pu être déjà envisagés, avec le but essentiel de réduire la traînée des navires, pour améliorer leur rendement de propulsion. Selon l'invention, il s'agit tout au contraire d'une finalité acoustique, assortie du fait qu'une intervention partielle, voire minime sur le plan de la traÎnée, telle que l'aspiration sur une partie du bord de fuite d'un aileron, peut entraîner une forte réduction de bruit. Très généralement, l'invention est remarquable par le fait que l'on ne cherche pas à supprimer globalement un phénomè ne pour réduire la traÎnée du navire, mais au contraire à l'altérer localement pour réduire le bruit engendré par celui-ci. Revendications. 1. Procédé pour réduire le bruit d'un navire, en particulier d'un sous-marin, caractérisé en ce qu'on modifie localement les propriétés mécaniques ou hydrodynamiques d'organes ou profils externes du navire (21, 4, 3, 5, 1), en particulier pour les couches limites et les sillages. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on aspire la couche limite au voisinage du bord de fuite du profil. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on injecte dans le sillage, au niveau du bord de fuite du profil, un débit d'eau choisi, propre à réduire la turbulence de l'écoulement en aval du profil et de restituer sa vitesse moyenne. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le profil est l'un au moins des éléments suivants : aileron monté sur la carène (3), ensemble aileron plus safran (3, 5), obstacle amont (4) tel que le massif d'un sous-marin, en son raccordement à la carène, les aubages fixes (21) ou mobiles et carénage d'une pompe-hélice, ou encore carène (1) en amont de l'hélice. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bord d'attaque du profil est revêtu de matériau viscoélastique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bord de fuite du profil est revêtu au moins en partie de matériau viscoélastique. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bord de fuite du profil est équipé d'aspérités, telles que des plaques minces dentelées. 8. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 à 7, prises en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que le bord de fuite est muni d'orifices ou de surfaces poreuses permettant l'aspiration au moins partielle de la couche limite turbulente. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on aspire la couche limite d'un dôme d'écoute, en amont de la position la plus avancée de la transition d'écoulement laminaire à turbulent. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, pour les parois susceptibles de vibrer, excitées par leurs couches limites turbulentes, on rompt la cohérence des fluctuations de pression pariétale de cette couche limite, par aspirations locales de celle-ci, par mise en place de profils, corps souples ou de jets visqueux ou de bulles de gaz dont l'espacement est inférieur à la longueur de cohérence transversale. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on établit des variations de masse locales d'une paroi ou plaque susceptible de vibrer. 12. Navire, en particulier sous-marin, équipé de moyens permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.