Brevet FR2699316A1 — publié le 19940617

I La présente invention concerne une source sonore pour émettre un signal sonore déterminé, notamment mais non exclusivement pour provoquer à distance l'explosion de mines sous-marines, situées dans une région de passage pour des navires, ces mines étant sensibles à la réception d'un signal sonore particulier, tel que la signature sonore d'un navire. On a proposé des sources comprenant des transducteurs électro-acoustiques reliés à un générateur électrique, afin de produire un signal sonore simulant le passage d'un navire à proximité des mines, en vue de déclencher l'explosion de celles-ci Les transducteurs et le générateur électrique sont généralement montés dans un engin remorqué ou auto- propulsé, et sont alimentés en énergie électrique depuis un navire par un câble électro-porteur Des sources de ce type ont rendu de grands services mais présentent l'inconvénient d'être d'un prix élevé et d'un entretien délicat, car les transducteurs et le générateur électrique sont des composants complexes, coûteux et fragiles. La présente invention a pour objet une source moins coûteuse et plus robuste que les sources connues, émettant un signal sonore déterminé, notamment un signal simulant la signature sonore d'un navire. Selon une première caractéristique de l'invention, la source sonore comprend au moins un élément sous-marin profilé, fixé par des moyens de support à une structure porteuse destinée à être entraînée dans l'eau, cet élément étant profilé de façon qu'à une vitesse déterminée ses caractéristiques hydrodynamiques, notamment de nombre de Strouhal et d'épaisseur équivalente au bord de fuite, provoquent un sillage tourbillon- nant alterné en aval de l'élément, causant l'émission d'un signal sonore de fréquence déterminée Cet élément profilé constitue une structure mécanique résonnante à ladite fréquence, et la superposition des signaux sonores produits par le ou les éléments profilés reproduit ladite signature sonore. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la source comporte des moyens d'amortissement pour ajuster l'amplitude relative du signal sonore émis par un élément profilé. De préférence, le ou les éléments profilés sont disposés à l'intérieur d'une tuyère constituant ladite structure porteuse Cette tuyère comprend avantageusement un carénage en matériau acoustiquement transparent. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, lesdits moyens de support du ou des éléments profilés comportent au moins un axe de support s'étendant à l'intérieur de la tuyère, transversalement à une direction longitudinale de celle-ci. Dans une réalisation de l'invention, la structure porteuse est autopropulsée. Dans une autre réalisation de l'invention, des moyens de remorquage de la source sonore sont prévus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en section d'un élément profilé sous-marin monté sur un axe de support, prise dans un plan perpendiculaire à la direction de cet axe, la figure 2 est une vue en perspective schématique avec arrachement partiel montrant les éléments profilés d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 3 est une vue schématique en coupe prise dans un plan de symétrie médian longitudinal du dispositif représenté sur la figure 2, la figure 4 est une vue en coupe, prise dans un plan perpendiculaire au plan de coupe de la figure 3, selon le trait de coupe IV-IV de cette figure. On a représenté sur la figure 1, de façon schématique, un exemple de réalisation d'un élément profilé sous-marin 10 convenant pour produire un signal sonore de fréquence déterminée, lorsqu'il est immergé et qu'un écoulement E de vitesse relative V prend place autour de lui. L'élément profilé 10 est porté par un axe de support 30 orienté perpendiculairement à la direction de l'écoulement E L'élément profilé 10 présente deux faces principales 12 généralement convexes vers l'extérieur, qui sont disposées symétriquement de part et d'autre d'un plan médian P, parallèle à l'axe de support 30 précité et parallèle à la direction d'incidence de l'écoulement E Les termes "amont" et "aval" se référeront dans la suite de la description au sens de l'écoulement E Les faces 12 précitées se réunissent à leur partie amont pour former un bord d'attaque arrondi 13, générale- ment demi-cylindrique autour de l'axe de support 30, et se réunissent à leur partie aval pour former un bord de fuite 14 L'épaisseur de l'élément profilé 10, mesurée perpendiculairement au plan médian P et en se déplaçant selon la corde de l'élément profilé, c'est-à-dire dans le sens de l'écoulement E et dans le plan P, va croissante depuis le bord d'attaque 13 de l'élément profilé 10, jusqu'à atteindre une épaisseur maximale sensiblement au droit de l'axe de support 30, puis diminue en rapproche- ment du bord de fuite 14, pour atteindre une valeur minimale e au bord de fuite L'élément profilé 10 est délimité transversalement à l'axe de support par deux tranches d'extrémité planes et perpendiculaires à cet axe. Conformément à l'invention, l'élément 10 est profilé de façon qu'à la vitesse V il perturbe l'écoulement E en créant un sillage tourbillonnaire S de type alterné, également connu par l'homme de l'art sous l'expression "allée de Karman" Ce sillage S émet un signal sonore de fréquence f déterminée encore appelé "chant de profil" Conformément à l'invention, l'élément profilé 10 se comporte comme une structure résonnante à ladite fréquence f et sous l'effet du sillage tourbillonnaire alterné S, l'élément profilé 10 entre en vibration à cette fréquence, déterminée par l'expression approchée suivante: f = St V / Ee. Dans cette expression St désigne un nombre sans dimension, dit nombre de Strouhal, fonction des caractéristiques de l'écoulement et de la géométrie de l'élément profilé 10, généralement voisin de 0,2, V désigne la vitesse de l'écoulement E relativement à l'élément profilé 10, c'est-à-dire, dans la pratique, la vitesse à laquelle l'élément profilé 10 est entraîné dans l'eau, et Ee correspond à l'épaisseur équivalente de l'élément profilé 10 au bord de fuite, c'est-à-dire l'épaisseur géométrique e précitée augmentée des épaisseurs d des couches limites sur chacune des faces 12 au niveau du bord de fuite 14: Ee = e + 2 d. L'épaisseur d de couche limite correspond à l'épaisseur des couches d'eau à la surface des faces 12 dans -lesquelles le gradient de vitesse est élevé, et en première approximation, en régime turbulent, l'épaisseur d de couche limite est donnée par la formule d = 0,046 c (Re) 0,2 c o c désigne la corde de l'élément profilé mesurée dans le plan P perpendiculairement à l'axe de support 30 entre le bord d'attaque 13 et le bord de fuite 14 et Rec désigne le nombre de Reynolds correspondant, Rec = V c / n, o N désigne dans cette dernière expression la viscocité cinématique de l'eau, de l'ordre de 0, 000 001 m 2/s. Dans l'exemple particulier représenté sur la figure 1, l'élément profilé 10 est monté sur l'axe de support 30 par l'intermédiaire d'une bague 20 en matériau viscoélastique, fixée par ses faces radialement interne et externe respectivement sur l'axe de support 30 et dans un alésage 15 de l'élément profilé 10 Le rôle de cette bague 20 sera précisé dans la suite. La source sonore selon l'invention représentée sur les figures 2 à 4, comporte plusieurs éléments profilés 10 a, l Ob et l Oc similaires à l'élément profilé 10 qui vient d'être décrit, montés à l'aide de moyens de support sur une structure porteuse Les éléments profilés l Oa, l Ob, l Oc ont été représentés, à titre d'illustration uniquement, avec trois tailles différentes, et sont montés à l'intérieur d'une tuyère 40, constituant ladite structure porteuse, allongée selon la direction d'un axe longitudinal L La tuyère 40 présente de préférence, comme représenté, une surface interne 43 cylindrique de révolution autour de l'axe L, de section droite constante, et une surface externe cylindrique de révolution autour de l'axe L, ayant en section longitudinale, comme représenté sur la figure 3, une allure générale convexe vers l'extérieur Les éléments profilés l Oa, l Ob, 1 Oc sont montés au moyen d'axes de support respectifs 30 a, 30 b, 30 c s'étendant transversale- ment à l'axe L entre des parties opposées 45 de la surface interne 43 de la tuyère 40 La tuyère présente un bord d'attaque 41 arrondi, un bord de fuite 42 effilé, et son épaisseur est de préférence constante sur une majeure partie de sa longueur, comme représenté Les axes de support 30 a, 30 b et 30 c, parallèles entre eux, sont sensiblement situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal L, situé à l'intérieur de la tuyère , et sont disposés dans ce plan de façon généralement proportionnée à l'encombrement des éléments profilés. Le nombre d'éléments profilés sous-marins montés à l'intérieur de la tuyère et leurs caractéristiques géométriques sont déterminés en fonction des caractéristiques spectrales de la signature sonore que l'on cherche à reproduire. A titre d'exemple, considérons un navire dont la signature sonore comporte principalement trois raies spectrales dominantes situées respectivement à 1261 Hz, 2196 Hz et 4570 Hz La source sonore selon l'invention, remorquée par exemple à 15 noeuds, doit donc émettre un signal sonore dont le spectre comporte ces trois fréquences Dans l'exemple de réalisation des figures 2 à 4, ces trois fréquences (fa = 4570 Hz, fb= 2196 Hz, fc = 1261 Hz) sont respectivement générées par les éléments * 15 profilés l Oa, l Ob, l Oc, présentant tous un bord de fuite parfaitement effilé (e = 0) et dont les cordes c, définies précédemment, sont respectivement égales à 4 cm, 10 cm et 20 cm Les caractéristiques mécaniques de chaque élément profilé sont déterminées de façon connue en elle-même, par exemple à l'aide d'un programme de calcul, pour faire coïncider un mode propre de vibration de l'élément profilé avec la fréquence d'émission du sillage alterné correspondant Les raies spectrales à reproduire peuvent présenter des amplitudes différentes et à cet effet il peut s'avérer nécessaire d'ajuster les amplitudes relatives des signaux sonores émis par les divers éléments profilés, pour renforcer ou atténuer les signaux sonores émis à certaines fréquences L'amplitude des signaux sonores émis aux fréquences respectives fa' fb et fc par les éléments profilés peut être mesurée dans un bassin hydroacoustique L'ajustage de l'amplitude relative peut se faire de nombreuses manières, au choix de l'homme du métier, par exemple en créant une dissipation d'énergie dans la structure résonnante constituée par l'élément profilé, qui diminue l'amplitude des vibrations de la structure résonnante et par conséquent l'amplitude du signal sonore émis. Selon la dissipation plus ou moins importante d'énergie au sein de la structure résonnante on obtient ainsi une amplitude relative du signal sonore émis par l'élément profilé respectivement plus faible ou plus importante. Cette dissipation d'énergie peut s'obtenir par un choix approprié des propriétés viscoélastiques des matériaux dans lesquels sont réalisés les éléments profilés sous-marins On peut également proposer, comme cela est montré sur la figure 1, de monter une bague 20 en matériau élastomère, disposée entre l'axe de support 30 et l'élément profilé 10 Ce dernier, lorsqu'excité en vibration, oscille ainsi autour de l'axe support 30 avec un débattement angulaire dépendant notamment des caractéristiques d'élasticité de la bague 20 et des caractéristiques géométriques de longueur et d'épaisseur de celle-ci En variante, l'amortissement peut être obtenu au moyen d'un axe de support 30 en matériau élastique, la dissipation d'énergie ayant lieu dans l'axe de support lors de sa torsion L'amortissement peut également être créé en réalisant de façon plus ou moins rigide la liaison d'un axe de support sur la structure porteuse ou tuyère 40 On peut avantageusement prévoir, comme illustré sur les figures 2 et 4, de monter les extrémités d'un ou de plusieurs axes de support dans des paliers disposés dans la tuyère, en matériau viscoélastique, de façon à obtenir un encastrement dont la rigidité est fonction du matériau viscoélastique dans lequel sont réalisés les paliers Le signal sonore de fréquence fc la plus basse, émis par l'élément profilé de plus grande longueur 10 c, est ainsi atténué en montant les extrémités de l'axe de support 30 c dans des paliers viscoélastiques 44 logés dans la tuyère 40. Bien entendu, on peut proposer, au choix de l'homme de métier, une combinaison des divers moyens d'amortissement précités et en proposer d'autres On peut notamment proposer que les moyens d'amortis- sement soient réglables. On peut en outre prévoir, comme représenté, plusieurs éléments profilés 10 a ou 10 b émettant sur une même fréquence afin de renforcer l'amplitude du signal émis à ces fréquences Plus particulière- ment, on a monté trois éléments profilés 10 a sur l'axe de support 30 a pour renforcer le signal sonore émis à la fréquence fa et deux éléments profilés l O b sur l'axe de support 30 b pour renforcer le signal sonore émis à la fréquence fb' On peut également prévoir de renforcer certaines fréquences en ménageant dans la structure porteuse une cavité formant une caisse de résonnance à une ou plusieurs fréquences Plus particulièrement, dans l'exemple de réalisation représenté, l'amplitude des signaux sonores émis aux deux fréquences fa et fb est renforcée en ménageant une cavité 50 de forme parallélipipédique, formant caisse de résonnance à ces fréquences, dans l'épaisseur de la tuyère Cette cavité 50 débouche au moyen d'une ouverture 51 par exemple circulaire, de diamètre inférieur à la longueur et à la largeur de la cavité, sur la face interne 43 de la tuyère, sensiblement au droit des bords de fuites des éléments profilés 10 a et l Ob La cavité 50 est dimensionnée pour présenter deux modes propres de résonnance de fréquences fa et fbe de façon à renforcer l'amplitude des signaux sonores émis aux fréquences fa et fb par les éléments profilés l Oa et l Ob. Conformément à l'invention, la tuyère 40 est remorquée ou auto-propulsée; dans le premier cas on a l'avantage supplémentaire de disposer d'une source sonore ne nécessitant pas un apport d'énergie électrique au moyen d'un câble électro-porteur. De préférence, la tuyère est constituée d'une armature assurant la tenue mécanique des différents axes de support et servant à l'accrochage d'un câble de remorquage de la tuyère ou servant de support à des moyens de propulsion, et d'un carénage visant à conférer à la tuyère sa stabilité dans l'écoulement Ce carénage est de préférence réalisé dans un matériau acoustiquement transparent, c'est-à-dire dont les caractéristiques acoustiques sont proches de celles de l'eau, de façon à ne pas affaiblir le signal sonore émis par le ou les éléments profilés et ne pas affecter le caractère omnidirectionnel du signal sonore émis. Finalement une source sonore conforme à l'invention permet de produire un signal sonore déterminé de façon simple et peu coûteuse, par exemple pour reproduire la signature sonore d'un navire particulier ou dans d'autres applications telles que la prospection pétrolière. REVENDICATIONS 1/ Source pour émettre un signal simulant la signature sonore d'un navire, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément profilé sous-marin ( 10 a; l Ob; 10 c), fixé par des moyens de support ( 30 a; b; 30 c) à une structure porteuse ( 40) destinée à être entraînée dans l'eau, cet élément étant profilé de façon qu'à une vitesse donnée ses caractéristiques hydrodynamiques, notamment de nombre de Strouhal et d'épaisseur équivalente au bord de fuite, provoquent un sillage tourbillon- nant alterné en aval de l'élément, ce sillage causant l'émission d'un signal sonore de fréquence déterminée, et cet élément profilé constituant de plus une structure mécanique résonnante à ladite fréquence, la superposition des signaux sonores produits par le ou les éléments profilés reproduisant ladite signature sonore. 2/ Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source comporte des moyens d'amortissement ( 20; 44) pour ajuster l'amplitude relative du signal sonore émis par un élément profilé. 3/ Source selon la revendication 2, caractérisée en ce que des moyens d'amortissement ( 20) sont disposés entre l'élément profilé et lesdits moyens de support de cet élément. 4/ Source selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que des moyens d'amortissement ( 44) sont disposés entre les moyens de support et la structure porteuse. / Source selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le ou les éléments profilés sont disposés à l'intérieur d'une tuyère, constituant ladite structure porteuse. 6/ Source selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite tuyère comprend un carénage en matériau acoustiquement transparent. 7/ Source selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de support du ou des éléments profilés comportent au moins un axe de support s'étendant à l'intérieur de la tuyère, transversalement à une direction longitudinale (L) de celle-ci. 8/ Source selon les revendications 3 et 7, caractérisée en ce que les moyens d'amortissement comprennent une bague ( 20) en matériau viscoélastique enfilée sur un axe de support et fixée par sa périphérie à l'élément profilé. 9/ Source selon les revendications 4 et 7, caractérisée en ce que les moyens d'amortissement comprennent des paliers ( 44) en matière viscoélastique logés dans la structure porteuse ( 40) et recevant les extrémités d'un axe de support ( 30 c). / Source selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'au moins un élément profilé présente deux faces principales opposées ( 12) généralement convexes vers l'extérieur. 11/ Source selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la structure porteuse ( 40) comporte au moins une cavité ( 50) formant caisse de résonnance pour renforcer au moins un signal sonore émis par un élément profilé. 12/ Source selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ladite structure porteuse est autopropulsée. 13/ Dispositif pour provoquer à distance l'explosion de mines sousmarines situées dans une région de passage pour des navires et sensibles à la réception d'un signal sonore particulier tel que la signature sonore d'un navire, caractérisé en ce qu'il comprend une source sonore selon l'une des revendications 1 à 11 et des moyens de remorquage de cette source sonore.