Brevet FR2709550A1 — publié le 19950310

GONIOMETRE ACOUSTIQUE A LENTILLE GEODESIQUE. La présente invention concerne un goniomètre acoustique permettant de déterminer en mer, la direction de provenance de signaux sonores se propageant dans l'eau. L'invention s'applique plus particulièrement à la mesure de la direction de sources de bruit, provenant de bateaux ou de sousmarins, ces sources étant appelées "bruiteurs". Ces mesures doivent se faire sur tout l'horizon, soit une surveillance de 360" en gisement. Cette surveillance doit se faire dans une bande de fréquence de plusieurs octaves. Le goniomètre suivant l'invention comporte un moyen de focalisation des ondes sonores par une lentille géodésique acoustique. Les goniomètres suivant l'Art Antérieur sont basés soit, sur la mesure des déphasages entre deux paires de récepteurs croisées à 90 , soit sur la mesure des amplitudes reçues par un certain nombre d'antennes. Le goniomètre à deux paires de récepteurs est basé sur des mesures de déphasage et une mesure de déphasage aux fréquences élevées implique que les capteurs soient suffisamment rapprochés pour éviter les ambiguTtés de direction et on est limité par la taille des capteurs réalisables. Cette première technique n'est donc utilisée qu'aux fréquences basses par exemple inférieures à 30 kHz. La deuxième technique qui effectue une goniomètre d'amplitude permet de couvrir la bande des fréquences hautes. Elle nécessite de former des voies à partir d'antennes acoustiques comportant plusieurs transducteurs. Notons que l'utilisation de cette technique aux fréquences basses entraînerait des dimensions d'antennes trop importantes.En effet un tel goniomètre d'amplitude comporte un certain nombre d'antennes réparties sur le pourtour d'un support, le support est, par exemple, circulaire et la face sensible de chaque antenne correspond à un angle au centre de 300. Chaque antenne comporte un certain nombre de transducteurs dont les signaux de sortie sont traités de manière classique pour fournir un signal de voie, auquel est associée une fonction de directivité. Il est connu que cette fonction de directivité possède une largeur à 3dB d'atténuation égale à X /L si X est la longueur d'onde du signal reçu et L la longueur de l'antenne, chaque fonction de directivité correspondant à chaque antenne se recoupant à une valeur voisine de 3 dB de manière à couvrir entièrement l'espace environnant. La bande passante de ce goniomètre est limitée car la directivité varie avec la fréquence. I1 s'ensuit que pour obtenir un recouvrement spatial correct, la fréquence haute doit être limitée pour ne pas avoir de risques d'erreurs de goniomètrie trop grandes. De plus, des erreurs apparaissent si le spectre du bruiteur est plus étroit que la bande passante. La technologie de ce goniomètre est complexe car pour couvrir une large bande de fréquences, il faut former des voies dans plusieurs bandes de fréquences. Le goniomètre d'amplitude suivant l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Par exemple, il pourra couvrir une seule bande, dont le rapport des fréquences extrêmes est au moins de 3 entraînant de meilleurs performances et une technologie moins complexe. Il est connu également de former des voies grâce à des lentilles acoustiques, les transducteurs se trouvant dans le plan focal de ces lentilles. On utilise généralement des cylindres remplis d'un liquide dont l'indice acoustique de réfraction par rapport à l'eau doit être supérieur à 2. Les lentilles appelées lentilles "boules" ont l'inconvénient de nécessiter une régulation thermique et de ne surveiller qu'un secteur angulaire de 60 . I1 est connu par ailleurs d'utiliser des lentilles dites "minces" analogues à celles de l'optique. Ces lentilles en matériau solide d'indice inférieur à 1 ont l'inconvénient, compte tenu des aberrations géométriques, de n'avoir qu'un secteur angulaire utile de l'ordre de 100. Pour remédier à ces inconvénients de l'art antérieur, le goniomètre suivant l'invention utilise pour la focalisation une lentille géodésique, qui permet la surveillance de tout l'horizon. Les lentilles géodésiques acoustiques sont des surfaces de révolution à une ou deux parois. Des ondes interfaciales peuvent se propager soit sur la paroi soit entre les parois. Ces ondes sont connues sous le nom de "Ondes de Stoneley" et sont décrites dans l'article de Stoneley dans "Proceedings of the Royal Society", vol.106, page 416 (1924). Brièvement, c'est un goniomètre acoustique passif d'amplitude et omnidirectionnel en gisement comportant une formation de voies en gisement et des circuits de traitement de ces signaux de voies, la formation de ces voies étant obtenue par des moyens de focalisation des ondes acoustiques interfaciales sur des transducteurs, caractérisé par le fait que la focalisation est obtenue par une lentille géodésique contituée par un guide d'onde formé par une paroi ou par deux parois parallèles avec un milieu interposé et que le guide d'onde est de révolution autour d'un axe et que les ondes de volume entrent par une extrêmité délimitée par un cercle appelé de pupille, et sortent du guide d'onde suivant un cercle appelé cercle focal et qu'à chaque direction des ondes incidentes correspond au moins un transducteur récepteur situé sur le cercle focal et fournissant un signal de voie. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: - figure 1, le schéma d'une lentille géodésique acoustique; - figure 2, un schéma explicatif de la propagation dans une lentille géodésique cylindrique; - figure 3, un schéma montrant les moyens de pondération pour la directivité d'une voie formée; - figure 4, un schéma de goniomètre à lentille géodésique à multiplet de conflexions. La figure 1, montre un exemple de lentille géodésique de révolution d'axe OO', et vue en coupe. Le guide acoustique de propagation est formé par les deux parois 10 et 11 et le milieu 13 entre les parois. Le milieu 13 est rempli par un liquide ou un matériau viscoélastique. Les ondes de volume se propageant dans l'eau suivant des rayons parallèles, correspondant à une direction, rentrent dans le guide par le cercle de pupille 12 et sont guidées sous forme d'ondes interfaciales jusqu'au cercle focal 31, où elles sont sensiblement focalisées. Ainsi pour la direction 14.1, les ondes sont focalisées en S1 et sont captées par un transducteur T1, qui fournit le signal de voie dans cette direction. De même pour la direction 14.N ces ondes sont focalisées en 5N et sont captées par le transducteur TN, qui fournit un signal de voie dans une direction diamétralement opposée à la précédente. En utilisant une lentille ayant cette forme de guide et que l'on appellera "ouverte", la reception panoramique sur 3600 est possible, puisqu'il n'y a pas obstruction du rayonnement. Il sera montré par la suite, qu'outre cette possibilité de former des voies sur 360 , cette invention permet de le faire avec une large bande passante. Bien entendu, la réception peut s'effectuer sur un secteur angulaire inférieur à 360 . On examinera, pour simplifier l'exposé, le cas de la lentille cylindrique,de hauteur H et de rayon R. En se reportant à la figure 2, un rayon reçu par le récepteur S avec un angle d'incidence i par rapport à la génératrice SJ passant par S, suit une hélice 20 équi-angle le long du cylindre 22, à partir d'un point d'entrée P du cercle pupille. Le rayon symétrique par rapport à SJ rentre par le point Q. Le récepteur S n'est pas ponctuel et sa longueur est L de sorte qu'à la longueur d'onde A, il possède une directivité d'ondes interfaciales dont la largeur à 3 dB d'atténuation est voisine de A IL. Les rayons 20 et 21 représentés sur la figure 2, correspondent à cette largeur angulaire, c'est-àdire i = A/2L. La largeur D de la pupille d'entrée est égale à la longueur d'arc PQ soit, en première approximation D H HLX . Si Ao est la longueur d'onde dans le milieu extérieur 24, la largeur angulaire de la directivité résultante à 3 dB d'atténuation 2 0 3 est voisine de #o/D . L'ensemble d'égalités précédentes fournit la relation entre 2 O 3 et L soit: nL 2# = H, (1) avec n = X I A o En général, pour tous les types de lentilles ouvertes, il existe une relation de proportionnalité entre la longueur L du récepteur et la largeur angulaire 2 O 3 de la directivité résultante de la voie formée qui dépend de la forme du guide. L'expression (1) montre que la directivité résultante reste constante en fonction de la fréquence, puisqu'elle est indépendante de A . Il y a toutefois, des limitations vers les fréquences hautes et vers les fréquences basses. Vers les fréquences hautes, pour que les aberrations ne deviennent pas excessives, le rapport 2RlX A min est limité à environ 60. Par définition min et Amax sont les longueurs d'onde correspondant respectivement à f max et f min dans le guide. Vers les fréquences basses, la limitation provient du fait que le diamètre de la pupille est limité au diamètre AB de la base du cylindre. Dans ce cas, en se reportant à la figure 2, les rayons extrêmes 210 et 211 font avec la génératrice SJ, un angle i max tel que iman = arctg TrR 2H 2H , et iman doit être supérieur à AmaX/2L, où L correspond à l'utilisation de la pupille AB. D'où Xmax c arctg TrR (2) 2L 2H Si v est la vitesse acoustique dans le guide, les fréquences extrêmes fmin et fmax sont données par: fmax = 60v/2R (3), compte tenu des aberrations et compte tenu de la relation (2) De plus, la propriété de directivité constante est obtenue à la condition que la hauteur H soit au moins égale à la valeur qui est nécessaire, pour que la directivité correspondant au récepteur S de longueur L puisse être formée. Cette condition est reliée à la distance de Fresnel pour la fréquence la plus élevée f max soit: d'après la relation (3). Suivant un exemple de réalisation d'un goniomètre de l'invention, on a les caractéristiques suivantes en tenant compte des relations (1), (2), (3), (4) et (5): - lentille géodésique de forme cylindrique à deux parois; - rayon du cylindre, R = 0,5 m ; - hauteur du cylindre, H = 0,5 m; -milieu de remplissage du guide: eau; - longueur du récepteur, L = 9 cm; - angle de surveillance par voie, 2#3 = 10 ; - fréquence minimum de fonctionnement, f min = 8 kHz; -fréquence maximum de fonctionnement, f max = 90 kHz; - nombre de voies en gisement se recoupant à 3 dB = 36. On voit que les fréquences extrêmes obtenues sont dans un rapport élevé de l'ordre de la décade et cet exemple relatif à une lentille cylindrique montre la possibilité qu'il y a, d'obtenir une directivité constante, dans une large bande de fréquence. Suivant la réalisation préférée de l'invention, chaque voie est formée à partir de plusieurs récepteurs élémentaires répartis sur la longueur L. Comme représenté sur la figure 3, le groupement 30.1, 30.2, 30.3, 30.4 de récepteurs de largeur angulaire a (on a pris 4 récepteur à titre d'exemple), est utilisé pour former une voie en sommant les signaux de sortie. Selon une caractéristique de l'invention, les signaux de sortie des récepteurs, par exemple des hydrophones, sont pondérés en amplitude et/ou en phase pour obtenir une directivité résultante de forme prédéterminée. Si le lobe principal de la directivité de la lentille est fin vis à vis de la largeur angulaire a du groupement de récepteurs, la forme de la directivité résultante devient voisine de celle de la loi de pondération. Ainsi, le nombre de récepteurs par voie qui fixe la largeur a , et la loi de pondération sont choisis pour obtenir une directivité résultante de forme prédéterminée. Comme représenté sur la figure 3, les signaux de sortie des récepteurs sont par exemple pondérés en amplitude au moyen de résistances électriques R1, R2, R3 et R4 dont les valeurs sont préalablement calculées pour obtenir la loi de pondération désirée, la sommation étant obtenue avec un amplificateur opérationnel 32. Notons que les signaux de sortie du groupement de récepteurs peuvent être par exemple pondérés de manière à obtenir une loi de pondération en triangle. Au signal de voie V obtenu après sommation des signaux pondérés, est associée une directivité constante dans une large bande et dont la forme est voisine d'un triangle. Cette forme permet d'effectuer la goniométrie par interpolation linéaire entre les voies adjacentes. Par ailleurs, la possibilité de moduler aisément la directivité des voies permet de façon simple d'adapter l'antenne à un problème particulier. Ainsi, selon une autre caractéristique de l'invention, le choix du nombre de récepteurs et des pondérations par voie est modifiable à tout instant. De manière générale, tous les types de lentilles géodésiques ouvertes permettent de réaliser un goniomètre acoustique selon l'invention. Ces lentilles se distinguent entre elles par la forme du guide d'onde réalisés avantageusement par deux parois métalliques maintenues à distance constante. Outre la lentille cylindrique indiquée comme exemple précédemment, les différentes formes de lentilles sont: - le tronc de cône, - le tronc de sphère, - le disque. Toutes ces formes de lentilles sont de révolution et les cercles focal et pupille sont contenus dans des plans parallèles. Suivant l'invention, on peut utiliser également des lentilles formées par deux cônes ayant le même axe, qui se coupent suivant un cercle. Ces lentilles sont décrites dans l'article de Toraldo di Francia publié dans "Journal of Optical Society of America", vol.45, n"8 page 621. Le passage d'un cône à un autre produit une déviation d'un rayon analogue à une réfraction par un dioptre en optique, que l'on appelle "conflexion". En associant plusieurs conflexions, on peut obtenir une lentille géodésique de faible aberration appelée multiplet de conflexion. Avec les lentilles ouvertes du type cylindre, tronc de cône, tronc de sphère, disque, la directivité en site, c'est-à-dire dans le plan vertical perpendiculaire aux plans contenant les cercles focal et pupille, a générale- ment son maximum dirigé de quelques degrés vers le bas et sa largeur est variable avec la fréquence. En revanche, l'utilisation de multiplets de conflexion permet d'obtenir une directivité en site, symétrique par rapport au plan du cercle pupille et peu variable dans une large bande de fréquences. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un goniomètre suivant l'invention en vue de profil, comportant une forme de guide d'onde formé de 3 conflexions 401, 402 et 403. Au niveau du cercle pupille, le guide est orienté dans la direction de l'inclinaison site SO. Le choix de la largeur "a" de l'anneau, permet d'ajuster la largeur de directivité en site 2 O3 dans la bande de fréquence. Sur un support 40 sont montés les récepteurs constitués de transducteurs piézoélectriques 41. Ils forment une couronne et leur face rayonnante est placée perpendiculairement à l'axe du guide d'onde 42 formé de deux parois métalliques. Ce guide est maintenu par une structure 43 et il est recourbé au niveau de la pupille d'entrée d'un angle B correspondant à l'angle de rayonnement en site. L'ensemble des signaux électriques fournis par les tranducteurs est relié à une matrice de connexion 44 qui est commandée par un circuit 47. Ce circuit 47 permet de choisir le nombre de récepteurs élémentaires pour former une voie et le nombre de voies en combinaison avec la loi de pondération choisie. La formation des voies est ensuite effectuées par des circuits en 45 . Elle consiste à pondérer les signaux et à les additionner. Puis l'ensemble des signaux de voies est traité dans les circuits 46 par convolution avec une copie stockée ou par interpolation. Cette copie calculée correspond à la fonction de directivité des voies. La directivité des voies étant peu variable avec la fréquence, suivant une caractéristique de l'invention, une seule bande de fréquence est utilisée et une seule copie est nécessaire. L'utilisation d'une seule copie permet une réduction du volume des circuits de traitement par rapport à l'Art Antérieur, pour lequel on utilise plusieurs copies pour plusieurs bandes de fréquence. On a ainsi décrit un goniomètre d'amplitude nouveau dont les performances sont améliorées par rapport à l'Art Antérieur par une plus grande constance des directivités des voies et par l'élargissement de la bande de fréquences entraînant une complexité moins grande et une plus grande souplesse du traitement des signaux. REVENDICATIONS I. Goniomètre acoustique passif d'amplitude et omnidirectionnel en gisement comportant une formation de voies en gisement et des circuits de traitement de ces signaux de voies, la formation de ces voies étant obtenue par des moyens de focalisation des ondes acoustiques interfaciales sur des transducteurs (Ti), caractérisé par le fait, que la focalisation est obtenue par une lentille géodésique constituée par un guide d'onde formé par une paroi ou deux parois parallèles (11,10) avec un milieu interposé (13) et que le guide d'onde (10, 11, 13) est de révolution autour d'un axe (00') et que les ondes de volume entrent par une extrêmité (E) délimitée par un cercle (12) appelé cercle de pupille et sortent (S) du guide d'onde suivant un cercle (31), appelé cercle focal et qu'à chaque direction des ondes incidentes (14.1) correspond un transducteur (Tn), récepteur situé sur le cercle focal (12) et fournissant un signal de voie. 2. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le guide est de forme tronc conique. 3. Goniomètre acoustique suivant la revendication I caractérisé par le fait que le guide est de forme tronc sphérique. 4. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le guide est de forme plate constituant un disque. 5. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le guide est formé de plusieurs conflexions (401, 402, 403). 6. Goniomètre acoustique suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le guide est de forme cylindrique. 7. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un seul transducteur récepteur de longueur L est utilisé pour former chaque voie, la longueur L étant choisie en fonction de la géométrie du guide et de la fréquence maximum de la bande d'écoute. 8. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que plusieurs transducteurs récepteurs sont utilisés pour former chaque voie. 9. Goniomètre acoustique suivant la revendication 8 caractérisé par le fait que les signaux de sortie des transducteurs récepteurs formant une voie sont pondérés en amplitude et/ou en phase. 10. Goniomètre acoustique suivant la revendication 9 caractérisé par le fait que l'ensemble des signaux de sortie des transducteurs récepteurs est envoyé dans une matrice de connexion commandée, permettant de choisir le nombre de récepteurs par voie et le nombre de voies en fonctions de la loi de pondération appliquée. 11. Goniomètre acoustique suivant la revendication 9 caractérisé par le fait que la loi de pondération a une forme en triangle et que le traitement des signaux de voies est une interpolation linéaire. 12. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le traitement des signaux de voies est effectué dans une seule bande de fréquences dont les fréquences extrêmes sont comprises entre un rapport 3 à 10. 13. Goniomètre acoustique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les transducteurs récepteurs sont disposés selon un angle en gisement compris entre 180. et 360 .