Brevet FR2706601A1 — publié le 19941223

DISPOSITIF REDUCTEUR DE BRUIT PROPRE POUR TORPILLES SOUS-MARINES. La présente invention se rapporte aux torpilles sous-marines et concerne un dispositif pour réduire le bruit reçu par leurs antennes acoustiques et provenant notamment des moteurs de ces torpilles. On cherche toujours à améliorer les performances en détection des torpilles. Ces performances sont pour une grande partie, caractérisées par le rapport "signal sur bruit" qui est obtenu au niveau des informations permettant de commander la torpille, en direction et en immersion vers le but. Le signal est constitué en détection passive par le bruit rayonné par le but notamment un bateau de surface; en détection active, il est constitué par le signal émis par la torpille et renvoyé par échos. Quant au bruit, il est constitué par le signal parasite autre que le signal utile. Ce bruit gênant provient soit du milieu extérieur, soit de la torpille elle-même. Le bruit provenant du milieu extérieur est formé du bruit ambiant, en particulier du bruit de mer dont une partie est éliminée par la directivité de l'antenne. En détection active, on trouve en plus le bruit dû à la réverbération sur la surface, sur le fond et dans le volume, du signal émis. Le bruit qui est dû à la torpille est en fait le bruit prépondérant. Ce bruit est principalement généré par les hélices, le moteur et l'écoulement de l'eau le long de la coque de la torpille. Le bruit des hélices se propage essentiellement par l'eau et il est surtout riche en composantes spectrales basse fréquence. De ce fait, il est en grande partie éliminé, grâce au choix de la bande de fréquence du système auto directeur, par le filtrage passe-bande effectué autour de cette fréquence. Les bruits provenant du moteur ont leur source aux points de fixation sur le pourtour de la coque. Par ces points, sont engendrées des vibrations se propageant par la structure de la torpille. Pour éliminer ces bruits, il est connu de découpler mécaniquement les transducteurs de l'antenne du support arrière. Egalement, le support arrière et les fixations du moteur sont découplés mécaniquement de la structure. Les mesures expérimentales des niveaux de bruits sur les signaux électriques en sortie des transducteurs montrent que, à partir d'un certain point, on ne diminue pas le niveau de bruit en augmentant le découplage mécanique. Ce résultat indique que, en plus du bruit se propageant par la structure, il existe une part de bruit importante qui se propage à l'interface eau/surface de la coque sous forme d'ondes guidées jusqu'à la face avant. Ces ondes ont pour origine d'une part, les vibrations du moteur et d'autre part, les bruits d'écoulement de l'eau le long de la coque de la torpille, et toute tentative d'élimination de ces ondes par découplage mécanique s'avère inefficace. Les bruits d'écoulement ont leur source au niveau de la couche limite turbulente qui se forme le long et tout autour de la coque de la torpille. Cette couche limite se développe dans la partie linéaire et sa turbulence est due à la vitesse relativement élevée de la torpille, plusieurs dizaines de Noeuds. Ainsi pour une vitesse de 30 Noeuds, le nombre de Reynolds à 1 mètre en arrière du nez est égal à 1,5 x 107 supérieur à 107, valeur pour laquelle la turbulence est établie. De plus il a été mis en évidence des transferts d'énergie au niveau de cette couche turbulente, à l'origine des bruits impulsionnels, riches en fréquences de l'ordre de quelques dizaines de kiloHertz, et appelés bouffées et "bursts" dans la littérature anglo-américaine. Aussi bien les points de fixation du moteur que les bruits impulsionnels de couche limite donnent naissance à des ondes guidées et le dispositif suivant l'invention permet d'éliminer tout ou partie du bruit véhiculé par ces ondes jusqu'à l'antenne du système autodirecteur. Brièvement c'est une torpille sous-marine comportant sur sa face avant un système autodirecteur de type sonar dont la fréquence limite basse de sa bande de fonctionnement est f0 caractérisée par le fait qu'au moins un tronçon de la coque a une épaisseur h supérieure à celle nécessaire pour obtenir à la fréquence f0 une vitesse de phase des ondes de flexion se propageant le long de la coque, égale à la vitesse CO de propagation du son dans l'eau, cette épaisseur h étant telle que où, E est le module de Young 5 le coeffi cient de Poisson, et P la masse volumique du métal constituant la coque. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre illustrée par les figures qui représentent: Figure 1 - la vue schématique d'une torpille sous-marine; Figure 2 - un guide d'onde acoustique ; Figure 3 - une courbe donnant la variation de la vitesse de phase dans un guide d'onde acoustique en fonction de la fréquence; Figure 4 - une courbe permettant de calculer une épaisseur de revêtement de la coque pour obtenir un rayonnement des ondes guidées; Figure 5 - une torpille avec deux tronçons cylindriques, suivant l'invention; Figure 6 - la vue en coupe d'un tronçon, suivant l'invention; Figure 7 - un diagramme de rayonnement des ondes de flexion; Figure 8 - la vue en coupe d'un tronçon revêtu d'une couche d'élastomère, suivant l'invention. La figure 1 représente le schéma en coupe d'une torpille classique autoguidée. On distingue l'ensemble d'émission-réception comprenant l'antenne 10 qui est formée de transducteurs électroacoustiques et une électronique de traitement 12. Dans le corps de la torpille se trouvent principalement la charge explosive 13 , la source d'énergie électrique 14, une électronique de commande 15 et le moteur de propulsion 16. Dans la partie 17 la torpille est cylindrique. L'antenne 10 est placée dans la face avant 1 de la torpille. Les transducteurs sont protégés de l'environnement par un dôme en élastomère 11, transparent acoustiquement, dont les bords sont de forme hydrodynamique. La présente invention permet d'obtenir un rayonnement dans l'eau des ondes guidées, ce qui a pour effet de réduire le bruit reçu par l'antenne 10 par suite des vibrations dans la structure. Les fréquences centrales des systèmes autodirecteurs de torpille sont de l'ordre de quelque dizaines de kHz, par exemple entre 15 et 40 kHz, tandis que le diamètre moyen des torpilles se situe autour de 500 mm. Les longueurs d'onde restant inférieures au diamètre de la torpille en première approximation, on peut assimiler le comportement de la coque de torpille à une plaque. De nombreuses études ont été faites sur les modes de vibration des plaques de métal dans un fluide, notamment par: M. Pierucci et T.S.Graham dans "Journal of Acoustical Society of America", volume 65, 1979, page 1190. Si la plaque est excitée par une vibration de fréquence f, il s'établit plusieurs modes symétriques, ou d'extension, et les modes anti-symétriques, ou de flexion. Les modes de flexion sont créés par la composante de vibration qui s'exerce perpendiculairement à la plaque. Or, aussi bien les points de fixation du moteur que les bruits impulsionnels de couche limite, sont des sources de vibrations dont la principale composante est perpendiculaire à la coque de la torpille. Tous ces modes de flexion rayonnent dans l'eau quelle que soit la fréquence f sauf le "premier" mode de flexion dont le rayonnement dépend de la fréquence f. La vitesse de phase C du premier mode de flexion est en première approximation reliée à la fréquence d'excitation f suivant l'expression: c2 gL 1/2 (1) où p est la densité de la plaque et h son épaisseur, tandis que D est la raideur en flexion de la plaque égale à Eh3/(12 (1 - a 2)), où E et a sont respectivement le module de Young et le coefficient de Poisson du matériau constituant la plaque. Classiquement, on définit la fréquence de coïncidence f c lorsque la vitesse de phase C de l'onde de flexion dans la plaque est égale à la vitesse de phase CO de l'onde dans le fluide: En deçà de la fréquence de coïncidence, l'onde de flexion reste piégée le long de la plaque où elle se propage suivant un mode dit "évanescent". En revanche, au delà de cette fréquence, l'onde se propage suivant un mode rayonnant, l'onde "fuit" (leaky wave dans la littérature anglo-américaine). L'angle de rayonnement e est donné par la loi de Descartes: six 0 = /C (3) o l'angle 0 étant compté par rapport à la normale à la plaque. D'après les expressions (1), (2), et (3), l'angle de rayonnement e en fonction de la fréquence f pour une fréquence f c donnée, donc une épaisseur h donnée, est obtenu en première approximation par: f 1/2 cf' 1/2 (4) e = arcsin ( fc ) Il est aisé d'après les expressions (2) et (4) de déterminer l'épaisseur de coque h nécessaire pour obtenir un angle e de valeur inférieure à 900 pour une fréquence f donnée correspondant à la fréquence la plus basse fo de la bande du système autodirecteur. Par ailleurs, comme il a été dit précédemment, il s'établit à l'interface coque métallique-eau un mode de propagation stable appelé mode de Stoneley. Ces ondes sont décrites dans l'article de Stoneley dans "Proceedings of the Royal Society", vol. 106, page 416 (1924). Il est connu que la vitesse de phase de ce mode en fonction de la fréquence tend asymptotiquement par valeurs inférieures vers une vitesse Cst appelée "vitesse de Stoneley" proche de la vitesse dans l'eau CO; par suite Cst restant inférieure à CO ces ondes ne peuvent rayonner. Suivant l'invention, la coque est modifiée pour obtenir le rayonnement de ce mode de Stoneley. Cette modification consiste d'une part à obtenir une épaisseur h1 de coque suffisante (si elle ne l'est pas déjà) pour que à la fréquence f0 la vitesse de phase C5 de l'onde interfaciale coque-eau soit proche de Cst, d'autre part à recouvrir la coque épaissie le cas échéant d'une couche de matériau élastomère d'épaisseur e convenablement choisie. La valeur du produit épaisseur de la coque-fréquence au delà de laquelle la vitesse de phase C5 est proche de Cst est liée à la pénétration de l'onde dans la paroi solide, c'est à dire la coque. Pour obtenir cette valeur K du produit on considère que l'épaisseur h1 est égale à une profondeur y e correspondante à la pénétration de l'onde en mode de cisaillement, ye étant telle que l'énergie de l'onde entre Ye et l'infini est inférieure de 5 décibels à celle comprise entre 0 et L'épaisseur himinimum de la coque est donc donnée par: hlf = K (5) où K dépend du type de métal formant la coque et vaut 165 pour l'aluminium (avec h1 en mètres et fO en Hertz). La figure 2 représente schématiquement une coque transversale du guide acoustique proposé. Il est constitué de la coque 20, dont l'épaisseur h est calculée d'après (5), à la surface de laquelle est disposée une couche de matériau élastomère 21 d'épaisseur égale à e, la face extérieure de la couche étant en contact avec l'eau 22. Le matériau élastomère présente des caractéristiques acoustiques assez semblables à celles d'un liquide car la vitesse de cisaillement y est négligeable. Il est choisi pour que sa vitesse acoustique C1 soit supérieure à CO. Il s'établit un mode de Stoneley à l'interface métal-élastomère ; à l'interface élastomère-eau, le mode de Stoneley est inexistant. Dans cette configuration, la vitesse de phase C5 de ce mode de Stoneley en fonction de la fréquence est représentée schématiquement sur la figure 3. Aux basses fréquences, le guide se comporte comme si la couche 21 n'existait pas. Quand la fréquence raugmente, la vitesse de l'onde interfaciale augmente pour tendre vers une vitesse C1 qui est la vitesse de st qui Stoneley dans la couche 21. La valeur de cette vitesse est proche de C1 et puisque C1 est supérieure à CO, la vitesse Cs devient supérieure à CO. Le mode de Stoneley rayonne alors suivant un angle 6 donné comme précédemment par la loi de Descartes sin 6 = C0/C5. La fréquence de coïncidence fcX pour laquelle la vitesse C5 est égale à CO, est fonction de la vitesse C1. Elle est déterminée à partir de la loi de variation de la quantité efc en fonction de C1 qui est représentée sur la figure 4 pour une densité de matériau élastomère P 1 égale à 1,1. Bien entendu cette loi de variation est établie en considérant que la coque a l'épaisseur hl précédemment définie. Pour un matériau élastomère de vitesse C1 donné, la valeur de la quantité efc permet d'obtenir l'épaisseur e de la couche pour que la fréquence f c soit inférieure à la fréquence fO la plus basse de la bande du système autodirecteur. La figure 5 représente un exemple de réalisation pour lequel la coque d'une torpille est munie par exemple de deux tronçons cylindriques 50 et 51 dont la structure est modifiée conformément à l'invention. La coupe tranversale d'un tronçon tel que 50 est représentée schématiquement sur la figure 6. On distingue la coque 60 métallique, par exemple en alliage à base d'aluminium, munie de raidisseurs 62 qui assurent la rigidité nécessaire. Selon l'invention, la coque est épaissie sur une longueur L, 61, l'épaisseur h étant choisie d'après la fréquence limite basse f0 du système autodirecteur, comme indiqué précédemment de manière à obtenir un rayonnement des ondes de flexion. Comme représenté schématiquement sur la figure 7, le rayonnement s'effectue suivant le diagramme de directivité dont le lobe principal 70, orienté dans la direction e, a une largeur fonction du rapport X o/L avec X = C If . Ce diagramme est de révolution autour de l'axe de la torpille. o oo La loi de perte d'énergie par rayonnement vers l'eau par unité de longueur est fonction de l'angle de rayonnement O . Cette perte, comptée en dB par mètre, est nulle pour O = 900, ctest-à-dire lorsque f = fc, puis augmente lorsque e diminue. Pour un angle O d'environ 700, soit un rapport f/fc égal à 1,15, la perte est de l'ordre de 20 dB par mètre. Suivant l'invention, la longueur L de chaque tronçon de coque épaissi est choisie pour obtenir une perte d'énergie par rayonnement de l'ordre de 20 dB compte tenu de l'angle de rayonnement e Généralement, les fréquences limites basses des bandes des systèmes autodirecteurs de torpille se situent entre 20 et 30 kHz. Pour une coque en aluminium, la fréquence de coïncidence f c est telle que le produit f c h est égal à 231 d'après (2), la vitesse CO étant égale à 1500 m/s. Pour une fréquence f0 de 25 kHz, l'épaisseur h qu'il faut donner à la coque pour obtenir un angle de rayonnement de 700 est égale à 10 mm environ. Puisque pour cet angle, la perte d'énergie par rayonnement est de l'ordre de 20 dB par mètre, un tronçon de 1 m de long permet de perdre 20 dB. Notons qu'en général, l'épaisseur des coques de torpille est comprise entre 5 et 8 mm. Pour 5 mm par exemple, la fréquence de comcidence est égale à 45 kHz et il faudrait une fréquence de 52 kHz pour obtenir un angle de rayonnement de 70". Le tronçon 50 est avantageusement placé vers l'arrière de la torpille, en avant des points de fixation du moteur, et élimine essentiellement les ondes de flexion guidées dues aux vibrations du moteur. La coupe transversale d'un tronçon tel que 51 est représentée schématiquement sur la figure 8. La coque 60 est à la fois épaissie à une valeur hl calculée d'après l'égalité (5) comme décrit précédemment sur une longueur L et revêtue d'une couche de matériau élastomère, dont l'épaisseur e est choisie d'après la fréquence la plus basse fO de la bande du système autodirecteur comme indiqué précédemment de manière à obtenir un rayonnement des ondes de Stoneley. La coque 80 épaissie à ' une valeur hl est usinée sur sa face extérieure pour présenter un évidement 81. La profondeur de cet évidement est égale à l'épaisseur prévue du revêtement. Ce revêtement est ensuite coulé dans cet évidement de manière à le combler entièrement tout en adhérant à la paroi 70. A titre d'exemple numérique, l'épaisseur hl d'une coque en aluminium doit être au moins égale à 6,6 mm avec f0 = 25 kHz. Un matériau élastomère de densité pl égale à 1,1 et de vitesse C1 égale à 1750 m/s permet d'obtenir une valeur du produit efc = 74 m/s. Pour une épaisseure e de 3 mm, la fréquence de coïncidence f c est égale à 24 kHz. Les fréquences f0 dans les systèmes auto directeurs sont d'ailleurs généralement largement supérieures à cette valeur. D'après les enseignements précédents, le matériau utilisé pour réaliser le revêtement doit avoir les caractéristiques suivantes: - vitesse acoustique supérieure à 1700 m/s, - module de cisaillement voisin de zéro, - densité de l'ordre de 1,1, - bonne tenue mécanique. Suivant l'invention, un matériau élastomère choisi dans la famille des polyéthers réticulés avec des polyols ou avec des amines aromatiques satisfait les caractéristiques précédemment énoncées. De plus, ce matériau peut être moulé directement sur la coque préalablement usinée. Le matériau, dont la viscosité est abaissée par chauffage, est coulé par gravité dans l'évidement 81 selon une technique connue. Une fois la polymérisation terminée, on obtient le revêtement désiré. Sur la figure 5, on n'a représenté que deux tronçons de coque modifiés, l'un étant seulement épaissi, tandis que l'autre est à la fois épaissi et revêtu d'une couche de matériau élastomère. Cet exemple de réalisation n'est pas limitatif, en particulier les deux tronçons peuvent être jointifs, ou bien on peut en disposer plusieurs. Il est par ailleurs évident que si l'on augmente l'épaisseur hl de la coque résistante du tronçon 51 jusqu'à lui donner l'épaisseur h calculée dans le tronçon 50, les deux fonctions réalisées par les tronçons 50 et 51 de rayonner les énergies parasites véhiculées respectivement par les modes de flexion et de Stoneley le seront alors simultanément par un seul. La figure 8, dans laquelle on aura fait hl = h et recalculé l'épaisseur e d'élastomère en fonction de la nouvelle vitesse de Stoneley provoquée par l'augmentation de l'épaisseur de la coque, représente donc également une telle réalisation. On a ainsi décrit un moyen permettant de réduire le bruit propre se propageant par ondes de flexion et par ondes de Stoneley le long d'une coque de torpille en modifiant la structure de cette coque sur des tronçons de longueur prédéterminée. REVENDICATIONS 1. Torpille sous-marine comportant sur sa face avant un système autodirecteur de type sonar dont la fréquence limite basse de sa bande de fonctionnement est f caractérisée par le fait qu'au moins un tronçon (50) de o la coque (30) a une épaisseur h supérieure à celle nécessaire pour obtenir à la fréquence f0 une vitesse de phase des ondes de flexion se propageant le long de la coque, égale à la vitesse CO de propagation du son dans l'eau, cette épaisseur h étant telle que où, E est le module de Young, a le coefficient de Poisson, et p la masse volumique du métal constituant la coque. 2. Torpille sous-marine suivant la revendication 1 caractérisée par le fait qu'au moins un tronçon de coque (51) a une épaisseur, au moins égale à une valeur hl, déterminée pour que la vitesse des ondes de surface de type Stoneley se propageant à l'interface coque-eau, soit proche de CO à la fréquence f0 et comporte un revêtement de matériau élastomère (81) dont la densité P1, la vitesse acoustique C1 et l'épaisseur e sont choisies pour obtenir à la fréquence f0 un rayonnement des ondes de surface du type Stoneley. 3. Torpille sous-marine suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que la longueur d'un tronçon (50, 51) d'épaisseur h est choisie en fonction de l'angle de rayonnement (e) pour obtenir une perte d'énergie supérieure à 10 dB. 4. Torpille sous-marine suivant les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait qu'elle comporte ; un tronçon (50, 51) ayant une épaisseur hl, telle que hl = h et que d'aut re part le tronçon comporte un revêtement en matériau élastomère (81) l'épaisseur étant déterminée pour obtenir à la fréquence f0 un rayonnement des ondes de surface du type Stoneley. 5. Torpille sous-marine suivant la revendication 2, 3 et 4 caractérisé par le fait que le matériau élastomère (81) est un polyéther réticulé avec des polyols ou des amines aromatiques.