Brevet FR2720590A1 — publié le 19951201

La présente invention se rapporte aux antennes acoustiques passives absorbantes qui permettent à la fois de recevoir les signaux acoustiques pour les transformer en signaux électriques destinés à être traités, et d'absorber ces mêmes signaux acoustiques, en particulier lorsqu'ils proviennent d'un sonar actif de détection. Elles s'applique plus particulièrement aux antennes de grande surface destinées à être fixées de manière conforme sur la coque d'un navire. On a développé depuis quelques années des structures d'antennes acoustiques de grandes dimensions, plusieurs mètres carrés par exemple, qui sont dites pour cette raison "surfaciques". Ces antennes utilisent essentiellement comme capteurs des éléments en polymère piézo- électrique, généralement du type PVF2. Compte-tenu de ces dimensions, on est amené à fixer les antennes sur la coque du bateau porteur du sonar auquel elles sont reliées, en conformant ces antennes de manière à épouser la forme de la coque sur laquelle elles sont rapportées. Dans ces conditions, il est souhaitable, pour garantir les performances du système, de maîtriser 3 critères essentiels: - Un critère hydrodynamique pour éviter de détériorer les performances du bateau porteur, justement en réalisant une antenne conforme. - Un critère de barrière acoustique pour obtenir une bonne réjection des bruits provenant de l'arrière de l'antenne, donc du bateau porteur, pour éviter de masquer les signaux utiles. - Un critère d'anéchoïsme pour absorber les signaux acoustiques aux fréquences utilisées par les armes sous-marines telles que les torpilles, en utilisant justement le fait que la surface de la coque couverte par les antennes est importante. On remarquera toutefois que ces critères peuvent être remplis avec des capteurs ponctuels classiques, et non pas en utilisant un polymère piézoélectrique, lorsque les fréquences utilisées dépassent un ou deux kHz, à condition toutefois de garder le caractère conforme de l'antenne, ce qui est relativement difficile avec un grand nombre de petits capteurs, en céramique par exemple. La Demanderesse a décrit dans une demande de brevet français n 92 06274, déposée le 22 Mai 1992 et délivrée le 26 Novembre 1993 sous le n 2 691 596, une antenne conforme pour sous-marin qui remplit essentiellement le critère hydrodynamique décrit ci-dessus. On connaît également des réflecteurs acoustiques "mous" destinés à être placés à l'arrière des antennes cylindriques, situées elles- mêmes à l'avant des bateaux de surface. De tels réflecteurs mous sont décrits en particulier dans la demande de brevet français n 83 00753, déposée par la Demanderesse le 19 Janvier 1983 et délivrée sous le n 2 539 541. On utilise également parfois à la place de ces réflecteurs mous des réflecteurs de type "dur", c'est-à-dire à haute impédance. Les antennes qui répondent le mieux aux critères définis ci- dessus sont essentiellement des dispositifs étudiés pour servir d'antennes de flanc pour des sous-marins de fort tonnage et dont la structure est définie en coupe sur la figure 1 annexée. L'antenne est placée sur la coque épaisse 101 d'un sous-marin et elle entre en contact de l'eau par l'intermédiaire d'ouvertures pratiquées dans la coque mince 102 de ce sous-marin. Les hydrophones 103, noyés dans une couche protectrice, sont fixés à la surface d'une plaque métallique 104 jouant le rôle d'un réflecteur dur, et viennent affleurer au niveau de la coque mince 102. Cette plaque 104 est elle-même supportée par des supports compliants 105, qui sont par ailleurs fixes à la surface de la coque épaisse 101. Ces supports compliants délimitent un espace intérieur 106, qui comporte des éléments réflecteurs et absorbants décrits ci-après et qui pour le reste est rempli d'eau. Dans la cavité 106 on trouve donc des réflecteurs absorbants du type mou 107 fixés sur la face inférieure de la plaque métallique 104, et des réflecteurs absorbants 108 formés de tubes compliants noyés dans une matrice molle et fixés sur la surface extérieure de la coque épaisse. L'hétérogénéité d'une telle structure implique qu'elle est compliquée à construire et difficile à mettre en place sur des coques arrondies. En outre, l'épaisseur de cette l'antenne atteint classiquement 300 mm, ce qui est considérable. Ces difficultés entraînent un coût élevé qui devient prohibitif. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose une antenne acoustique passive absorbante, du type comportant un ensemble de capteurs, notamment plats, destinés à détecter les ondes acoustiques, principalement caractérisée en ce qu'elle comporte une première couche en élastomère allégé formant un matériau absorbant, une deuxième couche à haute impédance acoustique formant un réflecteur dur et reposant sur la première couche, une troisième couche formée d'un élastomère mou dont les caractéristiques acoustiques sont proches de celles de l'eau pour être transparente aux ondes acoustiques, cette troisième couche enrobant lesdits capteurs et reposant sur la deuxième couche, et une quatrième couche formée d'un élastomère allégé pour être anéchoïque par absorption à des fréquences acoustiques hautes et transparente aux fréquences acoustiques inférieures à ces fréquences acoustiques hautes et reposant sur la troisième couche. Selon une autre caractéristique, la première couche est en polyuréthanne chargé de microballons remplis d'air. Selon une autre caractéristique, la première couche est en caoutchouc-liége. Selon une autre caractéristique, la deuxième couche est en polyuréthanne chargé d'un matériau dense. Selon une autre caractéristique, la deuxième couche est formée d'une plaque d'acier. Selon une autre caractéristique, la troisième couche est en polyuréthanne. Selon une autre caractéristique, la quatrième couche est en polyuréthanne chargé de microballons remplis d'air. Selon une autre caractéristique, la quatrième couche est en caoutchouc-liége. Selon une autre caractéristique, la composition de la première couche permet d'obtenir un produit pc sensiblement trois fois plus faible que celui de l'eau et une tgô relative au coefficient de compressibilité dynamique sensiblement égale à 0,35, la dureté de la troisième couche est inférieure à 50 Shores A, et la quatrième couche présente un produit pc voisin de celui de l'eau et une tgô sensiblement égale à 0,2 pour être anéchoïque aux fréquences supérieures à 20 kHz et transparente aux fréquences inférieures à 15 kHz. Selon une autre caractéristique, la deuxième couche est chargée de billes formées d'un matériau choisi parmi le plomb, I'acier, et les matériaux métalliques à haute impédance acoustique. Selon une autre caractéristique, la première couche a une épaisseur sensiblement égale à 100 mm, la deuxième couche a une épaisseur sensiblement égale à 15 mm, la troisième couche a une épaisseur sensiblement égale à 10 mm, et la quatrième couche a une épaisseur sensiblement égale à 10 mm. Selon une autre caractéristique, I'antenne comporte en outre une cinquième couche venant reposer sur la quatrième couche et formée d'un élastomère de dureté supérieure à 70 Shores A et dont le produit pc est proche de celui de l'eau, pour protéger les autres couches tout en étant transparente aux ondes acoustiques. Selon une autre caractéristique, la cinquième couche est d'une épaisseur sensiblement égale à 5 mm. Selon une autre caractéristique, I'antenne comporte une enveloppe mince en matériau plastique qui forme une cuve enveloppant les couches et dont la partie supérieure est ouverte pour laisser passer les ondes acoustiques. Selon une autre caractéristique, les capteurs sont plats et du type surfacique en polymère piézo-électrique. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue en coupe d'une antenne selon l'art connu; - la figure 2, une vue en coupe d'une antenne selon l'invention; et - les figures 3 à 6, des courbes caractéristiques de certains paramètres importants de cette antenne. Le dispositif de la figure 2 est fixé sur la coque 201 du bateau porteur à l'aide de cales 202 qui permettent de laisser subsister une lame d'eau entre l'antenne et cette coque, ce qui permet d'une part de découpler l'antenne de la coque, et d'autre part d'obtenir des caractéristiques reproductibles pour les performances de l'antenne. Les différentes couches de matériaux formant l'antenne sont contenues dans une enveloppe protectrice 203, faite par exemple d'un matériau élastomère ou thermoplastique de faible épaisseur, typiquement 2 à 3 mm. Les différentes couches de matériaux contenus dans l'enveloppe 203 sont de préférence toutes à base de polyuréthanne dont la composition et le traitement sont différents pour obtenir les caractéristiques souhaitées et décrites ci-après. On sait en effet maîtriser la fabrication du polyuréthanne pour obtenir ces caractéristiques selon des techniques maintenant bien connues dans l'art. Cependant dans le cas d'une antenne plate, le réflecteur dur peut avantageusement être constitué d'une plaque d'acier. Le fond de l'enveloppe est rempli d'une couche 204 dont I'épaisseur est la plus importante, 100 mm par exemple. Cette couche est avantageusement constituée d'un polyuréthanne chargé de microballons remplis d'air. La quantité de microballons est ajustée pour que le produit pc du matériau soit environ 3 fois plus faible que celui de l'eau, et pour que la tgâ relative au coefficient de compressibilité dynamique soit de l'ordre de 0,35. Ces microballons forment un matériau bien connu et disponible dans le commerce. Cependant cette couche peut aussi être constituée d'un caoutchouc-liége tel que celui connu sous la marque commerciale NEBAR. Sur cette première couche une trouve une deuxième couche 205, épaisse par exemple de 15 mm, constituée d'un polyuréthanne chargé de billes de plomb et d'acier réparties de façon homogène. Ces billes pourraient être également formées d'un matériau métallique présentant une haute impédance acoustique. De telles billes de faibles dimensions sont également bien connues dans art. Cette couche pourrait aussi être constituée d'une plaque d'acier lorsque l'antenne plate est destinée à être placée sur une coque relativement plate et que donc l'antenne est peu conformée Une troisième couche 206 sert essentiellement à maintenir et à protéger les hydrophones surfaciques 207, qui constituent les éléments de réception de l'antenne. Cette couche, épaisse de 10 mm par exemple, est constituée d'un polyuréthanne "mou" dont la dureté n'excède pas 50 Shores A et dont les caractéristiques acoustiques, en particulier le produit pc et le coefficient de Poisson sont proches de celles de l'eau pour qu'elle soit essentiellement transparente aux ondes acoustiques. Une quatrième couche 208, épaisse de 10 mm par exemple, vient recouvrir la troisième couche et est constituée d'un polyuréthanne chargé de microballons. Le produit pc de cette quatrième couche est voisin de celui de l'eau et sa tgô est choisie pour que la couche soit d'une part anéchoïque aux fréquences supérieures correspondant à celles des sonars actifs de détection, et d'autre part, transparente aux fréquences inférieures, qui sont à détecter par les hydrophones 207. A titre d'exemple, tg5 pourra être de l'ordre de 0,2 pour obtenir un anéchoïsme par absorption au-dessus de 20 kHz, et une transparence au-dessous de 15 kHz. La couche peut aussi être constituée de NEBAR. Une cinquième couche 209, épaisse par exemple de 5 mm, vient recouvrir la quatrième couche pour fermer l'enveloppe 203 et servir ainsi de protection à l'ensemble des autres couches. Cette couche est formée d'un matériau, un polyuréthanne par exemple, dont la dureté est supérieure à 70 Shores A pour résister à l'abrasion, et dont le produit pc est proche de celui de l'eau pour pouvoir transmettre aux couches inférieures les ondes acoustiques reçues du milieu marin dans lequel est plongé l'antenne. L'ensemble formé par la première couche 204 formant un absorbeur et la deuxième couche 205 formant un réflecteur dur constitue un système masseressort. Cette considération permet d'étudier l'épaisseur de ces deux couches pour obtenir un amortissement des résonances qui se présentent entre les hydrophones et la coque. En outre la première couche 204 permet également d'absorber les résonances qui se forment dans la lame d'eau entre l'enveloppe 203 et la couche 201, en raison de la présence des deux réflecteurs durs correspondant l'un à la coque et l'autre à la deuxième couche 205. Le module d'antenne ainsi obtenu présente donc une hauteur totale d'environ 150 mm, qui est à comparer avec les 300 mm généralement nécessaires pour fabriquer une structure telle que celle de la figure 1. La compressibilité statique de ce module sous 50 bars est d'environ 6 %, et son poids surfacique dans l'eau d'environ 120 daN/m2. Pour fabriquer un tel module, on commence par fabriquer, par moulage et calandrage par exemple, des plaques de polyuréthanne dont les compositions correspondent à celles décrites ci-dessus pour les couches 204, 205 et 208. On découpe ensuite ces plaques pour former des pavés correspondant aux dimensions intérieures de l'enveloppe 203. Cette enveloppe a elle-même été obtenue par moulage dans un moule adéquat, et après préparation de la surface interne de cette enveloppe, par décapage par exemple, on met en place les deux premiers pavés correspondant aux couches 204 et 205. On place ensuite les hydrophones 207 sur la surface de la couche 205 en les maintenant en position par des cales formées par des petits morceaux du matériau constituant la couche 206, obtenus par exemple à partir de chutes d'une fabrication précédente. Après câblage de ces hydrophones sur une prise latérale, on coule le polyuréthanne destiné à former la couche 206, ce qui permet d'enrober les hydrophones. Lorsque cette couche 206 est polymérisée, on met en place le pavé formant la couche 208, puis on coule la couche de protection 209 pour terminer la fabrication du module. Dans le cas o la deuxième couche 205 est constituée d'une plaque d'acier, celle-ci sera d'abord mise en place dans un moule ouvert des deux côtés. On coulera ensuite les couches supérieures, puis on retournera le moule et on coulera finalement la couche inférieure. On pourra aussi procéder de manière inverse en coulant d'abord la couche inférieure. Dans une réalisation particulière d'un tel module, on a utilisé un réseau de 16 hydrophones en PVF2 formant des carrés de dimension 75 mm x 75 mm placés selon un réseau 4 x 4. Les dimensions totales du module étaient de 300 mm x 400 mm x 150 mm, ce qui correspond à un poids de 50 kilos qui permet tout à fait la manutention sans moyens particuliers. Apres avoir fixé ces modules sur une coque de 65 mm d'épaisseur à l'aide de brides métalliques, en intercalant des plots 102 en élastomère pour obtenir entre la coque et le module une lame d'eau d'épaisseur 5 mm, on placé cet ensemble dans une cuve remplie d'eau et on a effectué des mesures dont les résultats correspondent aux courbes des figures 3 à 4. La figure 3 représente la sensibilité hydrophonique en pression en valeur relative par rapport à la valeur de la pression en champ libre pour une onde en incidence normale, c'est-à-dire Sh = 20 log( P totale Pincidente Sh est en décibels et on a également représenté la phase en degrés. La figure 4 représente la perte par insertion, c'est- à-dire le Sh "arrière" et est donnée pour une onde venant de l'arrière par Pi ( Pincidente) Ptotale J La figure 5 représente le rapport avant/arrière, c'est-à-dire: Sh avant - Sh arrière. La figure 6 enfin représente le module IRI du coefficient de réflexion. On constate que la courbe est assez irrégulière et présente des trous. L'explication en est que le matériau formant la couche 209 dans la réalisation mesurée ne présentait pas tout à fait une valeur du produit pc identique à celle de l'eau. Il est possible d'améliorer les choses en ajustant ce paramètre de manière plus précise. L'expérimentation a montré que la structure ainsi décrite pour une telle antenne présente des performances qui sont sensiblement indépendantes du choix des transducteurs 207. Ainsi dans une autre réalisation, utilisant des hydrophones en céramique cylindriques de diamètre mm et de longueur 25 mm, on a obtenu des performances sensiblement équivalentes à celles décrites ci-dessus. REVENDICATIONS 1 - Antenne acoustique passive absorbante, du type comportant un ensemble de capteurs, notamment plats, (207) destinés à détecter les ondes acoustiques, caractérisée en ce qu'elle comporte une première couche (204) en élastomère allégé formant un matériau absorbant, une deuxième couche (205) à haute impédance acoustique formant un réflecteur dur et reposant sur la première couche, une troisième couche (206) formée d'un élastomère mou dont les caractéristiques acoustiques sont proches de celles de l'eau pour être transparente aux ondes acoustiques, cette troisième couche enrobant lesdits capteurs (207) et reposant sur la deuxième couche, et une quatrième couche (208) formée d'un élastomère allégé pour être anéchoïque par absorption à des fréquences acoustiques hautes et transparente aux fréquences acoustiques inférieures à ces fréquences acoustiques hautes et reposant sur la troisième couche. 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première couche (204) est en polyuréthanne chargé de microballons remplis d'air. 3 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première couche (204) est en caoutchouc-liége. 4 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième couche (205) est en polyuréthanne chargé d'un matériau dense. - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième couche (205) est formée d'une plaque d'acier. 6 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la troisième couche (206) est en polyuréthanne. 7 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la quatrième couche (208) est en polyuréthanne chargé de microballons remplis d'air. 8 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la quatrième couche (208) est en caoutchouc-liége. 9 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la composition de la première couche (204) permet d'obtenir un produit pc sensiblement trois fois plus faible que celui de l'eau et une tgâ relative au coefficient de compressibilité dynamique sensiblement égale à 0,35, que la dureté de la troisième couche (206) est inférieure à 50 Shores A, et que la quatrième couche (208) présente un produit pc voisin de celui de l'eau et une tgô sensiblement égale à 0, 2 pour être anéchoïque aux fréquences supérieures à 20 kHz et transparente aux fréquences inférieures à 15 kHz. - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la deuxième couche (205) est chargée de billes formées d'un matériau choisi parmi le plomb, I'acier, et les matériaux métalliques à haute impédance acoustique. 11 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la première couche (203) a une épaisseur sensiblement égale à 100 mm, que la deuxième couche (205) a une épaisseur sensiblement égale à 15 mm, que la troisième couche (206) a une épaisseur sensiblement égale à 10 mm, et que la quatrième couche (208) a une épaisseur sensiblement égale à 10 mm. 12 -Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une cinquième couche (209) venant reposer sur la quatrième couche (208) et formée d'un élastomère de dureté supérieure à 70 Shores A et dont le produit pc est proche de celui de l'eau, pour protéger les autres couches tout en étant transparente aux ondes acoustiques. 13 - Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que la cinquième couche (209) est d'une épaisseur sensiblement égale à 5 mm. 14 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe (203) mince en matériau plastique qui forme une cuve enveloppant les couches et dont la partie supérieure est ouverte pour laisser passer les ondes acoustiques. - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que les capteurs (207) sont plats et du type surfacique en polymère piézo-électrique.