Brevet FR2739522A1 — publié le 19970404

La présente invention concerne le domaine des antennes de sonar, notamment celles destinées à être embarquées sur un engin sous-marin pour constituer une tête rapportée de cet engin. Elle a plus particulièrement pour objet une antenne de sonar apte à fonctionner dans différentes bandes de fréquences. Une antenne de sonar est généralement constituée d'un grand nombre de transducteurs. Chaque transducteur, par exemple de réception, est constitué d'un élément de conversion de l'énergie de pression qui se propage dans le milieu liquide, en énergie électrique qui peut être traitée par des moyens électroniques. Dans une antenne sous marine comme celle utilisée dans les sonars pour torpilles, les transducteurs sont disposés les uns à côté des autres sur un matériau acoustiquement transparent assurant le transfert de l'énergie; ils sont de plus fixés mécaniquement de manière plus ou moins complexe sur un support propre à supporter les efforts de pression. A titre d'exemple on peut citer le brevet FR 2603761 qui décrit une antenne de sonar constituant la tête rapportée d'un engin sous-marin, laquelle antenne comporte un noyau qui est un bloc de mousse" syntactique rigide, résistant à la pression hydrostatique d'immersion, lequel bloc comporte des logements dans chacun desquels est placé un transducteur électroacoustique, dont la face externe affleure la face exteme dudit bloc. Cette antenne comporte une enveloppe étanche en un matériau acoustiquement transparent qui est surmoulée autour du bloc et des transducteurs et qui a un profil hydrodynamique en ogive qui prolonge celui de la coque de l'engin et des moyens de fixation contre la face externe de l'extrémité avant de la coque de l'engin. Les antennes sous-marines peuvent être à fonctionnement exclusivement passif ou actif ou posséder la faculté d'un fonctionnement simultané actif et passif. Dans tous les cas, I'antenne possède une fréquence de fonctionnement optimale qui se caractérise par le fait que l'échantillonnage de la surface sensible, ou en d'autres termes le nombre de transducteurs par unité de surface, est bien adapté et pour les antennes actives, que chaque transducteur puisse transformer avec le meilleur rendement, I'énergie électrique en énergie mécanique. Pour tenter de répondre aux besoins des concepteurs d'autodirecteurs de torpille qui demandent de plus en plus d'agilité fréquentielle au sonar, des études d'antennes actives dites "large bande", ont conduit à concevoir par des moyens plus ou moins complexes, des transducteurs dont le rendement se maintient à un niveau suffisant pour une excursion fréquentielle de l'ordre de 30% de la fréquence optimale.Cependant les facteurs sur lesquels il reste impossible de jouer en fonction de la fréquence, restent d'une part la dimension du pavillon des transducteurs qui constitue l'organe de couplage entre le milieu et le matériau transformateur d'énergie, cette dimension fixant l'échantillonnage surfacique et d'autre part les dimensions des pièces constitutives des transducteurs, qui fixent la fréquence optimale de fonctionnement. Par dimension du pavillon d'un transducteur, il faut entendre le diamètre du pavillon s'il à la forme d'un cylindre aplati ou la longueur d'un coté s'il à la forme d'un parallélépipède rectangle à base carrée. Pour des raisons physiques de transmission d'énergie et de moindre interaction des transducteurs les uns sur les autres, le concepteur est amené à disposer les éléments à des distances qui restent voisines de la moitié de la longueur de l'onde qui se propage dans le milieu. Le brevet GB 2077552 décrit une antenne sonar utilisable pour la recherche des bancs de poissons ou de sable et qui comporte des transducteurs émettant à deux fréquences V1 et V2, respectivement 55 kHz et 130 kHz, la dimension du pavillon de chaque transducteur étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X1 correspondant à la fréquence V1. Or, avec une telle antenne, le rendement chute notablement lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence V2. En outre, une telle antenne ne peut être utilisée dans un autodirecteur de torpille du fait de sa très faible directivité. La présente invention a notamment pour objectif de remédier à ces inconvénients en proposant une antenne sonar ayant un rendement élevé dans de multiples bandes de fréquences V1 ,V2 conciliant pour ces multiples bandes de fréquences un échantillonnage spatial optimal tout en conservant la fonction émission sur plusieurs bandes de fréquences. Une antenne sonar selon l'invention comporte des transducteurs identiques et présentant au moins à deux fréquences V1 et V2 des pics de sensibilité et est caractérisée en ce que la dimension du pavillon de ces transducteurs est comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde X2 correspondant à la plus élevée des fréquences V1 et V2 Ce fractionnement de la surface sensible de l'antenne, amène à construire un grand nombre d'éléments ce qui entraînerait un coût assez élevé pour une réalisation industrielle classique à base de collage des éléments côte à côte sur une surface. Une autre caractéristique de l'invention consiste lors de la fabrication des transducteurs à utiliser les étapes suivantes: - dans une première étape à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matériau acoustiquement transparent, - dans une étape ultérieure, à découper la plaque, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés et séparés par lesdites découpes. Un procédé de fabrication, suivant l'invention, de la matrice de transducteurs constituant l'antenne peut ainsi être le suivant: - dans une première étape, des alésages taraudés sont réalisés dans une plaque en matériau adapté pour constitué des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X21 - dans une seconde étape, ladite plaque est recouverte par une couche en matériau acoustiquement transparent. A titre d'exemple, ce matériau peut être du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite.Ce revêtement est destiné à constituer l'enveloppe étanche de l'antenne au niveau de la tête de la torpille, - dans une troisième étape des sillons sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée ou rectangulaire dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde - dans une quatrième étape une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque. - dans une cinquième étape, un moteur piézo-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences V1 et V2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué, Dans le but d'obtenir un fonctionnement optimal de l'antenne selon l'invention à toutes les fréquences un procédé pour sa mise en oeuvre consiste, lorsque les transducteurs fonctionnent à une fréquence inférieure à la fréquence la plus élevée à partir de laquelle les pavillons des transducteurs ont été dimensionnés, à grouper électriquement plusieurs transducteurs de telle sorte que, pour cette fréquence, la dimension caractéristique équivalente des pavillons de ce groupement de transducteurs soit comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde correspondante. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation appliqué aux torpilles sous-marines, au regard des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre un transducteur classique ainsi qu'une l'implantation classique des transducteurs dans une antenne, - la figure 2 présente un transducteur ainsi qu'une l'implantation selon l'invention, - la figure 3 illustre différentes étapes de réalisation d'une antenne selon l'invention, - la figure 4 montre un schéma simplifié d'une tête de torpille comportant une antenne, - la figure 5 présente un schéma du mode de regroupement des transducteurs. Sur la figure la est représenté un transducteur selon l'état de la technique. II est dimensionné de façon à pouvoir fonctionner à une ou plusieurs fréquences et comporte un élément 101 de conversion d'énergie, un pavillon 102 et une contremasse 103, I'ensemble étant solidarisé par une tige de précontrainte non représentée. Sur la figure lb est représentée une l'implantation classique des transducteurs dans une antenne 100. Ils sont identiques et dimensionnés de façon à émettre à une fréquence spécifique V1, la dimension des pavillons des transducteurs étant sensiblement égale à la valeur d'une demi longueur d'onde X1 et la distance séparant deux transducteurs juxtaposés étant aussi de l'ordre d'une demi longueur d'onde. II est rappelé que la fréquence et la longueur d'onde sont reliés par la relation V1 =C/k1 où, en l'occurrence, C est la vitesse du son dans le milieu. Sur la figure 2 est montré une antenne 50 selon un mode de réalisation de l'invention. Les transducteurs 60 sont identiques et dimensionnés, de façon connue, par exemple à l'aide d'un logiciel de simulation, de façon à émettre à une première fréquence V1 ainsi qu'à une seconde fréquence V2 correspondant à une fréquence harmonique de V1. A titre d'exemple, V1 peut être choisie égale à 15 kHz et V2 correspondre à une fréquence de l'ordre de 45kHz. Ils comportent un élément 61 de conversion d'énergie, un pavillon 62 et une contremasse 63, I'ensemble étant solidarisé par une tige de précontrainte non représentée. Pour ce qui concerne l'échantillonnage surfacique, la dimension caractéristique du pavillon, c'est à dire le diamètre s'il à la forme d'un cylindre aplati ou la longueur d'un coté s'il à la forme d'un parallélépipède rectangle à base carrée, est choisie en fonction de la longueur d'onde B2 correspondant à la fréquence V2. Dans cet exemple de réalisation cette dimension est choisie égale à la moitié de cette longueur d'onde 2 On comprendra qu'un tel dimensionnement augmente, par rapport à l'état de la technique, le nombre de transducteurs, d'un facteur égal à .(^ 2)2 ou, ce qui est équivalent, à (V2/v1)2. Dans cet exemple de réalisation, ce facteur est égal à 9. Aussi, dans le but de réduire le coût de fabrication d'une telle antenne il est avantageux de fabriquer les transducteurs constitutifs de l'antenne 50 selon un procédé qui comporte les deux étapes suivantes: - dans une première étape une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons est solidarisée à un revêtement acoustiquement transparent, - dans une étape ultérieure, cette plaque est découpée, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés. Le procédé de fabrication de l'antenne peut ainsi être le suivant. Dans une première étape, des alésages taraudés sont réalisés dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde B2. Dans une seconde étape, ladite plaque est recouverte par une couche en matériau acoustiquement transparent. A titre d'exemple, ce matériau peut être du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite. Ce revêtement est destiné à constituer l'enveloppe étanche de l'antenne au niveau de la tête de la torpille. Dans une troisième étape des sillons sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2. Ces sillons sont réalisés par une opération de fraisage. Dans une quatrième étape une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque. Dans une cinquième étape, un moteur piézo-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences V1 et V2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteurs étant alors constitué. A titre d'exemple, un autre procédé de fabrication des transducteurs 60 de l'antenne 50 pourrait être, comme illustré aux figures 3a à 3d, le suivant: Dans une première étape, des alésages 64, présentant un lamage 65, sont réalisés dans une plaque 66 en matériau adapté pour constitué des pavillons, par exemple de l'aluminium, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages 64 consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2. Dans une seconde étape, une tige de précontrainte 67 présentant une tête 68 à l'une de ses extrémités est fixée, par collage dans chacun des alésages 64, la tête 65 reposant sur le lamage 65 de la plaque 66 de façon à effleurer la partie supérieure 66 de cette dernière. Dans une troisième étape, la surface supérieure 69 de la plaque 66 est recouverte par une couche 70 en matériau acoustiquement transparent, par exemple du caoutchouc déposé par vulcanisation de façon à assurer une adhérence parfaite. Dans une quatrième étape des sillons 71 sont réalisés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque, mais pas du revêtement, de manière à constituer une mosaïque de pavillons indépendants 62 de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages 64 taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde A2. Ces sillons 71 sont réalisés par une opération de fraisage. Dans une cinquième étape, un moteur piézo-électrique 61 puis une contremasse 63 présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences V1 et V2 sont fixés à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteurs étant alors constitué. La figure 4 est un schéma en coupe d'une antenne de sonar selon l'invention embarquée sur une torpille comportant une coque creuse 1. La coque de l'engin comporte, à son extrémité avant, une pièce 2 destinée à supporter l'antenne. Elle est de forme tronconique et comporte un alésage axial 3. Elle est recouverte, depuis la périphérie jusqu'à l'alésage par un matériau 7 apte à amortir les vibrations de l'engin en fonctionnement comme, par exemple, un élastomère à haut coefficient d'amortissement dont l'épaisseur est variable et telle que la section soit sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'engin. A l'avant de la pièce 2 se trouve une tête 4 qui a la forme générale d'une ogive aplatie et dont la surface externe 70 a été solidarisé à la plaque 66 destinée à constituer la mosaïque de transducteurs, par vulcanisation. La tête 4 constitue une antenne de sonar destinée à assurer des fonctions d'émission et de réception d'ondes acoustiques. Elle comporte un noyau 5 pouvant être un bloc de mousse syntactique qui a une résistance mécanique suffisante pour supporter la pression hydrostatique et qui a une impédance acoustique différente de celle de la coque et des transducteurs et une densité inférieure à 1. Ce noyau 5 comporte une face avant plane dans laquelle sont réservés des logements borgnes 6 destinés à recevoir le réseau de transducteurs du type Tonpilz dont les éléments constitutifs ont été décrits précédemment et dont les électrodes sont connectées sur un connecteur électrique 12. Les logements borgnes 6 sont reliés à une cavité axiale par des perçages dans le noyau 5 à l'intérieur desquels passent des conducteurs reliés aux électrodes et au connecteur 12 qui est fixé, par exemple à un câble multiconducteurs, aux équipements électroniques situés à l'intérieur de l'engin. La tête comporte en outre une enveloppe 7, par exemple en matériau acoustiquement transparent comme celui qui est fixé au revêtement des pavillons, La tête est ensuite fixée de manière connue, comme par exemple celle décrite dans le brevet FR2603761, à la coque par l'intermédiaire d'une pièce de centrage et de fixation 14. Un dimensionnement des pavillons des transducteurs permet un fonctionnement optimal de l'antenne à toutes les fréquences. En effet, pour obtenir un échantillonnage surfacique correct aussi bien à la fréquence V1 qu'à la fréquence V2, il suffit, pour la fréquence V1, de répartir les transducteurs en groupes 801 à 80n par exemple selon une maille carrée de telle sorte que la dimension caractéristique équivalente de chacun des groupes de transducteurs soit sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X1 et, pour chaque groupe, à combiner le fonctionnement des transducteurs qui en font partie. Pour cela, les signaux issus de chaque élément d'un groupe, par exemple de 4 ou 9 éléments, sont sommés électroniquement par un amplificateur opérationnel constituant ainsi une source unique qui est traitée par les circuits de préformation. Le nombre de transducteur par groupe est de l'ordre de grandeur du rapport 2)2 soit 9 dans ce mode de réalisation de l'invention. II est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation présenté. Ainsi, le transducteur peut être dimensionné pour fonctionner à plus de deux fréquences, la dimension des pavillons étant toujours dimensionnée par rapport à la fréquence de fonctionnement la plus élevée et le fonctionnement des transducteurs s'effectuant par groupe de transducteurs dont le nombre est fonction de la fréquence de fonctionnement. De plus, pour une question de simplicité le nombre de transducteur par groupe est choisi de façon que pour la fréquence considérée la dimension caractéristique du pavillon de ces transducteurs soit comprise environ entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde correspondante et le nombre de transducteurs par groupe soit choisi parmi les valeurs 4, 9, 16 soit n22 n étant un nombre entier. REVENDICATIONS 1 Antenne sonar comportant au moins deux transducteurs identiques et présentant au moins à deux fréquences V1 et V2 des pics de sensibilité, caractérisé en ce que la dimension caractéristique du pavillon de ces transducteurs est comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde X2 correspondant à la plus élevée des fréquences V1 et y2 2 Procédé de mise en oeuvre d'une antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, lorsque les transducteurs fonctionnent à la fréquence V1 à grouper le fonctionnement de plusieurs transducteurs de telle sorte que la dimension caractéristique équivalente des pavillons de ce groupement de transducteurs soit comprise entre 0,35 et 0,65 fois la longueur d'onde B1 correspondant à la moins élevée des fréquences V1 et V2 3 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: - à revêtir une plaque en matériau destiné à constituer les pavillons d'un revêtement en matériau acoustiquement transparent, - à découper, la plaque, mais pas le revêtement de façon à former une matrice de pavillons juxtaposés et séparés par lesdites découpes. 4 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste: - dans une première étape, à réaliser des alésages taraudés dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde - dans une seconde étape, à recouvrir la plaque par une couche en matériau acoustiquement transparent. - dans une troisième étape, à réaliser des sillons dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde - dans une quatrième étape à visser une tige de précontrainte dont au moins l'une des extrémités est filetée est vissée dans chacun des alésages taraudés de la plaque. - dans une cinquième étape, à fixer un moteur piézo-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences V1 et V2 à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué. 5 Procédé de fabrication d'une matrice de transducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste: - dans une première étape, à réaliser des alésages, présentant un lamage, dans une plaque en matériau adapté pour constituer des pavillons, selon une matrice carrée, la distance séparant deux alésages consécutifs étant sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde X2 - dans une seconde étape, à fixer par collage dans chacun des alésages, une tige de précontrainte présentant une tête à l'une de ses extrémités, la tête reposant sur le lamage de la plaque de façon à effleurer la partie supérieure de cette dernière, - dans une troisième étape,à recouvrir la surface supérieure de la plaque par une couche en matériau acoustiquement transparent. - dans une quatrième étape, à réaliser des sillons dans le sens longitudinal et dans le sens transversal de la plaque, mais pas dans le revêtement, de manière à constituer une mosaïque de pavillons de forme carrée dont les axes correspondent à ceux des alésages taraudés et dont la longueur des côtés est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde B2. - dans une cinquième étape, à fixer un moteur piézo-électrique puis une contremasse présentant un alésage axial et dimensionnés pour pouvoir fonctionner aux deux fréquences V1 et V2 à chacune des tiges de précontrainte, chaque transducteur étant alors constitué. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les découpes dans la plaque sont réalisées par fraisage.