Brevet FR2779533A1 — publié le 19991210

Dispositif d'acquisition sismique à haute résolution. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'acquisition sismique pour la reconnaissance des sols marins par sismique réflexion, avec une très haute résolution et jusqu'à des profondeurs de sol pouvant atteindre la centaine de mètres. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION Actuellement, pour reconnaitre les sols marins, on dispose d'une gamme variée de sources sismiques qui, par nature, génèrent des ondes acoustiques. Chaque source est caractérisée par la bande de fréquence (que l'on appelle également spectre de fréquence) de l'émission acoustique et à chaque spectre correspond une profondeur de pénétration de l'onde dans le sol et une résolution spécifique. On utilise jusqu'à présent deux types de sources: d'une part les pénétrateurs de sédiments ou pingers qui sont des sources fonctionnant avec un transducteur et les boomers qui génèrent des ondes acoustiques par courant de Foucault dans deux plaques métalliques parallèles. La première de ces sources émet un spectre centré, à la demande, entre 2 et 5 kHz, ayant une faible pénétration (entre 0 et 10 m) mais une haute résolution, tandis que le générateur d'ondes acoustiques par courant de Foucault émet un spectre d'ondes acoustiques centré sur 700 Hz et ayant donc une pénétration plus importante (entre 0 et 70 m), mais une plus faible résolution dans la zone comprise entre 0 et 10 m. C'est pourquoi, actuellement, pour avoir une bonne connaissance des sédiments marins, il est nécessaire de mettre en oeuvre ces deux types de sources à la fois, de manière à tirer parti de leurs qualités respectives. Mais un tel ensemble est pénalisant sur le plan opérationnel du fait que l'on doit, soit remorquer les deux sources à la fois et donc procéder à l'enregistrement simultané des deux sources sur deux enregistreurs différents, ce qui entraîne des interférences gênantes sur le plan électronique, soit effectuer deux passages successifs, chacune des passes étant réalisée avec une seule des deux sources. De plus, cet ensemble n'est guère satisfaisant dès que l'on opère à des profondeurs d'eau supérieures à 200 m. RESUME DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et propose un dispositif d'acquisition sismique utilisant une unique source sismique capable de remplacer les pénétrateurs de sédiments et les boomers, c'est-à-dire une source sismique ayant une pénétration bien supérieure à celle des pénétrateurs de sédiments, alliée à une haute résolution sur toute la gamme des profondeurs dans laquelle il opère. L'invention concerne également un dispositif d'acquisition sismique qui peut être mis en oeuvre à une grande profondeur dans l'eau de mer sans que ses performances soient altérées. Elle concerne également un tel dispositif d'acquisition sismique qui a en plus, un faible encombrement, un poids modeste, une grande simplicité de mise en oeuvre et qui est particulièrement économique. Pour obtenir ces résultats, l'invention propose un dispositif d'acquisition sismique en milieu marin, qui se caractérise en ce qu'il comprend: un transducteur émetteur basse fréquence pouvant opérer à grande profondeur d'immersion et émettre sur une large bande de fréquences, un calculateur pour programmer à volonté la bande de fréquences et la forme des ondes émises par le transducteur, un amplificateur de puissance destiné à piloter le transducteur pour donner aux ondes acoustiques émises des niveaux de puissance prédéterminés, un adaptateur d'impédance placé entre le transducteur et l'amplificateur, pour permettre l'adaptation en large bande et en puissance, et un récepteur pour capter les ondes sismiques réfléchies par les couches du sous-sol marin, l'ensemble du transducteur et du récepteur étant remorqué par un navire opérateur. Le transducteur basse fréquence est avantageusement constitué par un transducteur du type Janus-Helmholtz. Ce transducteur a l'avantage de permettre d'élargir de façon importante la bande de fréquences utile. On donnera par la suite une description détaillée de ce transducteur, mais on rappellera seulement ici qu'il comporte deux moteurs électro- acoustiques, par exemple deux moteurs piézo-électriques, alignés selon un même axe, qui excitent respectivement deux pavillons ayant le même axe que les moteurs, ces pavillons excitant eux-mêmes une cavité fluide qui permet l'élargissement de la bande. Ainsi, pour la première fois, il est proposé de combiner un transducteur basse fréquence à large bande et grande profondeur d' immersion avec un calculateur, un amplificateur de puissance et un adaptateur d'impédance, en vue d'obtenir un niveau d'émission élevé sur une très large bande de fréquences qui est programmable à volonté. De plus, l'utilisation d'un tel transducteur en sismique marine est en soi une idée inventive, car jusqu'à présent on ne l'utilisait que pour des besoins militaires, par exemple pour la détection de corps immergés, tels que des sous- marins. Pour cette application, l'axe des moteurs électro- acoustiques et des pavillons est orienté horizontalement. Dans l'application à la sismique marine, il a fallu imaginer de donner audit axe d'autres orientations, par exemple la direction verticale, afin de diriger de manière optimum la puissance des ondes acoustiques. Avec la combinaison selon l'invention, on peut obtenir des émissions d'ondes acoustiques comprises entre quelques centaines de Hz à 10 000 Hz environ à des niveaux voisins de 200 dB sur une large partie de la bande de fréquences. Le dispositif d'acquisition selon l'invention a donc à lui seul de meilleures performances que le pénétrateur de sédiments et le boomer, tout en étant plus simple, plus léger et moins encombrant. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. L'invention sera décrite à présent en regard des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique en élévation du dispositif d'acquisition sismique selon l'invention, le transducteur étant représenté partiellement en coupe; La figure 2 est une vue depuis l'arrière du dispositif de la figure 1; la figure 3 illustre la directivité en site du transducteur selon l'invention; et la figure 4 est la courbe de variation du niveau d'émission en fonction de la fréquence de l'onde acoustique émise. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE. Avec référence aux figures 1 et 2, le dispositif d'acquisition sismique 10 selon l'invention comprend un transducteur émetteur d'ondes acoustiques basse fréquence 12, à large bande et grande profondeur d'immersion, un calculateur 13 destiné à programmer à volonté la bande de fréquences et la forme des ondes émises par le transducteur, un amplificateur de puissance 14 qui pilote le transducteur pour donner aux ondes émises le niveau de puissance souhaité, un adaptateur d'impédance 16 pour permettre l'adaptation en large bande et en puissance et un récepteur d'ondes acoustiques 18, connu également sous le nom de flûte sismique. Chacun de ces éléments va être décrit à présent en détail. Le transducteur 12 est du type Janus-Helmholtz. De façon connue en soi, ce transducteur comprend deux moteurs électro- acoustiques 20, 22 de forme tubulaire, logés à l'intérieur d'un boîtier cylindrique qui est constitué de deux viroles cylindriques 24, 26 reliées entre elles par deux plaques 28. Les moteurs sont alignés le long de l'axe x-x' du boîtier et ils sont disposés de part et d'autre d'une masse centrale 30. Les moteurs sont insérés à l'intérieur de manchons tubulaires étanches 32, 34 dont les extrémités s'adaptent avec étanchéité autour de deux pavillons, dont un seul, 36, est visible sur la figure 1. Les moteurs sont reliés par une tige de précontrainte 35 dont les extrémités sont fixées sur les faces externes 38 des pavillons. Lesdites faces externes se trouvent dans le plan des extrémités axiales des deux viroles 24, 26 et leur bord périphérique extrême forme avec la paroi intérieure des viroles un faible intervalle annulaire 40. Ce mode de liaison permet une liberté de mouvement des pavillons par rapport au boîtier et définit entre les pavillons et le boîtier une cavité fluide 46 partiellement fermée. Les moteurs peuvent être réalisés par deux empilements de plaquettes piézo-électriques ou par des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation. L'alimentation des moteurs est réalisée par l'intermédiaire d'un câble d'alimentation 50 relié à une boîte de jonction 52, celle-ci étant elle-même reliée à l'adaptateur d'impédance 16 par un câble 54. Le transducteur 12 est logé à l'intérieur d'un carénage 56 composé de deux coquilles creuses 58, 60 qui sont assemblées le long de leur bord périphérique. Le carénage a une forme hydrodynamique et est muni à l'arrière d'un empennage 61. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, le transducteur est positionné de manière que son axe x-x' soit orienté verticalement. Cette orientation est choisie lorsqu'on veut envoyer le maximum de puissance dans la direction verticale. La figure 3 montre la courbe de directivité en site du transducteur, représentée en coordonnées polaires. Ce système de coordonnées est gradué en angles de site (0 pour la direction verticale vers le bas) et en cercles d'équipuissance. Le transducteur est représenté schématiquement au centre du système de coordonnées avec son axe orienté verticalement. La courbe de directivité est sensiblement en forme d'ellipse, le grand axe étant vertical et le petit axe étant horizontal. On constate que les ondes acoustiques émises par le transducteur ont leur puissance maximale dans la direction verticale. On conçoit toutefois que dans certaines applications, o l'on n'a pas besoin de la puissance maximale, l'axe du transducteur pourra être orienté dans une direction autre que verticale. Sur la courbe de réponse représentée à la figure 4, on voit que l'on peut obtenir un niveau d'émission voisin de dB entre les deux fréquences de résonnance du transducteur. Le transducteur peut être piloté à des fréquences plus élevées allant jusqu'à 10 000 Hz. Le transducteur est piloté par l'amplificateur de puissance 14. Pour obtenir des niveaux d'émission de l'ordre de 200 dB, l'amplificateur doit être linéaire de classe AB ou D. La puissance délivrée est comprise entre 3 et 9 kVA. L'adaptateur d'impédance 16 est constitué d'une inductance de compensation servant à corriger l'impédance du transducteur en faisant chuter sa capacité, d'un transformateur qui adapte l'impédance corrigée du transducteur à l'impédance de sortie de l'amplificateur de puissance et d'une résistance d'étouffement qui permet de diminuer la puissance d'excitation et de lisser la réponse du transducteur. Comme le montre la figure 4, on obtient, grâce à cet adaptateur, un spectre plat entre 600 et 2 000 Hz. Ces fréquences sont les deux premières fréquences de résonnance du transducteur. Au delà de 2 000 Hz, la réponse du transducteur décroît, mais on peut corriger cela par un traitement du signal. Le dispositif 10 est remorqué, par toute profondeur d'immersion, par un navire à une vitesse normale d'exploitation comprise entre 2 et 5 noeuds. La tolérance d'assiette est de quelques degrés afin d'assurer la meilleure directivité. L'horizontalité est réglée par un volume de flottabilité 57 placé à l'arrière. Le carénage comprend une pièce d'attache 59 sur laquelle sont percés des points d'ancrage 62, pour le remorquage par un câble tracteur 64 qui est indépendant du câble d'alimentation 54. De façon connue en soi, le récepteur sismique 18 est constitué par une gaine contenant une pluralité d'hydrophones montés en série et équidistants. Le récepteur est remorqué à l'arrière du carénage, et il est connecté, à travers un passage 68, à la boîte de jonction 52 par l'intermédiaire d'un câble 69. Le récepteur sismique permet la réception des signaux en incidence subverticale. La longueur du tronçon actif du récepteur est choisie de manière à constituer un filtre spatio- temporel adapté à la gamme de fréquences. En conclusion, l'invention a permis de réaliser un dispositif d'acquisition sismique basse fréquence capable d'opérer par grande profondeur d'immersion et d'émettre un signal s'étendant sur une large bande de fréquences que l'on peut programmer à volonté par un calculateur. Ce dispositif peut balayer les fréquences comprises entre quelques centaines de Hz et 10 000 Hz environ. Le signal émis étant parfaitement connu, il permettra d'effectuer des traitements en amplitude, ce qui est actuellement impossible de faire avec les sources sismiques connues. Cette source remplace avantageusement le pénétrateur de sédiments et le boomer de la technique antérieure et permet donc de réaliser une économie substantielle. Son fonctionnement est satisfaisant à toutes les profondeurs d'immersion, y compris les plus extrêmes, jusqu'à 11 000 m. Les Demandeurs ont réalisé un dispositif d'acquisition relativement léger et peu encombrant, conçu pour séjourner dans l'eau de mer pendant une très longue période de temps. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'acquisition sismique en milieu marin, caractérisé en ce qu'il comprend: un transducteur émetteur basse fréquence (12) pouvant opérer par grande profondeur d'immersion et émettre des ondes acoustiques sur une large bande de fréquences, un calculateur (13) destiné à programmer à volonté la bande de fréquences et la forme des ondes acoustiques émises par le transducteur, un amplificateur de puissance (14) destiné à piloter le transducteur pour donner aux ondes acoustiques émises des niveaux de puissance prédéterminés, un adaptateur d'impédance (16) placé entre le transducteur (12) et l'amplificateur pour permettre l'adaptation en large bande et en puissance, et un récepteur (18) pour capter les ondes sismiques réfléchies par les couches du sous-sol marin, l'ensemble du transducteur et du récepteur étant remorqué par un navire opérateur. 2. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur (12) est constitué par un transducteur du type Janus-Helmholtz. 3. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 2, du type dans lequel le transducteur (12) comprend deux moteurs électro-acoustiques (20, 22), de forme tubulaire, disposés dans l'alignement l'un de l'autre et deux pavillons (36) emmanchés sur lesdits moteurs, caractérisé en ce que les moteurs électro-acoustiques sont alimentés par l'amplificateur de puissance (14) par l'intermédiaire de l'adaptateur d'impédance (16). 4. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe (x-x') des moteurs électro-acoustiques et des pavillons peut être orienté selon toute direction, et en particulier selon la direction verticale. 5. Dispositif d'acquisition sismique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moteurs électro-acoustiques (20, 22) et les pavillons (36) sont logés à l'intérieur d'un boîtier cylindrique (12) formé de deux viroles (24, 26) rendues solidaires par deux plaques (28) et en ce que les faces externes (38) des pavillons se trouvent dans le plan des extrémités axiales des deux viroles (24, 26) et leur bord périphérique extrême forme avec la paroi intérieure des viroles un faible intervalle annulaire (40). 6. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le transducteur (12) est logé à l'intérieur d'un carénage (56) de forme hydrodynamique qui permet au dispositif d'être remorqué dans l'eau avec une faible résistance, ledit carénage étant composé de deux coquilles creuses (58, 60) assemblées le long de leur bord périphérique. 7. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur émet un signal s'étendant sur une bande de fréquences comprise entre quelques centaines de Hz et 10 000 Hz environ. 8. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il a un niveau d'émission voisin de 200 dB entre ses deux premières fréquences de résonnance. 9. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance (14) est linéaire de classe AB ou D et délivre une puissance comprise entre 3 et 9 kVA. 10. Dispositif d'acquisition sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adaptateur d'impédance (16) est constitué d'une inductance de compensation pour corriger l'impédance du transducteur en faisant chuter sa capacité, d'un transformateur d'adaptation pour adapter l'impédance corrigée du transducteur à l'impédance de sortie de l'amplificateur de puissance et d'une résistance d'étouffement pour diminuer la puissance d'excitation et lisser la réponse du transducteur.