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WO 93/24244 PCT/FR93/00444
Antenne acoustique sous-marine
à capteur surfacique
La présente invention concerne une antenne
acoustique de réception d'ondes sous-marines à basse
fréquence.
Une telle antenne est destinée à détecter
et localiser des sources de bruit acoustique sous-mari-
nes ; pour obtenir de bonnes performances à la fois en
détection et en localisation, il est nécessaire de
travailler sur Dun spectre de basses fréquences (par
"basses fréquences" on entendra des fréquences in-
férieures à 2 kHz, typiquement inférieures à 1
kHz) et de disposer d'une antenne dont le gain est im-
portant afin d'obtenir un rapport signal/bruit satis-
faisant (dans de' nombreuses applications, un gain de
dB est nécessaire).
I5 Ces deux exigences (basses fréquences et gain
élevé) imposent; nécessairement des antennes de
dimensions importantes.
Pour cela, une première possibilité consiste
à remorquer derrière le bâtiment naval (navire ou
20 sous-marin) une flûte d'hydrophones, formant ainsi
une antenne linéaire de très grande longueur.
Un i~el type d'antenne peut être beaucoup plus
longue que le sous-marin et ainsi être très perfor-
mante en basse fréquence ; elle présente cepen-
dant de nombreux inconvénients de mise en oeuvre
(système de' treuil, etc. et augmentation de la traî-
née du sous-marin) et surtout une absence totale de
directivité dans le plan vertical en raison de la
configuration linéaire de la flûte.
Une autre possibilité consiste à placer sur
une grande parties de la longueur du sous-marin une an-
tenne formée d'un assemblage de capteurs ponctuels
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..,
2 '
hydrophones de petites dïmensions reliés entre eux de manière
appropriée). On peut ainsi disposer d'un réseau en deux dimensions, ce quï
permet d'avoir une directivité dans le plan vertical et ainsi de localiser la
s direction de la source acoustique dans ce plan.
Cette antenne en réseau d'hydrophones présente cependant un
certain nombre d'inconvénients
- en premier lieu, il est nécessaire de découpler acoustiquement
les différents capteurs ponctuels constituant l'antenne vis-à-vis des
o vibrations et résonances de la coque et des structures annexes du sous
marin (notamment les vibrations et résonances provenant de la machinerie
du sous-marin) et du bruit d'écoulement hydrodynamique de l'eau sur les
capteurs qui, en l'absence de découplage approprié, produirait une pression
acoustique perturbatrice venant masquer le signal incident, généralement de
~ 5 très faible amplitude ;
- il faut aussi prévoir une étanchéité et un passage étanche à
travers la coque pour chaque capteur ;
enfin, les structures mécanïques utïlisées pour supporter les
hydrophones résistent souvent mal aux efforts hydrodynamiques auxquels
2o elles sont soumises, outre le fait qu'elles perturbent souvent de façon
génante l'écoulement des filets d'eau le long de la coque du sous-marin
On connait aussi du brevet US n° 4,833,659 une antenne
conforme formée de capteurs plats, de grandes dimensions en polymère
piézoélectrique qui sont fixés sur la coque d'un bâtiment en étant plaqués
2s contre celle-ci.
Pour remédier à ces différents inconvénients, l'invention propose
une antenne acoustique selon la revendication 1.
L'utilisation de capteurs essentiellement surfaciques permettra, par
effet direct d'intégration, de
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masquer la majeure partie des bruits parasites ou
d'écoulement mentionés plus haut, et que l'on re
cueillait toujours plus ou moins, auparavant, avec les
antennes formées d'un assemblage de capteurs ponc
tuels.
On verra également que l'antenne de l'inven-
tion, malgrré se:s très grandes dimensions, ne per-
turbe que très faiblement l'hydrodynamisme du sous-
marin, et offre en outre une excellente résistance
l0 aux contraintes hydrodynamiques et aux chocs.
A cet ef1'et, selon l'invention, cette antenne
acoustique de rÉ~ception d'ondes sous-marines à basse
fréquence comporte au moins un capteur surfacique
formé d'un empilement de couches conductrices formant
I5 électrodes et de couches diélectriques en maté-
riau piéz~oélectrique interposées entre ces cou-
ches conductrices, ce capteur étant enfermé dans
un enroba5~e de matériau souple, l'ensemble ainsi
constitué formant un panneau plat rapporté monté
20 contre la paroi de la coque d'un bâtiment naval, no-
tamment d'un sous-marin, ce panneau présentant un
degré de liberté en flexion de manière à lui per-
mettre d'épouser la forme de cette coque.
Selon un certain nombre de caractéristiques
25 avantageuse .
- le capteur e:st fractionné en une pluralité de
capteurs élémentaires dont les électrodes respecti
ves sont électriquement reliées en parallèle, l'en
semble des capteurs élémentaires étant placé
30 dans un enrobage étanche commun.
- les couches conductrices des capteurs élémentai-
res sont formées à partir d'un feuillard unique usi-
né de manière à le diviser en plaques élémentai-
res distinctes, en laissant subsister entre plaques
35 élémentaires adjacentes au moins un pont de ma-
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D'autres caractéristiques de l'invention apparaïtront à la lecture
de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins
annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue perspective générale d'une antenne
s selon l'invention, formée d'une pluralité de panneaux détecteurs,
- les figures 2a et 2b montrent l'un des panneaux en place contre
la coque du sous-marin, avec les moyens de montage correspondants,
~EJ~
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- la figure 3 est une vue en coupe de l'un des
panneaux,
- la figure 4 est une vue en coupe du capteur
proprement dit, enfermé dans le panneau de la figure
5 3,
la figure 5 est une vue en plan de l'une des
électrodes du capteur de la figure 4,
- la figure 6 montre un détail de la figure
5, en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5, et
- la figure 7 montre le schéma de raccorde-
ment électrique du capteur de la figure 4.
- la figure 8 est une vue en plan de la con-
nexion électrique des capteurs suivant une variante.
La figure 1 représente schématiquement l'an
tenne de l'invention, référencée 1. ~ette an
tenne est formée d'une succession de panneaux 2, qui
se présentent extérieurement chacun sous la forme
d'une plaque souple, relativement mince, qui est appli
quée contre la paroi de la coque du bâtiment naval
(la coque d'un sous-marin, ou la partie immergée de
la coque d'un navire de surface) de manière à épou-
ser la forme de celle-ci.
L'antenne 1 peut être ainsi constituée de
plusieurs dizaines de panneaux 2, par exemple au nom
bre de soixante-quatre dans un exemple de réalisa
tion ; elle occupe donc une grande partie de chaque
flanc du sous-marin.
Les dimensions de chaque panneau ne sont pas
critiques ; on peut par exemple leur donner une hau
teur de l'ordre de 1 m et une largeur (dimension dans
le sens de l'écoulement) de l'ordre de 0,5 m.
En ce qui concerne l'épaisseur, on verra que
la structure interne particulière des panneaux permet,
sans difficulté, de donner à ceux-ci une épaisseur
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très faible - sans pour autant nuire aux performances
du capteur -, typiquement inférieure à 10 cm.
Sur la figure 2-a, 'on a représenté le pan
neau 2 monté sur la paroi de la coque 5 du sous
marin . le montage est réalisé au moyen de deux
rails 3 et 4 coopérant avec des pièces de maintien 5
ou brides.
Sur les côtés les panneaux sont calés au moyen
de profilés en forme de T. Comme représenté sur la fi-
Bure 2-b, les panneaux sont maintenus par serrage au
moyen des 4 brides montées sur les rails aux quatre
coins. A la partie supérieure du panneau en son milieu
se trouve le connecteur surmoulé suivi des connexions
formant un câble.
Le montage est fait en laissant subsister une
lame d'eau intercalaire 6 assurant un découplage
mécanique entre panneaux et coque.
La coque mince et chaque panneau se raccordent
de manière à apporter une perturbation hydrodynamique
minimale.
En outre, les câbles électriques des différents
panneaux 2 cheminent sous la coque mince au dessus du
rail supérieur permettant la transmission des signaux
détectés par ces panneaux 2.
Le montage des panneaux sur le flanc de la co-
que du sous-marin est aisé du fait que, malgré
leur dimension importante, leur poids est relativement
faible compte tenu du fait que, comme on le verra plus
bas, ils sont composés de matériaux à faible den-
sité et se courbent facilement pour épouser la
forme de la coque du sous-marin.
Dans le plan vertical, la dimension importante
du panneau (de l'ordre de 1 m, comme on vient de l'in-
diquer) procure un gain de directivité important
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pour les fréquences les plus élevées de la
bande.
Par ailleurs, l'intégration due à la grande
surface de captation réduit la sensibilité de la
reponse aux perturbations localisées, conduisant à
un meilleur contrôle de phase et à une meilleure for-
mation des voies.
Du point de vue de l'amélioration du rapport
signal/bruit, on peut remarquer la grande dimension de
chaque panneau devant la longueur de corrélation du
bruit d'écoulement, ce qui permet d'avoir un effet
d'intégration qui réduit la sensibilité de l'an-
tenne au bruit d'écoulement.
De la même façon, les ondes de flexion pro
I5 pagées par la coque, et dont la longueur d'onde est
plus petite que la dimension du panneau, seront inté
grées, de sorte que la sensibilité de l'antenne
à ces ondes se trouvera réduite.
Enfin, la structure compacte de l'antenne n'est
pas résonnante intrinséquement.
Les figures 3 à S montrent plus en détail la
structure du panneau 2.
Essentiellement, chacun des panneaux 2 est cons
titué (figure 3) d'un capteur surfacique proprement
dit 8 noyé dans un matériau de garnissage 9 lui
même enfermé dans une enveloppe 10, 11.
Le capteur surfacique 8, dont la structure est
représentée plus en détail figure 4, est for-
mée d'un empilement alterné de couches conductri-
ces 12 et de couches diélectriques piézoélec-
triques 13.
L'électrode centrale constituera l'un des pô-
les du capteur, tandis que les deux électrodes exté-
rieures, reliées en parallèle, constitueront l'au-
tre pôle du capteur, comme indiqué en 18. Cette
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structure permet d'obtenir un effet de blindage élec-
trique.
Les couches métalliques sont par exemple réa-
lisées en un alliage cuivre-béryllium ; l'épais-
seur des électrodes métalliques est par exemple de
l'ordre de 5/10 mm. L'effet,: ~e blocage des couches
PVDF qui en résulte permet d'éviter .sa dépolarisa-
tion aux températures élevées > 50° C.
Le matériau piézoélectrique des couches
diélectriques est avantageusement un polymère tel
qu'un polyfluorure de vinylidène (PVDF), polymère
fluoré bien connu pour ses propriétés piézoélectri
ques ; la couche de PVDF a par exemple une épaisseur
de l'ordre de 0,5 à 1,5 mm.
Le PVDF, outre ses propriétés piézoélectri-
ques, posséde en outre l'avantage d'excellentes pro-
priétés de résistance chimique et mécanique,
de faible vieillisement, etc. propres à la plupart des
thermoplastiques fluorés.
Suivant une variante le matériau piézoélectri-
que des couches. diélectriques est un copolymère
par exemple constitué à 70% de PVDF et à 30% de
PTrFe (PolyTrifluoroéthylène).
Le film de PVDF est avantageusement réalisé
selon la technique exposée dans le FR-A-2 490 877,
auquel on se réfèrera pour de plus amples détails.
Brièvement, cette technique consiste à laminer
en continu une feuille de PVDF pour l'étirer méca-
niquement tout en lui appliquant simultanément un
champ électrique élevé permettant d'orienter les
moments dipolaires des molécules et donc de polari-
ser le matériau pour lui donner ses propriétés
piézoélectriques.
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Ce film de PVDF, découpé à la dimension ap-
propriée, est collé sur les électrodes métalli-
ques de façon à former l'empilement.
Le capteur ainsi formé est ensuite placé
dans une enveloppe de caoutchouc néoprène 10, qui
constitue avantageusement un moule (fond et côtés
de l'enveloppe). Le fond de cette enveloppe est muni
de plots 14 obtenus lors de sa fabrication et sur les
quels est posé le capteur qui est ainsi positionné.
Pour le matériau de garnissage 9, on utilise
selon l'invention un polyuréthane "mou". On entend
par polyuréthane "mou" un matériau dont la dureté
est typiquement inférieure à 50 shores. Son coeffi-
cient de Poisson est proche de celui de l'eau - 0,5.
De plus son produit densité x vitesse de propagation
acoustique est sensiblement égal à celui de l'eau,
afin d'être acoustiquement neutre vis-à-vis du cap-
teur. Sa consistance est celle d'un liquide visqueux.
L'enveloppe 10 est par exemple constituée
d'une cuvette 10 permettant de constituer, comme on
vient de l'indiquer, un moule, dans lequel est moulé
le matériau 9. La cuvette est ensuite obturée au moyen
d'un polyuréthane "dur" typiquement de dureté égale
à 80 shores.
L'enveloppe extérieure 10, est, par exemple,
une enveloppe en néoprène de 30 mm d'épaisseur.
La seule limitation est que ce matériau ne
soit pas trop rigide (pour ne pas transmettre les con-
traintes appliquées à l'endroit de la liaison à la
coque du sous-marin) et qu'il soit plus élastique
que le capteur proprement dit.
En variante, on pourrait prévoir, au lieu
d'une structure composite formée par une enveloppe
extérieure enfermant un matériau de garnissage,
une structure homogène dans laquelle le capteur 8 se-
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rait noyé dans une masse homogène de matériau ap-
proprié (polyuréthane "mou") présentant les
propriétés d'étanchéité nécessaires.
L'épaisseur du garnissage du capteur 9
(c'est-à-dire de l'ensemble enveloppe d'étanchéi-
té/garnissage viscoélastique, ou de la masse homo-
gène dans laquelle sera noyée le capteur) doit
être choisie pour présenter une valeur permettant .
- du côté intérieur (côté de la coque),
IO d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la coque
pour limiter la transmission des ondes de flexion de
la coque vers le capteur.
Cette distance doit cependant rester faible de
vant le quart de la longueur d'ônde de la fréquence
IS supérieure de la bande de fréquence utilisée
si l'on veut éviter toute interférence destructive
entre le signal incident et le signal réfléchi sur
la coque.
Ainsi, pour une fréquence maximale de 2 kHz,
20 un quart de longueur d'onde correspond à 18,75 cm, de
sorte que la distance totale entre le plan mé
dian du capteur 8 et la coque c'est-à-dire la somme
de l'épaisseur du garnissage 9 sous le capteur, de
l'enveloppe 10 et de la lame d'eau 6 représentée
25 figure 2 doit rester nettement inférieure à cette
valeur ; en pratique, une distance de 5 cm apparaît
tout à fait convenable.
- du côté extérieur (côté de l'écoule
ment), d'éloigner suffisamment le capteur 8 de la
30 surface sur laquelle se produit l'écoulement c'est
à-dire de la surface extérieuredu couvercle 11 de
l'enveloppe d'étanchéité pour réduire les
bruits d'écoulement captés à un niveau acceptable
compte tenu du niveau du signal incident, et ainsi
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améliorer la pureté du signal délivré en sor-
tie des capteurs.
La figure 5 montre un mode de réalisation par
ticulièrement avantageux des électrodes métalliques
12.
Selon ce mode de réalisation, chacune des
électrodes 12 est formée d'une pluralité de pla-
ques 15 narrées reliées ensemble par des minces
ponts de matière 16. Cette structure est par exemple
réalisée, de manière classique, par estampage
d'un feuillard de métal ou encore par découpe au jet
d'eau sous pression.
Avantageusement, les ponts 16, outre le fait
qu'ils assurent la continuité électrique entre les
I5 différentes plaques 15, servent d'éléments de po
sitionnement de l'électrode 12 au fond de l'enve-
loppe 10, par leur forme en relief, illustrée figure
6, qui permettra à l'ensemble de reposer au fond de
l'enveloppe 10 sur les plots 14 avant coulage du gar-
nissage 9 en maintenant les plaques 15 à une distance
appropriée du fond de cette enveloppe.
On prévoit â l'une des extrémités de cet
ensemble de plaques 15 une sortie 17 permettant la con-
nexion électrique de l'électrode.
La longueur L des plaques est choisie .
- pour être compatible avec la largeur des
films de PVDF que l'on sait réaliser (typiquement,
des bandes continues d'une dizaine de centimètres de
largeur), et aussi
- pour préserver à l'ensemble du capteur une
certaine souplesse lui permettant d'épouser le diamè-
tre (variable) de la coque du sous-marin.
En effet, si l'électrode 12 était formée
d'une plaque unïforme, sa rigidité ferait en sorte
Qu'il serait difficile de conformer le panneau 2 au
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profil de la coque du sous-marin, tandis que la sépa-
ration en plusieurs plaques 15 permet de neutraliser
la rigidité propre du matériau métallique.
Enfin, un capteur formé d'une électrode mo
nobloc risquerait d'être sujet à une résonance pro
pre sur cette dimension maximale, qui est du même or
dre de grandeur que les 'longueurs d'onde des fré
quences captées, tandis qu'en divisant le panneau
en cellules de plus petites dimensions les résonances
j0 propres éventuelles se produiront toujours à des fré-
quences situées très au-dessus de la limite supé-
rieure de la bande de fréquences considérée.
Le schéma de connexion électrique est illus
tré figure 7, où l'on voit que les différentes pla
ques 15 sont reliées en parallèle par les charnières
16, cet ensemble étant électriquement équivalent
à une électrode unique 12. Les électrodes supé-
rieure et inférieure sont réunies ensemble par
leurs connexions 17, qui forment l'un des pôles du
capteur, tandis que la connexion 17' de l'électrode
centrale constitue la borne de polarité opposée du
capteur.
Du point de vue fonctionnel, cet ensemble cor
respond à un capteur-colonne formé d'une pluralité
de cellules élémentaires 19 ; ces différentes cellules
étant montées en parallèle de sorte que leurs signaux
électriques s'additionnent.
A titre d'exemple, le capteur 8 de chaque pan
neau est formé de 21 plaques de 105 mm de côté arran
Bées en 7 x 3 et espacées de 128 mm.
Cet exemple de réalisation n'est pas limitatif.
En effet il est connu que dans une antenne, il est
avantageux d'avoir un espacement entre "capteurs" égal
à une demi longueur d'onde à la fréquence moyenne de
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la bande de façon à ne pas être gêné par les lobes ima-
ges.
Dans l'exemple décrit~chaque capteur est consti-
tué par un panneau . ceci n'est pas obligatoire. I1 y
a séparation entre ïe panneau "physique" et le capteur
"électrique".
Ainsi en coupant les ponts 16 entre les colon-
nes et en les reliant à 3 sorties on obtient 3 cap-
teurs - colonne de 7 plaques par panneau. A l'inverse
on peut relier én parallèle des panneaux adjacents
pour former des capteurs espacés de plusieurs largeurs
de panneau.
On peut aussi constituer une antenne formée de
panneaux non adjacents avec entre panneaux actifs des
j5 panneaux de "remplissage" permettant de préserver le
profil hydrodynamique de l'antenne.
La Demanderesse a ainsi réalisé une antenne for
mée de 64 panneaux comme décrits et capables de fonc
tionner à des vitesses de porteur de plusieurs dizai
nes de Noeuds.
Suivant unewariante de réalisation, chaque car--
teur élémentaire 15 forme un capteur indépendant avec
une sortie électrique. Dans ce cas chaque capteur 15
est connecté électriquement vers le câble de sortie.
Avantageusement on réalise les connexions élec
triques au moyen d'un circuit imprimé souple et compor
tant des pistes. Une piste arrive à un capteur en col
lant au bord entre l'électrode centrale et une couche
de PVDF le circuit souple 20 comme indiqué sur la
figure 4.
Les plots 14 de positionnement sont placés sous
certains capteurs et le circuit souple se trouve aussi
noyé dans le matériau de garnissage 9.
La figure 8 représente un exemple de connexion
3~ de 6 capteurs suivant cette variante de réalisation.
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La coupe est suivant l'électrode centrale et les pis-
tes correspondent aux traits 21 sur la bande 20.
D'autres schémas de .connexion avec plusieurs
bandes de circuit imprimé souple sont possibles sans
sortir du cadre de l'invention.
