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Spécial “ Acoustique sous-marine ”
Acoustique
&
Techniques n° 48
électroacoustique sous-marine, relatives aux transducteurs
d’émission, à l’électronique de puissance associée, et
aux antennes de réception, ont mené à la réalisation de
deux démonstrateurs THR et HR dont les caractéristiques
principales et les résultats scientifiques sont présentés dans
ce document.
Le transducteur d’émission Janus-Helmholtz
Description et performances
Conçu par le département Lutte Sous-Marine de DCN Ingénierie
Sud pour ses applications en sonar actif, le transducteur
Janus-Helmholtz est composé d’un moteur piézoélectrique
de type Janus, c’est-à-dire d’un pilier de céramiques inséré
entre deux pavillons identiques (Fig. 1). Cette structure est
montée à l’intérieur d’un boîtier ou baffle cylindrique ouvert
en son milieu, créant ainsi l’évent de ce transducteur de type
bass-reflex, le découplage pavillons-boîtier étant assuré par
une fente de quelques millimètres. En basses fréquences, le
mouvement de compression-dilatation de la colonne active
autorise un bon couplage avec les pavillons rayonnants. Une
tige de précontrainte centrale assure la rigidité de l’ensemble,
et permet aux céramiques de travailler dans leur mode
favorable de compression [2].
Pour des applications en moyenne profondeur, des tubes
élastiques en Composite Verre-Résine remplis d’air sont
insérés dans la cavité du transducteur, de façon à couvrir une
bande plus basse en fréquence. L’écrasement de ces tubes
soumis à la pression hydrostatique limite malheureusement
l’immersion à quelques centaines de mètres. Pour les
applications en sismique marine par grande immersion, la
suppression de ces tubes et la mise en précontrainte par
des haubans extérieurs au pilier de céramiques permettent
de bénéficier d’un transducteur à immersion libre, c’est-à-dire
capable d’opérer quelle que soit la pression hydrostatique. La
directivité axiale qui en résulte s’explique par l’amortissement
du phénomène de résonance de Helmholtz dépendant de
l’élasticité de la cavité.
Ce transducteur présente un excellent rapport entre la
puissance acoustique générée et son encombrement. Il
est large bande passante en raison du couplage entre deux
structures résonnantes, le moteur Janus, et la cavité délimitée
par le boîtier et les pavillons [3]. Comparé aux sources
sismiques conventionnelles de type sparker ou boomer,
il présente les avantages de la grande immersion, de la
répétitivité de l’émission, et donc de la bonne connaissance
du signal émis. La différence de niveau entre les sources
sparker et piézoélectriques est compensée par l’utilisation
de modulations de fréquences longue durée associées à un
traitement cohérent.
Modélisation
ATILA (Analyse de Transducteurs par Intégration des
équations de Laplace) est un code de calcul par éléments
finis spécialement développé pour permettre la modélisation
de transducteurs rayonnant dans un fluide. Il peut être
utilisé pour une analyse statique, modale ou harmonique de
structures élastiques, piézoélectriques ou magnétostrictives
[4]. Le Janus-Helmholtz étant un transducteur à symétrie de
révolution qui, de plus, présente un plan de symétrie, il est
possible d’effectuer un calcul bidimensionnel. Le néoprène de
vulcanisation et les pertes globales insérées sous forme de
matrices complexes sont pris en compte dans le modèle.
Toutes les grandeurs électroacoustiques essentielles sont
accessibles : la sensibilité à l’émission (S
v
) (rapport entre la
pression acoustique à 1 m et la tension électrique appliquée
aux bornes du transducteur), les diagrammes de directivité,
l’impédance électrique du capteur assimilé à une résistance
et une capacité parallèles. Les iso-
valeurs de pressions acoustiques,
de déplacements, de potentiels
électriques et de contraintes sont
également disponibles. La figure 2
représente un exemple de vue
3D d’une simulation de ce type de
transducteur.
Adaptation à la sismique
marine haute et très haute
résolution
Le Janus-Helmholtz retenu pour
l’application sismique THR (JH650-
6000 ; Fig. 3) permet dans un
encombrement relativement modeste
(longueur : 612 mm ; diamètre :
456 mm) de couvrir la bande
fréquentielle [650, 2000 Hz], avec
une sensibilité axiale supérieure à
132 dB (réf. 1 µPa/V à 1 m) (Fig. 4).
Dimensions et poids du transducteur (90 kg dans l’air ;
55 kg dans l’eau) facilitent son intégration dans un poisson
remorqué.
Pour l’application sismique HR, en vue d’augmenter la
pénétration tout en conservant une résolution verticale
métrique, l’utilisation du code ATILA a permis de dimensionner
un transducteur Très Basse Fréquence (TBF) à immersion libre
présentant deux octaves de bande passante et une sensibilité
Fig. 1 : Le moteur de type Janus
Fig. 2 : Exemple de modélisation du
transducteur Janus-Helmholtz
Développements électroacoustiques en sismique marine Très Haute Résolution