2. Eléments d’acoustique sous marine - Flotte...
Transcript of 2. Eléments d’acoustique sous marine - Flotte...
Le son / propagationLe son / propagation
Le son (définition AFNOR) Le son (définition AFNOR) - sensation auditive engendrée par une onde acoustique- Par extension :
- vibration acoustique capable d’éveiller une sensation auditive- ébranlement acoustique des éléments, des particules, du milieu dans lequel il se produit
Propagation de proche en proche d’un mouvement oscillatoire local des particules du milieu (air / eau) autour de leur position de repos
pas de propagation de matièrepas de propagation de matière
c : célérité = vitesse de propagation du son (m/s)
c = f ( masse volumique, température, élasticité )
C(air) # 340 m /s
C(eau de mer) # 1500 m/s
C(béton) # 4000 m / s
C(acier) # 5000 m / s
NB : ne pas confondre célérité (vitesse de propagation de l’onde acoustique) et vitesse acoustique particulaire (vitesse de vibration des particules autour de leur position au repos)
Célérité du sonCélérité du son
D
c = D / ∆ ∆ ∆ ∆t
Célérité du son dans l’eau de merCélérité du son dans l’eau de mer
c varie en fonction de : température, salinité, pression
1450 < c < 1550 m/s
∆T = 1°C � ∆c = 3 m/s
∆S = 1o/oo � ∆c = 1 m/s
∆P = 100 m � ∆c = 1,7 m/s
-Modèles de calcul de la célérité : c = f (T,S,P)
exemple : modèle de Medwin (1975) (P < 1000 m)
C = 1449,2 + 4,6 T – 0,055 T2 + 0,00029 T3 + (1,34 – 0,01T) (S-35) + 0,016 P
-Leroy (1960), Chen and Milero (1977)
Pression acoustiquePression acoustiquepression
p
fluctuation de pression ou pression instantanée
Po
Pression atmosphérique
temps
Po = 105 Pascals (= 1 bar)
1 Pa = 1 N / m2
p = 2 Pa pour un son intense
p << Po
Un microphone (ou un hydrophone) n’est sensible qu’à la partie fluctuante
Le son pur Le son pur
Déplacement x
Temps t
Oscillations sinusoidales des particules
T : période : durée d’un cycle (s)
F : fréquence : nombre de cycles par s (Hz)
F = 1 / T
λλλλ : longueur d’onde : distance parcourue par l’onde durant une période
λλλλ = cT = c / F
20 Hz 2000 Hz200 Hz 20000 Hz
T
λλλλ
x = xo sin 2 ππππt T
A = Ao cos 2 ππππx / λλλλ
audibilité
x
A : amplitude de l’onde se propageant à la surface de l ’eau
Le son complexeLe son complexe
t
To
f
Fo = 1/To
Domaine temporel
Domaine fréquentiel
(spectre)
t
f
Son pur Son complexe
∫+∞
∞−
−= dtetsfS ftj π2)()( ∫+∞
∞−
= dfefSts ftj π2)()(
Transformée de Fourier
Transformée de Fourier inverse
Intensité / Puissance acoustique Intensité / Puissance acoustique
•• Intensité acoustique : valeur moyenne du flux d’énergie par uniIntensité acoustique : valeur moyenne du flux d’énergie par unité de surface té de surface et de tempset de temps
En champ libre : I = p2 / ρ ρ ρ ρc (W / m2)
p : pression acoustique (Pa)
ρρρρ : masse volumique (kg / m3)
c : célérité (m/s)
ρρρρc : impédance acoustique du milieu
•• Puissance acoustique rePuissance acoustique reççue par une surface S ue par une surface S : P = I S (W): P = I S (W)
15001000eau
3401,29air
c(m/s)
ρρρρ(kg/m3)
Notation logarithmique : le décibel (1)Notation logarithmique : le décibel (1)
Intensité (W/m2) : LI = 10 log I / Io
Puissance (W) : LP = 10 log P / Po
Pression (Pa) : Lp = 20 log p/po
Références (So):Intensité ou Puissance
Seuil de perception
2 10-5
Tic tac d’une montre à 1 m
Seuil de douleur
20
Burin pneumatique
PaRapport 1 million
7 10-177 10-171eau
10-1210-1220air
Po(W)
Io(W/m2)
po
( µ µ µ µPa)
L = 10 log S / So S = So 10 L/10 ( Y=log X X = 10 Y )
Notation logarithmique : le décibel (2)Notation logarithmique : le décibel (2)
Intensité (dB) Intensité (W/m2)
+ 10 dB * 10
+ 3 dB * 2
+ 1 dB * 1,26
100 + 100 = 200 100 + 100 = 103
100 + 105 = 205 100 + 105 = 106
100 + 110 = 210 100 + 110 = 110
L1+L2 (dB) = 10 log (10 L1/10 + 10 L2/10 )
Transducteurs acoustiqueTransducteurs acoustique
Transducteur :
Énergie électrique Énergie acoustique
Émission : Projecteur (~ haut parleur)
Réception : Hydrophone (~ microphone)
Un transducteur peut être utilisé en Émission/Réception
Antenne acoustique : groupement de transducteurs :
- augmentation de l’intensité acoustique
- maîtrise de la directivité (formation des voies)
Propriété qu’ont certains matériaux :
- de produire une tension électrique lorsqu’ils subissent une contrainte mécanique
- inversement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique
PiézoélectricitéPiézoélectricité
Phénomène découvert en 1880 par les frères Curie.
Il existe des cristaux naturellement piezoélectriques (quartz, pechblende, tourmaline)
- Céramiques PZT
-matériau : Titano-zirconate de Pb /Titanate de Baryum- rendus piezoélectriques par polarisation (application d’un fort champ électrique)
-Céramiques composites
- association de matériaux piezos (PZT) et inertes (résines)
- Polymères piezoélectriques
- PVDF (Polyvynilidène fluoride)- rendus piezoélectriques par polarisation et étirement- feuilles très fine (< 30 microns)
Matériaux Matériaux piezoélectriques piezoélectriques utilisés utilisés dans les transducteursdans les transducteurs
Exemple de transducteur d’émission :Exemple de transducteur d’émission :Le Le Tonpilz Tonpilz ( 2 < f < 100 kHz)( 2 < f < 100 kHz)
Pavillon : face parlante
Ordre de grandeur des déplacements : < 10 µµµµ
Electrode Céramiques piezoélectriques
ContremasseElectrode porteuse
Tige de
précontrainte
Transducteurs / caractéristiques (1)Transducteurs / caractéristiques (1)
Fréquence (Fréquence (fofo) / bande passante () / bande passante (dfdf) :) :
Facteur de qualité :Facteur de qualité : Q = fo / df 3dB
Typiquement, 3 < Q < 10
f
3dBdf
(3dB)
fo
Transducteurs / caractéristiques (2)Transducteurs / caractéristiques (2)
Sensibilité Sensibilité
- A l’émission (SV) : Pression acoustique dans l’axe ramenée à 1 mètre, lorsqu’on applique une tension de 1 V
SV = 20 log (p1V / pref) (en dB/ 1µPa /1 m / 1V)
-A la réception (SH) : Tension électrique en sortie de l’hydrophone pour une pression incidente de 1 µPa
SH = 20 log (V1µPa / Vref) (en dB/ 1V /1µPa)
Rendement électroacoustique (émission)Rendement électroacoustique (émission)
β = Pa / Pe
Pa : puissance acoustique émise
Pe : puissance électrique
-3dB
2θ3
Transducteurs / directivité (1)Transducteurs / directivité (1)Diagramme de Directivité
L’énergie est rayonnée dans un volume d’eau limité par une surface en forme de cône
2θ3 : ouverture à –3dB
Lobes secondaires
Lobe principal
Transducteurs / directivité (2)Transducteurs / directivité (2)
Fonction de directivité
D(θ,ϕ) = 10 log [ I(θ,ϕ,R) / Iaxe (R )]
Transducteurs / directivité (3)Transducteurs / directivité (3)
Un transducteur est d’autant plus directif que le rapport dimension / longueur d’onde est élevé.
Pour f donné : D ↑↑↑↑ ���� 2θ3 ↓↓↓↓
Exemple : transducteur circulaire / diamètre D : 2θ3 (deg) # 60 λ / D
0
5
10
15
20
25
30
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
diamètre du transducteur (m)
2tet
a 3
(deg
)
12 kHz 30 kHz 50 kHz 100 kHz 200 kHz
Transducteurs / directivité (4)Transducteurs / directivité (4)
Indice (ou gain) de directivité GD :
C’est le « gain spatial en énergie » obtenu par un transducteur directif (intégrale de la fonction dans l’espace de la fonction de directivité) par rapport à un transducteur non directif (omnidirectionnel – dans ce cas l’intégrale vaut 4 π) : GD = ∫∫ D(θ,ϕ) / 4 π
- en réception : diminution du bruit perçu par le récepteur du fait de la directivité du transducteur
- en émission : augmentation d’intensité acoustique dans la direction principale
Exemple :
- transducteur circulaire : GD = 20 log (ππππD / λλλλ) (D : diamètre)
- transducteur linéaire : GD = 10 log (2L / λλλλ) (L : longueur)
Transducteur / exempleTransducteur / exemple
Reson TC 2003
Fo = 200 kHz
SV = 180 dB
SH = -180 dB
2θ3 = 2°
Pel max = 1500 W
Transducteur TC2003 Transducteur TC2003 -- diagramme de directivité diagramme de directivité (à 200 kHz)(à 200 kHz)
λλλλ = c/ f = 7.5 mmD = 0.22 m
���� GD = 20 log (ππππD / λλλλ) = 39 dB
Propagation / atténuation Propagation / atténuation
– Divergence géométrique
L’intensité décroit comme l’inverse du carré de la distance
I (r) = I(0) - 20 log R
R
I(r)/I(0) = (4πR)2/(4π*1)2 = R 2
Propagation / atténuation Propagation / atténuation
– Amortissement : Absorption de l’énergie par le milieu
- α coefficient d’absorption
- α dépend de : - P, T, C- f ( f ↑↑↑↑ -> α ↑↑↑↑)
- modèles : Thorp, Leroy, François et Garisson
A(R) dB = α R
5
30
30
100
100
300
50010,10,07α (dB / km)
10001031F (kHz)
Propagation / atténuation Propagation / atténuation
Perte de transmission (PT = aR + 20 log R)
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000
Distance (m)
PT
(dB
)
10 kHz 30 kHz 100 kHz 300 kHz 1000 kHz
ααααR + 20 log R )
PT = réduction de l’intensité acoustique au cours de la propagation
RétrodiffusionRétrodiffusion
Rétrodiffusion : capacité du fond à renvoyer l’énergie sonore dans la direction du sonar
Indice de rétrodiffusion : TS = 10 log (Ir / Ii)(TS en anglais : Target strength)
TS Dépend : - de la « réflectivité » du fond (BS)
- de la surface de la zone insonifiée
TS = BS + 10 log A
Réflexion spéculaire
Rétrodiffusionoblique
IrIi
A
Réflectivité angulaire du fond BS (dB/mRéflectivité angulaire du fond BS (dB/m22))BS = f(fréquence, incidence, type de fond)
Incidencerasante
RéflexionSpéculaire
Incidence normale
θ
BS
Décroissance rapide Niveau
stable Décroissance en Loi de Lambert
Loi de Lambert : BS = Bso + 10 log (cos2θ)
Incidenceoblique
sonar
Rétrodiffusion de volume
Rétrodiffusion par le microrelief
BS
θ
Basse Fréquence
Haute fréquence
Réflectivité angulaireRéflectivité angulaire
Influence de la fréquence
Influence de la nature du fond
BS (réflectivité angulaire)
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 15 30 45 60 75 90
incidence angle (deg)
BS
(dB
/m2)
vase sable roche
BruitBruit
- Bruit ambiant : milieu extérieur trafic maritime, bruit de mer, pluie, activité biologique, bruit thermique d’agitation moléculaire …
-Bruit propre : porteur
hydrodynamique (écoulement)/ propulsion (hélice) / électrique
NIS (Niveau isotrope spectral ) : NB = NIS + 10 log B
B (largeur de bande – en Hz) - NIS en dB / µPa / Hz
NB total = 10 log (10 NB1/10 + 10 NB2/10 )
Bruit ambiant
0
10
20
30
40
50
60
70
1000 10000 100000 1000000
fréquence (Hz)
dB r
ef 1
uPa
1H
z
Bruit de mer (mer 0)
bruit de mer (mer 2)
bruit de mer (mer 4)
bruit de mer (mer 6)
bruit thermique
Bruit ambiant (bruit de mer / bruit thermique)Bruit ambiant (bruit de mer / bruit thermique)
NIS - 12 kHz
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15speed (Knot)
Noi
se le
vel (
dB)
BeautempsBeaupréL'Espérance
D'Entrecasteaux
Jean Charcot
L'Atalante
Roger Revelle
Thalassa
Mesures de bruit propre (12 kHz)Mesures de bruit propre (12 kHz)
NIS : Niveau isotrope spectral
Équation du sonarÉquation du sonarBilan énergie émise / reçue :
NE - 2PT + TS – NB + GD > S
- NE : niveau d ’émission (caractéristique du système)NE = 171 + 10 log Pe + 10 log β + GDe Pe : puissance électrique (W) - β : rendement
GDe : gain de directivité à l’émission
- PT : perte de transmission (diminution de l’intensité acoustique au cours de la propagation)PT = 20 log R + α R α : coefficient d ’absorption = f(fréquence, caractéristiques du milieu)
- TS : indice de rétrodiffusionTS = BS + 10 log Ar BS : réflectivité angulaire - Ar : surface de la zone insonifiée
- NB : niveau de bruit (bruit ambiant / bruit propre)
- GD : gain de directivité en réception (du au fait que l ’antenne effectue un filtrage spatial en réception)GD est d ’autant plus élevé que les faisceaux sont étroits
- S : seuil de détection (en dessous duquel le signal n ’est plus exploitable) - typiquement 10 dB