2. Eléments d’acoustique sous marine - Flotte...

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2. 2. Eléments Eléments d’acoustique sous marine d’acoustique sous marine Nov 2010

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2. 2. ElémentsEléments d’acoustique sous marined’acoustique sous marine

Nov 2010

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)

Profils de célérité «Profils de célérité « typetype »»

Profils de célérité Profils de célérité -- exempleexemple

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

Transducteur TC2138 Transducteur TC2138 SH SH -- SVSV

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