[0001] La présente invention se rapporte aux absorbeurs acoustiques sous-marins qui permettent
d'absorber les ondes acoustiques émises par exemple par un sonar. En plaçant ainsi
de tels absorbeurs devant un objet, un sous-marin par exemple, que l'on souhaite protéger
vis-à-vis de la détection par sonar, on supprime ainsi, ou tout au moins on atténue
fortement, les échos sonars provenant de ce sous-marin.
[0002] Il est connu du brevet EP 0 161 458 (FR 2 562 699) un absorbeur acoustique destiné
à fonctionner dans l'eau à des fréquences de l'ordre de 1 à 2 Khz. Ce dispositif comporte
essentiellement des cellules en forme de nid d'abeilles dont l'ouverture est dirigée
vers les signaux acoustiques à absorber. Ces cellules sont remplies avec un fluide
visqueux dont le déplacement dans celles-ci entraîne l'absorption des signaux acoustiques
reçus par dissipation thermique dans le liquide, lorsque les mouvements de celui-ci
correspondent à un écoulement de type Poiseuille. Il est muni d'une couche arrière
compliante (ou compressible).
[0003] Pour que le déplacement de ce liquide s'effectue bien dans un régime de type Poiseuille,
la fréquence des signaux reçus doit être inférieure à une valeur qui est inversement
proportionnelle à la section droite des conduits formant les cellules du nid d'abeilles.
Pour pouvoir absorber des signaux dont la fréquence est relativement haute, bien qu'elle
se situe toujours dans le domaine des basses fréquences sonar, il est donc nécessaire
de diminuer la section de ces conduits. Cette diminution présente en outre l'avantage
d'élargir la bande d'absorption du dispositif.
[0004] Toutefois, comme l'on est amené à obturer l'ouverture avant de ces conduits avec
une membrane élastique destinée à séparer le liquide visqueux intérieur de l'eau de
mer extérieure, on introduit de ce fait une raideur parasite qui vient diminuer l'efficacité
de l'absorption. Cet effet peut être négligé pour des sections relativement grandes,
et donc pour des fréquences absorbées relativement basses, mais cela limite beaucoup
l'intérêt du dispositif. En outre la valeur de cette raideur parasite augmente avec
la pression statique appliquée à l'absorbeur, et donc avec la profondeur d'immersion
à laquelle on utilise cet absorbeur.
[0005] Pour pouvoir donc utiliser le dispositif à des fréquences qui restent opérationnellement
intéressantes, on est alors obligé de limiter la profondeur d'immersion à laquelle
on peut utiliser l'absorbeur.
[0006] On connaît par ailleurs d'une demande de brevet français n° 89 17 311 déposée le
28 décembre 1989 par la Société THOMSON-CSF et publiée le 5 juillet 1991 sous le n°
2 656 718, un absorbeur acoustique sous-marin comportant lui aussi un liquide visqueux
dans des conduits en nid d'abeilles. Toutefois, cet absorbeur est prévu pour absorber
essentiellement les hautes fréquences, autour de 10 Khz, et pour cela il ne comporte
pas de couche arrière compressible.
[0007] On souhaite maintenant réaliser un absorbeur acoustique pouvant être immergé à des
profondeurs de l'ordre de 200 à 300 mètres, correspondant à des pressions de 20 à
30 bars, et successible d'absorber les ondes acoustiques de manière importante dans
une large bande basse fréquence, typiquement entre 0,5 Khz et 5 Khz.
[0008] Pour obtenir ces résultats, l'invention propose un absorbeur acoustique sous-marin,
du type comprenant un premier ensemble de premières cellules contiguës, un fluide
visqueux remplissant ces cellules, un matériau compliant placé à l'une des extrémités
des cellules, et une membrane élastique placée à l'autre extrémité de ces cellules,
principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un deuxième ensemble
de deuxièmes cellules contiguës, de diamètre plus grand que celui des cellules du
premier ensemble, rempli de fluide visqueux et situé entre ladite autre extrémité
des premières cellules et ladite membrane élastique.
[0009] Selon une autre caractéristique, le diamètre des premières cellules permet sous l'effet
des ondes acoustiques à absorber de faire circuler le fluide visqueux à l'intérieur
de celles-ci dans un régime de Poiseuille à haute fréquence, et le diamètre des deuxièmes
cellules permettent de soutenir la membrane élastique sans que celle-ci amène une
raideur qui perturbe le fonctionnement de l'absorbeur.
[0010] Selon une autre caractéristique, le matériau compliant constitue une couche placée
contre ladite extrémité dès cellules à l'extérieur de celle-ci.
[0011] Selon une autre caractéristique, le matériau compliant est placé à l'intérieur des
cellules.
[0012] Selon une autre caractéristique, le premier ensemble de premières cellules est divisé
en sous-ensembles disposés chacun à l'intérieur de l'une des deuxièmes cellules du
deuxième ensemble et le matériau compliant est placé à l'intérieur desdites deuxièmes
cellules en ménageant un espace libre entre les sous-ensembles et lui même.
[0013] Selon une autre caractéristique, les deuxièmes cellules du deuxième ensemble sont
fabriquées de manière distincte avec leurs sous ensembles et leurs matériaux compliants
pour être ensuite assemblés ensemble pour former le deuxième ensemble .
[0014] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans
la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures
annexées qui représentent :
- la figure 1, une vue en coupe d'un absorbeur selon l'art connu ;
- la figure 2, une courbe d'absorption de cet absorbeur;
- la figure 3, une vue en coupe d'un absorbeur selon l'invention;
- la figure 4, une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'absorbeur de la figure
3 ;
- la figure 5, une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un absorbeur selon
l'invention et ;
- la figure 6, les courbes d'absorption d'un absorbeur de type connu et d'un absorbeur
selon l'invention, permettant de comparer les performances de ces deux dispositifs.
[0015] La structure de base connue utilisée couramment est représentée en coupe sur la figure
1.
[0016] Elle comporte sur un support métallique rigide 101 une structure en forme de nid
d'abeilles comprenant un ensemble de cellules jointives 102 orientées vers la direction
d'où arrivent les ondes acoustiques à absorber. A l'intérieur chaque cellule est remplie
par un liquide visqueux 103 reposant sur un volume compressible 104 généralement composé
d'un matériau compliant tel que de la mousse plastique.
[0017] Ce matériau compliant repose lui-même sur le support 101 en assurant la liaison avec
la structure 102.
[0018] La face avant dirigée vers l'arrivée des ondes acoustiques est fermée par une membrane
souple 105 qui isole les cellules du contact de l'eau .
[0019] Les performances d'atténuation des ondes acoustiques d'un tel dispositif peuvent
se caractériser à partir du module du coefficient de réflexion R en fonction de la
fréquence.
[0020] Pour modéliser ces performances, on peut considérer que chaque cellule représente
un système masse/ressort dont la masse est constituée par celle du fluide visqueux
et le ressort par le matériau compliant et dont la réaction vis-à-vis de l'onde acoustique
est considérée comme étant une raideur pure.
[0021] Dans ces conditions, l'impédance acoustique d'une cellule isolée est donnée par :
où S est la section de la cellule
ℓ est la hauteur du fluide
M est le module en plaque du matériau compliant
e est l'épaisseur de ce matériau compliant
η est la viscosité du fluide
ρ est la masse volumique du fluide
ω est la pulsation de l'onde acoustique à absorber.
[0022] En incidence normale, le coefficient de réflexion R est donné par:
où
[0023] De manière connue, R est minimal quand il y a adaptation d'impédance, c'est à dire
quand « partie réelle (Z ) =Z
O » pour tout ω , ce qui donne :
[0024] Le coefficient R s'écrit alors :
[0025] En partant de cette formule, on peut donc définir deux fréquences caractéristiques
:
- une fréquence de coupure à - 3dB :
- une fréquence de résonance :
[0026] Dans ces formules k =
est la raideur surfacique et m = ρℓS est la masse surfacique.
[0027] Pour que l'écoulement du fluide soit de type Poiseuille, la fréquence doit être en
dessous d'une fréquence fp telle que :
[0028] Dans un exemple de réalisation selon l'art connu, les paramètres sont:
ρ = 1,1 kg/l
η = 8,3 Pa.s
ℓ = 9 cm
e = 1 cm
S = 12,6 mm2
[0029] On obtient alors la courbe d'absorption représentée sur la figure 2 et sur laquelle
on constate que les valeurs des fréquences caractéristiques sont:
fc = 265 Hz
fr = 1130 Hz
fp = 2400 Hz
[0030] Les formules précédentes, en particulier la formule 7, montrent que pour pouvoir
faire fonctionner ce dispositif à des fréquences plus hautes, il faut en particulier
augmenter la fréquence de résonance fr.
[0031] Ceci peut se faire de deux manières, soit en augmentant la raideur, soit en diminuant
la masse.
[0032] La première solution peut difficilement être appliquée, sauf dans des cas très particuliers,
puisque la fréquence de coupure basse fc à partir de laquelle apparaît le phénomène
d'anéchoïsme est proportionnelle à la raideur, alors que la fréquence de résonance
f
r est proportionnelle à la racine carrée de cette raideur. En augmentant ainsi la valeur
de la raideur, on décalerait plus vers les hautes fréquences le seuil bas de la bande
utile que son plafond haut et on diminuerait la bande passante utile.
[0033] Une telle restriction de la largeur de la bande utile serait difficilement acceptable,
sauf dans des cas très particuliers.
[0034] On est donc amené à utiliser essentiellement la deuxième solution, en réduisant la
masse du fluide mis en mouvement. Comme dans la pratique p ne peut pas être inférieur
à ρ
o, on est donc amené à agir sur les dimensions des cellules pour réduire la masse m.
[0035] Pour augmenter la fréquence limite supérieure de fonctionnement, il faut également
augmenter la fréquence fp , dont on voit sur la valeur numérique de cet exemple de
réalisation qu'elle est ici relativement basse. Pour augmenter celle-ci, on est amené
à diminuer la surface S, ce qui va dans le même sens que l'action entreprise pour
augmenter fr.
[0036] Toutefois au fur et à mesure que l'on diminue la section S, et donc la largeur des
cellules, l'action de la membrane de fermeture 105 prend une importance telle qu'on
ne peut plus la négliger.
[0037] En effet, quand la section est trop petite le mouvement de la membrane sous l'effet
des ondes acoustiques introduit une raideur parasite qui vient perturber le mouvement
du fluide visqueux et s'opposer aux effets procurés par ce mouvement. En outre cette
raideur parasite est d'autant plus grande que la pression statique, et donc l'immersion,
sont grandes. Cet effet vient diminuer encore plus l'efficacité du dispositif aux
grandes immersions.
[0038] L'expérience montre que le rayon minimal admissible pour les cellules, en deçà duquel
l'effet de la membrane de fermeture est trop important, est de l'ordre de 2 mm, ce
qui correspond à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus.
[0039] Afin de pouvoir continuer à obtenir un écoulement visqueux dissipatif dans des conduits
de faible section sans que l'effet de la membrane de fermeture ne vienne perturber
cet écoulement, l'invention propose d'utiliser une structure telle que celle représentée
sur la figure 3.
[0040] Dans cette structure, l'absorbeur, qui repose sur un support rigide 201, comprend,
comme connu dans l'art antérieur, un ensemble de cellules en nid d'abeilles 202 perpendiculaires
au support 201. Ces cellules sont remplies d'un liquide visqueux adéquat 203 et reposent
sur une couche de mousse compressible 204 située entre la structure en nid d'abeilles
et le support 201. Le fait que la mousse 204 forme une couche continue au lieu d'être
insérée dans le fond des alvéoles est une variante connue en elle-même et qui facilite
la construction du dispositif sans détériorer ses performances.
[0041] Les dimensions des cellules sont choisies pour obtenir les résultats en fréquence
voulus, par exemple en utilisant la méthode de calcul décrite plus haut.
[0042] Le fluide qui rempli les cellules, généralement une huile relativement épaisse, bien
qu'étant visqueux est suffisamment fluide pour s'écouler à l'extérieur de ces cellules
s'il n'y est pas retenu par un moyen adéquat.
[0043] Comme on ne peut pas utiliser pour le retenir une membrane élastique, ainsi qu'on
l'a montré plus haut, l'invention propose d'utiliser une deuxième structure en nid
d'abeille formée de cellules 206 nettement plus grande que les cellules 202 et qui
est superposée à la première structure.
[0044] Ces cellules sont remplies par le même fluide 203 que celui qui rempli les cellules
202 et elles sont fermées par une membrane élastique 205 située en partie frontale
et qui les isole du milieu liquide dans lequel l'absorbeur est plongé. La taille de
ces cellules 206 peut être nettement plus grande que celle des cellules 202, puisqu'elles
ne servent qu'à supporter la membrane 205 en évitant que celle-ci sous l'effet de
la pression ne viennent s'appliquer contre l'ouverture extérieure de ces cellules
202.
[0045] Dans ces conditions, la raideur apportée par la membrane 205 peut être négligée.
Les ondes acoustiques traversent alors celle-ci et mettent en mouvement le liquide
dans les cellules 206 en produisant une certaine absorption de ces ondes pour des
fréquences très basses. Le mouvement du liquide à l'intérieur des cellules 206 est
alors communiqué au liquide à l'intérieur des cellules 202 et l'essentiel de l'absorption
souhaitée se produit à l'intérieur de ces mêmes cellules.
[0046] On obtient donc l'effet d'amortissement voulu, tout en gardant l'isolement entre
le fluide visqueux amortisseur et le milieu extérieur et sans que la membrane d'isolement
utilisée à cet effet n'intervienne de manière parasite.
[0047] Selon une première variante de réalisation, représenté en figure 4, on remplace la
couche de mousse 204 par des volumes compressibles 214 placés au fond de chacune des
cellules 202.
[0048] Dans un autre mode de réalisation, représenté en figure 5, on utilise une structure
de base en nid d'abeilles formée de cellules 506 à grande section qui reposent directement
sur le support rigide 501 et sont fermées par une membrane 505. La structure absorbante
proprement dite est une structure en nid d'abeilles formée de sous-ensembles de cellules
502 de petite section qui sont insérés à l'intérieur des cellules 506. Une couche
de mousse compressible 504 est placée au fond des cellules 506, en laissant un espace
vide entre les cellules 502 et elle-même.
[0049] Les cellules 502, et les espaces vides dans les cellules 506 en avant et en arrière
de celles-ci, sont remplies d'un liquide visqueux 503.
[0050] Le fonctionnement du dispositif selon cette variante est tout à fait semblable à
celui des modes de réalisation décrits précédemment. Cette structure présente l'avantage
d'être très modulaire. On peut ainsi fabriquer séparément des cellules absorbantes
506 complètes et les assembler ensuite pour obtenir à la demande des dispositifs amortisseurs
de tailles et de formes diverses.
[0051] Pour pouvoir comparer les performances d'un dispositif classique et d'un dispositif
selon l'invention, on utilisera les paramètres définis sur la figure 1 et sur la figure
5, dans lesquels S
1 est la surface de la section droite d'une cellule classique, ℓ
f sa longueur, et e
m1 l'épaisseur de la couche compressible.
[0052] Pour le dispositif selon l'invention, S2 est la surface de la section droite de la
grande cellule, ℓ
1 son épaisseur, Sc la surface de la section droite des petites cellules, ℓ
2 sa longueur, ℓ
3 la distance entre la base des petites cellules et la face avant de la couche de mousse,
et e
m2 l'épaisseur de la couche 12.
[0053] Pour que la comparaison soit bien représentative, on considère que les caractéristiques
intrinsèques du fluide de remplissage (η,ρ) et de la mousse de fond de cellule (M)
sont identiques dans les deux configurations. De même on imposera que la compressibilité
statique du revêtement corresponde dans chacun des cas envisagés à un volume déplacé
de 1 litre par mètre carré de revêtement sous 50 bars. Cette dernière condition implique
que
[0054] On définira alors les paramètres suivants :
[0055] Dans la structure selon l'invention, on supposera que S
2 est suffisamment grande pour que la dissipation visqueuse de type Poiseuill se fasse
uniquement dans le réseau de petites cellules 502. Dans cette structure, la condition
d'adaptation apériodique s'écrit alors :
[0056] n
c est le nombre de cellules 502 qui est inférieur à β à cause du taux de remplissage.
[0057] Or, dans la structure connue, la relation d'adaptation apériodique est donnée par
:
[0058] Donc on obtient la relation suivante liant ℓ
1 et ℓ
f:
[0059] D'autre part, dans la structure selon l'invention ℓ
1 doit être dimensionnée de façon à permettre la déformation statique de la membrane
de fermeture lors de la mise en pression du revêtement.
[0060] Les compressibilités statiques k des deux revêtements étant identiques, les fréquences
f
c sont égales selon (5).
[0061] Le rapport entre les fréquences de résonance f
r selon (6) est égal à :
[0062] Le rapport entre les fréquences f
p selon (7) est égal à :
[0063] Dans un exemple de réalisation de l'invention, les paramètres sont :
ρ = 1100 kg/m3
η = 8,3 Pa.s
α = 20
β = 200
ηc = 160
ℓ1 = 2 mm
ℓ2 = 7,2 mm
ℓ3 = 1 mm
[0064] Les performances respectives des deux exemples de réalisation sont résumées dans
le tableau ci-dessous :
|
Structure connue |
Invention |
épaisseur (mm) |
100 |
20,2 |
compressibilité statique sous 50 bars (l/m2) |
1 |
1 |
fc (Hz) |
265 |
265 |
fr (Hz) |
1.130 |
5.560 |
fp (Hz) |
2.400 |
24.000 |
rayon des cellules en face avant (mm) |
2 |
9 |
[0065] On a représenté sur la figure 6 les courbes d'absorption en fonction de la fréquence,
d'une part de l'exemple de la réalisation selon l'art connu décrite plus haut, qui
est identique à celle de la figure 2, et d'autre part de l'exemple de réalisation
de l'invention, afin de comparer les résultats de ces deux exemples de réalisation.
[0066] Ce tableau et ces courbes montrent que, pour une compressibilité statique identique
et une densité qui est semblable, le revêtement selon l'invention présente les avantages
suivants par rapport à un revêtement connu dans l'art :
- une épaisseur près de 5 fois plus faible car ℓf = 90 mm et ℓ2 = 7,2 mm selon (13);
- un rayon des cellules en face avant 4,5 fois supérieure, ce qui permet une mise en
place très facile de la membrane de fermeture et un très bon fonctionnement de celle-ci;
- une bande utile d'anéchoïsme (R inférieur à - 10 dB) s'étendant de puissance Hz à
plus de 10 KHz au lieu de 800 Hz à 2150 Hz ;
- une fréquence de résonance nettement repoussée en haute fréquence ;
- un fonctionnement en mode dissipatif en mode de type Poiseuille jusqu'à 24 KHz au
lieu de 2,4 KHz ;
- une protection importante de la membrane de fermeture vis à vis des suppressions statiques
ou transitoires (chocs, explosions) parce qu'on peut dimensionner le dispositif de
telle manière que sous une telle surpression la membrane vienne s'appuyer sur la face
avant de la structure 502 en nid d'abeilles de faible diamètre, qui est alors à même
de soutenir cette membrane à la manière d'une grille de protection.
[0067] En outre la grande dimension des alvéoles en face avant permet de fixer la membrane
sur celle-ci, par collage par exemple, de manière plus facile et plus fiable. En outre
le fléchissement de cette membrane sous l'effet de la pression statique se fait sur
une plus grande longueur, et il n'est donc pas critique.
[0068] On peut utiliser pour réaliser le matériau de fond de cellule, soit une mousse structurale
de type polyuréthanne par exemple, soit un matériau composite constitué par exemple
d'une dispersion d'inclusions de bulles d'air dans une matrice élastomère, de type
polyuréthanne microinclusionnaire par exemple.
[0069] Le fluide visqueux quant à lui doit répondre aux caractéristiques suivantes :
- présenter une viscosité dynamique voisine de 1 Pa.s à 1kHz sous 12°C .
- assurer la discrétion du navire ou de l'engin porteur du dispositif anachronisme en
cas d'avarie sur le revêtement, en ne révélant pas sa présence dans l'eau aux observateurs
extérieurs, ce qui peut s'obtenir en utilisant soit un liquide de densité supérieur
à 1, soit un liquide miscible avec l'eau ;
- présenter une dépendance de la viscosité dynamique vis à vis de la température et
de la fréquence la plus faible possible.
[0070] On utilisera par exemple pour répondre à ces critères de préférence une huile synthétique
polyalkylène-glycol.
[0071] Si l'on accepte d'utiliser un liquide de densité inférieure à l'unité , on pourra
alors utiliser une huile de type silicone dont la stabilité de la viscosité vis à
vis de la température et de la fréquence est particulièrement intéressante.
[0072] On peut enfin noter que l'absorbeur acoustique selon l'invention peut fonctionner
aussi en barrière acoustique, c'est à dire en atténuant les bruits provenant depuis
le véhicule porteur du côté support rigide.
[0073] En conclusion l'absorbeur selon l'invention présente des améliorations particulièrement
importantes et intéressantes par rapport à un absorbeur connu, en ce qui concerne
les performances anéchoïques et également le comportement sous pression et les facilités
de fabrication.
1. Unterwasser-Schalldämpfer des Typs, der eine erste Gruppe aus aneinandergrenzenden
ersten Zellen (202), eine viskose Flüssigkeit (203), mit denen diese Zellen befüllt
sind, ein elastisches Material (204), das an einem der Enden der Zellen angeordnet
ist, und eine elastische Membran (205), die am anderen Ende dieser Zellen angeordnet
ist, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem wenigstens eine zweite Gruppe zweiter aneinandergrenzender Zellen (206)
mit einem Durchmesser, der größer als jener der Zellen der ersten Gruppe ist, umfaßt,
die mit viskosem Fluid gefüllt ist und sich zwischen dem anderen Ende der ersten Zellen
und der elastischen Membran befindet.
2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der ersten Zellen (202) ermöglicht, unter der Wirkung der zu dämpfenden
Schallwellen das viskose Fluid (203) in diesen in einem Hochfrequenz-Poiseuille-Bereich
zirkulieren zu lassen, und daß der Durchmesser der zweiten Zellen (206) ermöglicht,
die elastische Membran (205) zu unterstützen, ohne daß dies zu einer Steifigkeit führt,
die die Funktion des Dämpfers stört.
3. Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Material (204) eine Schicht bildet, die an dem Ende der Zellen außerhalb
desselben angeordnet ist.
4. Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Material (214) in den Zellen angeordnet ist.
5. Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe erster Zellen in Untergruppeen (502) unterteilt ist, die jeweils
in einer der zweiten Zellen der zweiten Gruppe angeordnet sind, und daß das nachgiebige
Material (504) in den zweiten Zellen angeordnet ist, wobei zwischen den Untergruppen
und ihm selbst ein Freiraum (503) vorhanden ist.
6. Dämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zellen der zweiten Gruppe mit ihren Untergruppen und nachgiebigen Materialien
(504) in unterschiedlicher Weise gefertigt sind, um anschließend zusammengefügt zu
werden, um die zweite Gruppe zu bilden.