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Article

1 - LIMITATION DES PERFORMANCES  ET CAVITATION ACOUSTIQUE

2 - LIMITATION DE LA PORTÉE ET FURTIVITÉ DE LA CIBLE

3 - CONCLUSION

4 - SIGLES

Article de référence | Réf : RAD6715 v1

Sigles
Cavitation acoustique et furtivité en sonar actif

Auteur(s) : Denis PILLON

Date de publication : 10 juin 2021

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RÉSUMÉ

Cet article complète l'approche relative aux notions de base [RAD6714] permettant de calculer les portées des sonars actifs dans des conditions favorables. Plusieurs phénomènes d'origine physique différente peuvent entraîner une diminution des portées estimées. Deux des plus importants sont présentés : la cavitation acoustique limitant le niveau émis et l'amélioration de la furtivité des cibles sous-marines. Après avoir décrit les phénomènes physiques et les technologies en jeu, l'impact sur la portée est quantifié.

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ABSTRACT

Acoustic cavitation and stealth in active sonar

This article follows the previous [RAD6714]on the basic notions for calculating the detection ranges of active sonars under favourable conditions. Several phenomena of different physical origin can lead to a reduction in estimated performances. Two of the most important are presented : acoustic cavitation limiting the level emitted and improving the stealth of underwater targets. After describing the physical phenomena and technologies involved, their impact on detection ranges is quantified.

Auteur(s)

  • Denis PILLON : Ingénieur retraité - Conseiller de l’équipe Signaux & Système, IM2NP, Université du Sud Toulon-Var, France

INTRODUCTION

Cet article fait suite à l’article [RAD 6 714] relatif aux sonars actifs et au traitement du problème de l’estimation des portées sous des conditions « idéales ». Même si ces conditions existent, comme l’illustrent d’ailleurs les cas réels traités dans l’article susnommé, il subsiste des situations où certains phénomènes physiques peuvent conduire à une réduction substantielle des performances. Deux des plus impactants sont la cavitation acoustique, et la furtivité de la cible. L’objectif général de cet article est de permettre à l’ingénieur spécialisé ou intéressé par un secteur particulier d’acquérir une vue d’ensemble du domaine sonar et de ses contraintes.

En radar, dans un milieu infini idéal, il est possible d’accroître la portée en augmentant la puissance émise, toutes choses égales par ailleurs. Ce n’est pas le cas en sonar actif ; en cause, la limitation du niveau d’émission par la cavitation acoustique, c’est-à-dire la vaporisation de l’eau sous l’effet de la dépression due à l’onde émise. C’est l’objet du paragraphe 1 où sont tout d’abord rappelées les deux origines physiques possibles de vaporisation de l’eau : l’ébullition et la cavitation, parfois difficiles à distinguer. La dynamique de la cavitation acoustique produite lors de l’émission par un transducteur est décrite, ainsi que ses manifestations (gerbes de bulles, sonoluminescence). Ses effets peuvent être néfastes (limitation de la puissance émise, érosion des matériaux) mais aussi recherchés. Les formules analytiques permettant de calculer le seuil de cavitation, c’est-à-dire la puissance pour laquelle un transducteur donné cavitera, sont énoncées. Ce seuil dépend principalement de la pression hydrostatique (i.e. de l’immersion) et des dimensions des transducteurs. Deux procédés permettant de se prémunir de la cavitation sont analysés, ainsi que leurs conséquences sur le plan opérationnel.

Le paragraphe 2 est consacré à la furtivité acoustique, c’est-à-dire aux moyens permettant de réduire l’index de réflexion (Target Strength : TS ) des sous-marins (SM). Les limites de l’analyse sont tout d’abord établies, notamment la gamme de fréquence des menaces actives contemporaines vis-à-vis desquelles il est prioritaire – et potentiellement envisageable – d’améliorer la furtivité. Cette dernière notion est ensuite mise en parallèle avec celle de masquage correspondant à la réduction du bruit rayonné, c’est-à-dire la discrétion (lapidairement, la discrétion concerne le passif et la furtivité concerne l’actif).

Ensuite, un critère simple et dépendant de peu de paramètres est établi, il permet de quantifier l’amélioration de la furtivité d’un bateau et est basé sur la notion d’intercept (i.e. le rapport entre la portée d’un intercepteur sonar et celle d’un actif adverse).

Puis, est détaillé le procédé le plus employé pour améliorer la furtivité, il consiste à revêtir les SM d’un matériau anéchoïque. La présentation se fait selon l’ordre de leur création en commençant par le Fafnir, puis l’Alberich, tous deux exploitant la résonance de cavités cylindriques noyées à l’intérieur d’une matrice de caoutchouc. Ces deux procédés ont été employés sur les U-Boote (Underseeboote) de la seconde guerre mondiale. Sont décrits également les revêtements utilisés actuellement en mer, à savoir ceux développés par les Soviétiques (Krylov) et ceux des SM occidentaux (dits microinclusionnaires). Les multiples contraintes de mise en œuvre de ces tuiles sont ensuite listées (problèmes de compressibilité, maintient sur la coque, etc.). Leur impact est tel qu’il est très difficile de revêtir un SM existant au cours d’une refonte. Cependant, il n’y a pas que les revêtements qui permettent de diminuer le TS, il est possible aussi d’agir dès la conception sur l’architecture du bateau en jouant sur les dimensions et les formes de la coque, ce qui est par la suite analysé. Pour finir, sont abordées les perspectives concernant les revêtements anéchoïques du futur. Mentionnons la présentation au cours de ce paragraphe de certains aspects relatifs aux sonars actifs en général comme le multistatisme et divers contextes opérationnels.

Chacun des paragraphes 1 et 2 se termine par un chiffrage de la réduction de portée due à la cavitation et à la furtivité de la cible. Les sonars traités sont identiques à ceux de [RAD 6 714], les cibles ont simplement été un peu modifiées pour tenir compte d’une amélioration de leur furtivité.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles utilisés.

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KEYWORDS

signal processing   |   active sonar   |   submarine detection   |   acoustic

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-rad6715


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SESSAREGO (J.-P.) & all -   Utilisation d’une source laser pulsée à haute énergie comme source acoustique large bande en milieu liquide.  -  Traitement du signal, 33, pp. 95-111 (2016).

  • (2) - FRANC (J.P.), PELLONE (C.) -   Modélisation des écoulements supercavitants suivant le principe de LOGVINIVICH.  -  10e Journées de l’hydrodynamique, Nantes, Mars 2005.

  • (3) - BOVIS (A.) -   Hydrodynamique navale: théorie et modèles.  -  Presse de l’ENSTA (2009).

  • (4) - GUYON (E.) & all -   Ce que disent les fluides.  -  Belin (2005).

  • (5) - VERSLUIS (M.) & all -   How snapping shrimp snap: Through cavitation bubbles  -  Science. 289, pp 2114- 2117, Sept. 2000.

  • (6) - LEIGHTON (T.G.) -   The...

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