Modelling and optimization of under-sea acoustic antennas

• Auteur / Autrice : Hind Mestouri
• Direction : Gilles Keryer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique sous-marine

Sonar

Mots clés libres

Acoustique sous-marine

Modélisation transducteur

Antennes sonar

Méthode d’éléments finis

Bruit acoustique sous-marin

Diaphonie

Dôme sonar

Résumé

En raison d’un intérêt croissant pour l’investigation en milieu sous-marin, en particulier en eau peu profonde, nous assistons à un développement des études sur le sonar actif, dont l’amélioration des performances passe par des modélisations de toute la chaîne d’acquisition et de traitement des données. En particulier, des études sont nécessaires sur les transducteurs acoustiques. Dans le cadre de celles-ci, des modélisations des antennes acoustiques (Sonars), ainsi que de leurs couplages avec leur environnement complexe sont incontournables. Le transducteur élémentaire est l’élément de base d’un sonar, et le regroupement de plusieurs transducteurs élémentaires sous forme d’une antenne a pour but l’obtention de forte puissance ou l’émission dans une direction privilégiée. Cette association, n’est pas exempte d’un certain nombre de problèmes, dont il faut évaluer l’importance. La thèse a pour but la modélisation numérique du fonctionnement de ces antennes rayonnanted dans l’eau, en mettant en évidence les problèmes dus à la conception de l’antenne elle-même et à son environnement et d’apporter un certain nombre de solutions à ces derniers. Dans un premier temps, des généralités et des notions sur l’acoustique sous-marine sont abordés, ainsi que le principe de fonctionnement des sonars. Le premier travail a consisté à modéliser une antenne, composée de six capteurs piézoélectriques et de fréquence de résonance de 300 kHz, à l’aide d’abord d’une méthode analytique. Mais devant son inaptitude à décrire des situations complexes, nous avons du recourir à des méthodes numériques pour la modélisation du fonctionnement de cette antenne (méthode des éléments finis et code ATILA) afin de mettre en évidence les performances de celle-ci. Ceci constitue la partie originale du travail. Les résultats obtenus ont révélé une dégradation des performances de l’antenne lors du regroupement des transducteurs dans une structure complexe. Le principal responsable de cette dégradation est le phénomène de diaphonie qui fait l’objet d’une grosse part de la thèse. Cette étude a permis de faire une synthèse des causes, des effets et grâce à un certain nombre de simulations, de proposer quelques solutions pour pallier ce problème. Tout naturellement, ces études nous ont conduit à envisager l’influence du rôle de l’environnement de l’antenne sur ses performances. Ceci constitue le deuxième point fort de la thèse. Pour cela, différentes sources de bruits sous-marins, ainsi que l’influence du dôme sonar ont été pris en considération; Leurs effets sur les performances de l’antenne ont été analysés et des pistes de solution pour atténuer ces effets ont été ébauchées. En conclusion, nous avons proposé une modélisation des différents éléments d’une antenne sonar permettant d’évaluer et optimiser ses performances et ainsi de minimiser les effets liés à leur conception et à leur environnement.

Because of a growing interest for the investigation in underwater medium, in particular in shallow water, we attend a development of the studies on the active sonar, whose performance improvements results from modelling of all the acquisition and data processing chain. In particular, studies on acoustic transducers are necessary. Within this aim, modelling of the acoustic antennas (Sonar), as well as their couplings with their complex environment are impossible to circumvent. The elementary transducer is the basic element of a sonar antenna, and so, the reason why we group several elementary transducers to form the antenna is to obtain stronger emission power in a specific direction. This association is not free from certain problems, the importance of which have to be evaluated. The PhD work’s purpose is, to digitally simulate the antenna radiation in water, by highlighting problems coming from both the antenna design itself and to its environment. Thus, it is possible to bring solutions to these problems. In a first step, the general information and concepts of underwater acoustics are presented, as well as the principle of how sonar works. The first work consists in modelling an antenna. This antenna is composed of six piezoelectric sensors whose resonance frequency is 300 kHz. In this simple case, analytical methods are available, but for more complex situations, we have to resort to digital methods for modelling these antennas (like Finite Element Methods and ATILA codes) in order to calculate its performances. This constitutes the original part of the work. The results obtained showed a deterioration of the performances of the antenna because of the grouping of the transducers in a complex structure. The cause of this degradation is the cross talk phenomenon which is the subject of a large part of the thesis. This study allowed us to make a synthesis of the causes and effects, and thanks to a certain number of simulations, we are able to propose some solutions to mitigate these problems. Quite naturally, these studies led us to consider the role of the antenna environment on its performances. This constitutes the second main feature of the thesis. For that, various sources of underwater noises, as well as the influence of the sonars dome were taken into account. Their effects on the performances of the antenna were analyzed and some solutions to mitigate these effects were outlined. In conclusion, we proposed a modelling of the various elements of a sonar antenna allowing us to evaluate and optimise its performances and thus to minimize the effects related to their design and their environment.