LE SONAR
LE SONAR
Proposé par Ali GADARI
Un sonar (acronyme de sound navigation and ranging) est un appareil utilisant les propriétés particulières de la propagation du son dans l'eau pour détecter et situer les objets sous l'eau. Son invention découle des travaux des français Paul Langevin et Constantin Chilowskiau cours de la Première Guerre mondiale. Il est utilisé :
- par les marines de guerre pour la détection de sous-marins (et de bâtiments de surface par les sous-marins), ainsi que des mines et objets posés sur le fond par les bâtiments de chasse aux mines, mais également pour le guidage des torpilles lors de leur trajectoire sous-marine vers leur cible.
- pour la pêche, pour la détection des bancs de poissons ;
- pour la navigation maritime et fluviale, afin de mesurer la profondeur, de même les professionnels de l'hydrographie l'utilisent pour cartographier le fond des océans et d'autres plans d'eau — on parle alors de sondeur bathymétrique — ;
- il est peut être utilisé aussi dans des capteurs de pollutions aquatiques notamment le détecteur TRUITEL vendu par Société Anonyme CIFEC, Cie Industrielle de Filtration et d'Equipement Chimique.
Les sonars peuvent être actifs (émission d'un son et écoute de son écho) ou passifs (écoute des bruits).
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| Écho de sonar | |
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Dans le domaine de la biologie, on parle aussi de sonar à propos des moyens d'écholocalisation dont disposent les cétacés et les chauves-souris, qui tous deux utilisent une protéine particulière : la prestine.
Sonars actifs
La première application militaire du sonar actif fut l'ASDIC (acronyme de Allied Submarine Detection Investigation Committee). Les premiers transducteurs à ultrasons de quartz furent mis au point en 1917 par le canadien Robert William Boyle et les tout premiers ASDIC furent montés sur quelques navires quelques mois avant la fin de ce conflit2.
Un sonar actif émet une impulsion sonore et écoute son écho sur les obstacles qu'elle rencontre. Les bases d'émission et de réception des signaux sont appelés antennes et sont formées de plusieurs hydrophones.
L'antenne est :
- soit directionnelle, et l'opérateur l'oriente mécaniquement dans une direction donnée où il émet et écoute ;
- soit fixe et omnidirectionnelle, l'émission est alors soit omnidirectionnelle soit en faisceau formé électroniquement dans une direction donnée. À la réception, la direction de l'écho est également déterminée par un processus électronique (mesure des déphasages sur chaque hydrophone).
La distance est obtenue par la mesure du temps écoulé entre l'émission et la réception de l'écho (la vitesse de propagation du son dans l'eau de mer étant égale à environ 1500 m/s).
La fréquence d'émission du sonar est choisie en fonction de son utilisation. Les hautes fréquences (plusieurs dizaines ou centaines de kHz) sont rapidement absorbées par l'eau de mer (plusieurs centaines de mètres) mais, en revanche, permettent la détection de petits objets et peuvent ainsi réaliser de véritables images. Employées à une fréquence de 14 à 22 kilohertzpour les ASDIC de la Seconde Guerre mondiale, elles sont donc, depuis, utilisées pour les sondeurs hydrographiques, les sonars de pêche, pour la recherche de mines, pour la détection de torpilles. L'impulsion peut avoir une fréquence constante, mais aussi une fréquence légèrement variable et modulée pour une détection plus fine de l'écho (Chirp). Une impulsion à fréquence fixe permet de tirer parti de l'effet Doppler (variation de la fréquence de l'écho due au déplacement de la cible) pour en déterminer sa vitesse. Une impulsion à fréquence variable ne permet pas d'utiliser l'effet Doppler, mais permet une meilleure détection (compression d'impulsion).
Plus on descend en fréquence, plus les distances de détection sont grandes, mais on perd en finesse et les antennes deviennent très grandes et très lourdes. En pratique, les sonars actifs très basse fréquence (ATBF) ne descendent guère en dessous de 3 kHz. Les portées de détection n'excèdent pas quelques dizaines de kilomètres (dans les zones de convergence).
Car l'autre difficulté rencontrée tient au fait que l'eau de mer n'est pas un milieu homogène. D'une part, la propagation est perturbée par le relief du fond, les animaux marins et le plancton. D'autre part, la célérité du son varie en fonction de la température (la bathythermie) et de la pression (et marginalement de la salinité). Ces paramètres varient avec la profondeur mais, entre 30 ou 100 mètres, se trouve généralement une limite marquée, appelée la thermocline, et qui divise l'eau chaude de la surface de l'eau froide du fond. L'onde générée par un sonar d'un côté de la thermocline est réfléchie par celle-ci. Ce phénomène n'existe pas dans les eaux côtières peu profondes, mais les échos sur le fond sont alors très gênants. Au-delà de cette thermocline, la température devient constante, mais les ondes sont soumises à l'influence de la pression qui va les « redresser » vers la surface, créant ainsi des zones de convergence (ZC). Les ondes sonores ne suivent donc pas des trajets rectilignes sur le plan vertical, (et aussi à grande distance sur le plan horizontal) et créent ainsi selon les conditions bathythermiques des « zones d'ombre » sonores, utilisées par les sous-marins et des zones de détections annulaires (les ZC) favorables à la détection. Pour cette raison, les bâtiments de lutte anti sous-marine utilisent à la fois des sonars de coque et des sonars remorqués, dont le « poisson » est immergé à quelques centaines de mètres pour « éclairer » par en dessous la thermocline. Ces bâtiments utilisent aussi des sonars passifs remorqués.
En effet, la mise en œuvre d'un sonar actif rend son porteur détectable et identifiable, puisque émettant un son très caractéristique. Il n'est pour cette raison pratiquement pas utilisé par les sous-marins, qui mettent en œuvre plusieurs types de sonars passifs.
Les hélicoptères de lutte anti-sous-marine mettent également en œuvre des sonars actifs dit « trempés » à moyenne fréquence, qu'ils treuillent et immergent en vol stationnaire.
Les plus petits sondeurs ressemblent à une lampe-torche étanche. L'utilisateur le pointe dans l'eau, presse un bouton, et peut alors y lire une distance. Le sonar de pêche en est une variante permettant de voir les bancs de poissons sur un écran. Certains sondeurs ou sonars de pêche peuvent avoir des capacités proches de celles des sonars militaires, avec des représentations tridimensionnelles de la zone située sous le bateau.
Les sonars et les animaux marins
Certains animaux marins, comme les baleines à dents et les dauphins, utilisent des systèmes d'écholocation similaires aux sonars actifs pour localiser leurs prédateurs et leurs proies. Actuellement, il existe un doute sur l'innocuité des sonars à l'égard de ces animaux. Ils sont notamment accusés de les amener à perdre leur chemin, voire de les empêcher de se nourrir ou de se reproduire. Un article récent sur le site de la BBC (voir plus bas) rapporte une étude du journal Nature sur les effets induits sur des baleines par des sonars militaires, qui provoqueraient des malaises de décompression (suivis d'un échouage).
Des sonars de haute puissance peuvent également tuer les animaux marins. Aux Bahamas, en 2000, une expérience de l'US Navy avec un émetteur à 230 dB dans la gamme de fréquence 3 000 à 7 000 hertz provoqua l'échouage de seize baleines, dont sept furent trouvées mortes. L'US Navy reconnut sa responsabilité dans cet échouage dans un rapport publié dans le Boston Globe, le 1er janvier 2002.
Sonars passifs
Le principe du sonar passif est d'écouter des sons sans en émettre. Ils sont généralement utilisés dans des applications militaires ou scientifiques.
L'écoute des sons est l'activité principale d'un sous-marin en patrouille, il écoute :
- des sons émis par les hélices des bateaux et des coques en mouvements, voire des moteurs des avions de patrouille maritime ou des hélicoptères à basse altitude ;
- des émissions de sonars ;
- ses propres bruits pour les réduire, rester discret et conserver une bonne écoute.
Ces sons sont détectés, analysés, suivis par toute une série d'hydrophones, plus ou moins spécialisés en fonction de leur fréquence de recueil, sur la coque même du sous-marin ou sur une antenne linéaire remorquée (une « flûte ») d'écoute très basse fréquence (ETBF) (quelques dizaines à quelques centaines de Hz). Ces équipements permettent de déceler une présence à des distances pouvant dépasser la centaine de kilomètres.
L'affichage de la plupart des sonars passifs se présente traditionnellement sous la forme d'une « chute d'eau » bidimensionnelle, avec en abscisse la direction (l'azimut) du son et en ordonnée le temps (ou la fréquence pour une analyse spectrale). Certains affichages utilisent des couleurs. Les plus récents emploient une représentation inspirée de celle des radars.
Le sonar passif ne mesure qu'une direction ; la distance est obtenue par le calcul et les cinématiques relatives du bruiteur et du sous-marin. Dans le cas de détection d'émissions sonar, la distance peut également être déterminée par les intervalles de temps entre les échos dus aux réflexions successives sur le fond et la surface.
Pour l'écoute, le sous-marin bénéficie d'un grand avantage par rapport à son adversaire de surface : il n'est pas perturbé par le bruit des vagues ni (à faible vitesse) par ses propres bruits, ce qui lui permet d'exploiter des propriétés propres à la propagation du son dans la mer. Aussi, l'océanographie militaire étudie les masses d'eaux, leurs températures et leur salinité, les courants et les tourbillons, dans le but de déterminer les conditions favorables à la détection sous-marine et les zones propices à la discrétion des sous-marins.
Les avions de patrouille maritime et les hélicoptères de lutte sous-marine utilisent également des sonars passifs sous forme de bouées acoustiques larguées et dont les signaux sont transmis par onde radio et reçus et analysés par l'aéronef, voire relayés vers un centre à terre.
Identifications des bruiteurs
Du personnel spécialisé est formé à l'écoute (familièrement appelé « les oreilles d'or ») ; une grande pratique et un long entraînement leur permettent de reconnaître le type de navire, voire de l'identifier individuellement, de calculer sa vitesse et déceler ses changements de route. Les sonars passifs utilisent aussi des bases de données sonores très importantes et le calculateur analyse le spectre de fréquence du bruiteur pour l'identifier. La performance de l'oreille humaine reste toutefois encore supérieure dans bien des cas à celle du calculateur, et les deux moyens sont complémentaires.
Son
Les sonars passifs sont généralement très limités du fait des bruits qui sont émis dans le bâtiment lui-même. Pour cette raison, les bâtiments de surface ne peuvent les utiliser que sous la forme d'antenne linéaire remorquée (elle est ainsi découplée de la coque).
Par conception, les sous-marins sont silencieux ; les moteurs et auxiliaires sont reliés à leur châssis (« suspendus ») par le biais de plots (généralement élastomériques), dissipant les vibrations (donc le bruit), sous forme de chaleur. Les sous-marins font l'objet d'un soin particulier pour éviter toute vibration par le choix d'équipements très silencieux intrinsèquement, par des formes hydrodynamiques soignées, évitant de générer des perturbations indiscrètes dans l'eau et par des propulseurs discrets. Les hélices font l'objet d'une conception attentive, afin de limiter les émissions de bruits, notamment ceux liés au phénomène de cavitation (formation de petites bulles sur les pales des hélices lors de leur rotation rapide par faible immersion). Un revêtement acoustique externe est souvent disposé sur la coque extérieure pour absorber les sons (on parle alors de matériau de masquage) et/ou diminuer l'écho d'une impulsion d'un sonar adverse (on parle alors de revêtement anéchoïque).
Les données élaborées à partir des sonar actifs et passifs se traduisent sur le système de combat ou de mission des plates-formes, par la création des objets tactiques suivants :
- Les pistes sous-marines
- les contacts perdus
- les datums[
- les points de référence ASW
- les points "bouées de référence"
- la position des bouées sonar, avec leur route et vitesse de dérive
- les azimuts des détections
- les zones de présence de sous-marin AMI, Zone NOTACK
Pour l'OTAN, ces données sont échangées au sein de la force navale par les liaisons de données tactiques, les liaison 11, liaison 16 et liaison
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