Propagation acoustique dans les chenaux sous-marins

Aristè a réalisé dans le domaine de la propagation acoustique sous-marine de nombreuses études reposant sur les techniques de lancer de rayons ou sur la théorie modale, les milieux étant inhomogènes et les fonds marins présentant des propriétés viscoélastiques ou fluides.

Les études ont été réalisées dans les domaines fréquentiels et temporels : détermination des niveaux de pression acoustique rayonnée dans le chenal marin et estimation des signaux acoustiques réfléchis par une cible.

Ces études réalisées sur de nombreuses années ont permis à Aristè d'acquérir une bonne connaissance des avantages et inconvénients de diverses méthodes de résolution de l'équation d'onde pour divers paramètres acoustiques des sources et des environnements.

Les derniers travaux de R&D ont permis de développer STRIDENT, logiciel de propagation 3D.

Rayonnement acoustique d'une nacelle de réacteur

Les normes environnementales deviennent de plus en plus sévères et le bruit est devenu un des critères de la conception de l'avion. Les mesures sur banc d'essais étant d'un coût très élevé, les études par simulation numériques sont privilégiées. Il existe actuellement un nombre important de méthodes numériques permettant à priori de résoudre le problème posé. Dans la pratique, on constate fréquemment que celles-ci sont limitées par leur incapacité à prendre en compte les contraintes spécifiques de l'aéroacoustique, en particulier les calculs à hautes fréquences. Ces limitations proviennent soit de l'inadaptation de la théorie de résolution elle-même, soit de l'augmentation prohibitive de la taille du schéma numérique.

Le calcul par approximation asymptotique haute fréquence du rayonnement acoustique d'une nacelle de réacteur soulève les problèmes de la propagation dans un guide : caustiques de rayons pour lesquelles les théories géométriques classiques sont singulières, réflexions multiples... Pour résoudre ces problèmes, la formulation de la méthode de sommation de faisceaux gaussiens a été étendue en 3D et un lancer de rayons reposant sur la méthode des voxels a été développé. Le code s'appuie directement sur des maillages issus de CAO. Les sources excitatrices modales sont représentées par un échantillonnage en fonctions de Green sur une surface de Kirchhoff.

Le code VOXLAN permet de traiter la propagation acoustique dans un environnement aérien tridimensionnel en présence d'une structure à parois rigides ou à impédances localisées. Il a été validé en relation avec des codes basses fréquences avec un écoulement aérodynamique uniforme.

     

Vibrations et rayonnement acoustique d'une torpille en phase de lancement

Les études de discrétion acoustique des sous-marins ont permis de réduire notablement les bruits permanents tels que ceux des machines. Les bruits transitoires tels que celui causé par l'éjection d'une torpille deviennent alors prépondérants. Le modèle mis en place par Aristè représente le bruit rayonné par l'ensemble tube et torpille lors de la mise en mouvement de cette dernière. La vitesse de la torpille étant encore faible, les bruits d'écoulement sont négligés ; le modèle prend en compte l'effort de propulsion du piston d'éjection, le frottement de la torpille sur ses rails de guidage et le couplage vibratoire entre la torpille et le fluide présent dans le tube. Les vibrations de l'eau et de la torpille sont décomposées sur les modes propres des différents domaines. Le couplage des modes permet d'obtenir le champ de déplacement temporel global. Une équation intégrale temporelle est écrite à l'embouchure du tube pour exprimer le rayonnement de l'ensemble.

Réflexion et réfraction d'un faisceau acoustique étroit sur une interface sédimentaire

Les lois de la réflexion et de la réfraction établies pour une onde plane incidente deviennent relativement complexes lorsqu'il s'agit de l'émission d'un faisceau acoustique étroit.

Plusieurs phénomènes se mélangent : déplacement du faisceau à l'interface dû à l'onde latérale, combinaison des ondes volumiques et des ondes de surface.

Les ondes renvoyées par l'interface deviennent alors relativement complexes à étudier, mais elles peuvent fournir de riches informations sur les matériaux sur lesquels elles ont été réfléchies (applications au contrôle non destructif pour des interfaces fluide-solide, aux ondes sismiques…).

Refraction      Réflexion

Sensibilité d'hydrophones en polymère piézo-électrique enrobés dans une couche d'élastomère, aux vibrations de la coque d'un sous-marin

Les antennes de coque des sous-marins sont constituées d'hydrophones surfaciques en matériau piézo-électrique plongés dans une couche d'élastomère constituant la barrière de discrétion acoustique. Ces hydrophones sont sensibles aux vibrations issues des matériels situés à l'intérieur de la coque. Aristè a développé un modèle spécifique permettant d'évaluer le potentiel aux bornes des hydrophones en fonction des propriétés de l'environnement : caractéristiques de la coque (épaisseur, propriétés élastiques, présence de raidisseurs), caractéristiques de l'élastomère (propriétés viscoélastiques), propriétés de la liaison entre la coque et l'élastomère (avec ou sans glissement), caractéristiques des hydrophones (position, dimension, propriétés piézo-électriques).

Modélisation acoustique de la zone de transition laminaire-turbulente de la couche limite sur le dôme avant d'un sous-marin

Cette étude avait pour but de modéliser le bruit rayonné à l'intérieur du dôme par la couche limite développée sur le dôme sonar situé à l'avant du sous-marin lors de son déplacement rectiligne uniforme dans l'eau. Les trois régions de la couche laminaire génératrice de bruit sont la région laminaire instable, la région de transition laminaire-turbulente et la région de turbulence développée. Nous avons tenté de modéliser les aspects turbulents des deux dernières régions où les sources de bruit sont de nature statistique. En modélisant le problème par l'équation de Lighthill, les sources s'expriment en fonction des champs moyens et fluctuants des composantes de la vitesse hydrodynamique dont les intercorrélations ont été extrapolées à partir du modèle de Corcos. Le spectre d'intercorrélation de pression acoustique sur l'antenne sphérique est alors obtenu par un formalisme intégral faisant intervenir la fonction de Green vérifiant une condition de Neumann sur l'antenne.

Diffusion des corps à symétrie de révolution par la méthode des équations intégrales

La diffusion des ondes par des obstacles peut être exprimée à l'aide d'un système d'équations intégrales où les fonctions inconnues sont définies sur des surfaces. Dans le cas des corps de révolution, la décomposition des fonctions en séries de Fourier par rapport à la variable angulaire permet de ne manipuler que des fonctions d'une seule variable. Le logiciel développé utilise des méthodes efficaces pour évaluer les noyaux des opérateurs compte tenu de leurs singularités et résout les problèmes de diffusion d'une onde par une surface rigide ou de rayonnement d'une surface vibrante.