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sonar

(anglais sonar, abréviation de Sound Navigation and Ranging)

Fonctionnement du sonar
Fonctionnement du sonar

Appareil de détection sous-marine, utilisant les ondes sonores et permettant le repérage, la localisation et l'identification des objets immergés.

Le sonar fonctionne selon le même principe que le radar mais en utilisant des ondes ultrasonores. Les cibles peuvent être des navires de surface, des sous-marins, des épaves, des bancs de poissons ou les fonds marins eux-mêmes. L'émission du signal est effectuée par des vibreurs de types variés, pilotés par des signaux électriques périodiques. Ces vibreurs peuvent être constitués, notamment, par des quartz piézo-électriques. La réception des échos relève des techniques microphoniques classiques. Le sonar est moins performant que le radar en matière de repérage directionnel, car des échos et des bruits parasites peuvent être produits par des irrégularités du fond marin ou par des variations de la densité et de la température de l'eau..

Inventé en France à des fins militaires pendant la Première Guerre mondiale, le sonar a été perfectionné ensuite en Grande-Bretagne sous le nom d'« asdic » (pour Allied Submarine Detection Investigation Committee). Son usage s'est généralisé dans les marines militaires dans l'entre-deux-guerres et pendant la Seconde Guerre mondiale. Il ne faut pas le confondre avec les appareils de détection de la signature sonore des navires de surface ou des sous-marins, même s'il arrive dans certains systèmes de réception très modernes que les échos sonores et les bruits émis par d'autres navires soient enregistrés et traités par un dispositif commun.

Il existe des sonars passifs, capables de localiser des objets immergés seulement lorsque ceux-ci « font du bruit », et des sonars actifs, dont le principe de fonctionnement est analogue à celui du radar, avec émission d'impulsions électromagnétiques et retour de celles-ci à un hydrophone. Les signaux sont alors amplifiés et reproduits sur un écran cathodique.

Les techniques du sonar couvrent des gammes de fréquences dans la bande audible, de 20 Hz à 12 kHz, ou dans celle des ultrasons, dont la fréquence est supérieure à 20 kHz.

Principe de fonctionnement du sonar

L'histoire du sonar repose sur le développement de capteurs et de générateurs de vibrations acoustiques adaptés au milieu marin. En effet, les microphones et les haut-parleurs courants ne sont pas efficaces dans l'eau. L'exploitation de phénomènes physiques (piézoélectricité et magnétostriction) permet la traduction d'énergie acoustique en énergie électrique et vice versa.

Les hydrophones

Ces appareils sont destinés à la réception. Ils comportent un ou plusieurs cristaux, de quartz à l'origine, actuellement constitués de céramiques amorphes, polarisées par le passage d'un fort courant électrique ; un préamplificateur est très souvent incorporé à l'hydrophone. Leur sensibilité est constante sur une bande de plusieurs octaves.

Les transducteurs

Véritables haut-parleurs sous-marins, ils sont capables de recevoir et d'émettre. Constitués d'un assez grand nombre d'éléments, ils sont associés à un pavillon métallique. Ils sont beaucoup plus lourds et coûteux que les hydrophones. Leur bande est relativement étroite, de l'ordre de la demi-octave.

Les antennes

Le sonar passif capte les sons émis par l'objet à détecter ; les antennes de réception sont donc formées à partir d'hydrophones élémentaires. Pour le sonar actif, les antennes d'émission-réception sont formées à partir de transducteurs (ces antennes sont appelées bases, et leur poids comme leurs dimensions varient selon les fréquences utilisées). Ces bases, cylindriques, sont placées dans un dôme situé sous la quille du navire ou dans un bulbe d'étrave. Actuellement, les sonars sont équipés à la fois d'une antenne de transducteur pour l'émission seule et d'une antenne d'hydrophone pour la réception active ou passive.

Les développements s'effectuent selon deux axes : la fréquence du signal – il est établi que les fréquences se propagent d'autant mieux qu'elles sont plus basses – et la puissance, qui est proportionnelle à la surface d'émission. Les antennes de sonar ont des dimensions qui varient selon la fréquence utilisée : elles sont, par exemple, de 30 cm pour une fréquence de 20 kHz et de 120 cm pour une fréquence de 5 kHz.

La présence de bulles d'air dans l'eau crée un phénomène parasite de cavitation qui limite la puissance acoustique de l'antenne. Pour réduire ce phénomène, il faut augmenter la surface vibrante ou travailler dans des fréquences inférieures. C'est ainsi que la fréquence des sonars actifs est passée d'une fourchette de 20 à 30 kHz à une autre située entre 2 et 8 kHz.

Le sonar passif

Le sonar passif est limité par le niveau d'émission de la source à détecter et par le bruit ambiant, qui parasite l'antenne. On utilise le scanning, technique du lobe tournant, ainsi que la technique des voies préformées, qui permet d'appliquer des procédés de filtrage. Ces procédés jouent sur le degré de connaissance du spectre de bruit à détecter et sur celui du bruit ambiant.

Le sonar actif

Les antennes de ce sonar sont fixes. L'orientation mécanique des bases demande un temps prohibitif pour la réception d'un écho émis par une cible relativement peu éloignée. Avec l'utilisation des basses fréquences, les bases se sont alourdies. On a alors pensé à mouvoir le seul lobe de directivité, ce qui permettrait une couverture rapide, mais il s'est avéré que cette technique absorbe une grande partie de l'énergie de l'écho. On s'est alors orienté vers la technique des voies préformées : à partir des éléments d'antenne sont formés plusieurs lobes fixes, juxtaposés en rosace selon une direction donnée ; moyennant un multiplexage, l'ensemble des sorties de ces voies sera exploité simultanément.

À la fin d'une émission, le récepteur est parasité par la réverbération due aux particules en suspension dans l'eau, puis par le bruit ambiant. Si la réverbération reste proportionnelle à la puissance émise, le bruit ambiant est justiciable de l'augmentation de la puissance d'émission qui se répercute sur l'intensité de l'écho. La mise en place de divers filtres (convoluteur, corrélateur, etc.) permet d'isoler le signal principal pour un traitement cohérent.

À ces difficultés s'ajoute le problème de propagation en milieu marin. Les couches d'eau, à températures différentes, courbent les rayons sonores selon l'immersion de la source. La traduction des relevés bathythermiques en profils de célérité permet une visualisation des zones insonifiées, zones d'ombre, et des zones de concentration de l'énergie acoustique. Il est ainsi possible d'établir les trajets sonores d'une source quelconque.

Le sonar latéral

L'eau de mer est opaque aux ondes électromagnétiques, il est donc impossible d'obtenir des images optiques lorsque ces ondes doivent traverser une épaisseur d'eau de quelques mètres ; en revanche, le son se propage bien dans l'eau. En 1958, W.D. Chesterman et P.R. Clynick utilisent la réverbération des ondes sonores par les irrégularités du fond de la mer afin d'en obtenir une image. Cette technique est employée pour la cartographie et l'étude géologique des fonds marins, pour la pose de câbles, l'implantation de plates-formes de forage, etc.

Le sonar latéral est un appareil émetteur-récepteur d'ondes ultrasonores remorqué par un navire. Un pinceau sonore, étroit en gisement mais large en site, est orienté obliquement vers le fond de la mer, dans une direction perpendiculaire à celle du navire, d'où le nom de sonar latéral. Les ondes sonores qui atteignent le fond sont en partie rétrodiffusées vers le sonar. Les échos reçus s'échelonnent dans le temps en fonction de la distance parcourue par les ondes. Les cycles d'émission et de réception se répètent au fur et à mesure que le navire avance. La superposition des différentes bandes constitue une image acoustique du fond de la mer.