ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA RÉTRO-DIFFUSION D'UN SIGNAL ACOUSTIQUE PAR LA SURFACE DE LA MER

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Submitted on 1 Jan 1990

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ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA

RÉTRO-DIFFUSION D’UN SIGNAL ACOUSTIQUE PAR LA SURFACE DE LA MER

M. Gensane

To cite this version:

M. Gensane. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA RÉTRO-DIFFUSION D’UN SIGNAL ACOUS-

TIQUE PAR LA SURFACE DE LA MER. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-

1037-C2-1040. �10.1051/jphyscol:19902243�. �jpa-00230572�

1er Congrès Français d'Acoustique 1990

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA RÉTRO-DIFFUSION D'UN SIGNAL ACOUSTIQUE PAR LA SURFACE DE LA MER

M. GENSANE

THOMSON-SINTRA ASM, 1, Avenue Aristide Brland, F-94117 Arcueil Cedex, France

Résumé - On analyse la rétrodiffusion, par la surface de la mer, d'impulsions de fréquences 10 à 40 kHz. On montre qu'aux rasances petites, celle-ci est due à des nuages de bulles engendrés par la houle, beaucoup plus qu'aux ondulations de la surface elle-même. Les propriétés statistiques du signal réverbéré sont mises en évidence sur quelques exemples.

1 - INTRODUCTION

La diffusion d'un signal acoustique sous-marin par la surface de la mer a fait l'objet de mesures d'index de réverbération, d'études statistiques ; puis de nombreuses études théoriques où, après s'être surtout appesanti sur la diffusion par les irrégularités de la surface elle-même, on a de plus en plus pris en compte la diffusion par la couche de bulles sub-surfacique engendrée par la houle [1] : celle-ci devrait intervenir de façon sensible aux fréquences supérieures à environ 10 kHz.

Les mesures dont nous présentons ici les résultats ont la particularité d'avoir été effectuées à l'aide d'une antenne émettrice de très forte directivité, avec de petites portées ; le lobe présente donc une section perpendiculaire de quelques mètres carrés seulement, et permet une analyse relativement fine des phénomènes. Cela nous permet d'observer de manière précise la part de la diffusion due aux bulles.

2 - MESURES

Les mesures ont été faites à l'aide du Réverbéromètre ; il s'agit d'un sonar à antenne paramétrique de fréquence primaire centrée sur 210 kHz, de fréquences secondaires 8 à 40 kHz, de directivité environ 2,5° à toutes fréquences [2]. Aux portées de mesure, le champ BF est considéré comme complètement formé. Le Réverbéromètre fonctionne en mode monostatique. On s'intéresse ici aux fréquences 10 à 40 kHz. L'examen de la structure fine des signaux réverbérés est possible grâce à l'émission de signaux modulés linéairement en fréquence (FM : 10-25 et 25-40 kHz), après traitement cohérent.

Conditions expérimentales

Le Réverbéromètre a été posé sur le fond de la mer à deux endroits : station 1 (hauteur d'eau moyenne : 22 m au-dessus de la base d'émission ; vent 20 à 25 noeuds ; mer agitée mais peu de houle longue) et station 2 (hauteur d'eau 9 m ; vent 10 à 16 noeuds ; mer agitée sans différence sensible par rapport à la première station, houle longue inexistante).

A chacune des deux stations, on a fait varier les angles d'émission en site et en gisement ; site : 12 à 90°

pour la station 1, 5 à 42° pour la station 2 ; gisement : différentes valeurs entre 0 et 360°. Pour chaque position (station, site, gisement), plusieurs dizaines de cycles d'impulsions ont été émises ; chaque cycle comportait 10 à 14 impulsions de fréquences et de durées différentes ; la récurrence entre cycles était de 5 à 8 secondes.

3 - RESULTATS

3.1 - INDEX DE REVERBERATION MOYEN

Pour chaque signal émis (indice i), on évalue l'intensité acoustique rétro-diffusée reçue moyenne Ii, puis la moyenne d'ensemble Im des Ii, qui donne le niveau acoustique rétro-diffusé moyen N^a = 101og(I^m)(dB).

(Note) Cette étude a été financée par la Direction des Recherches et Etudes Techniques, contrat n° 85/531.

Abstract - The sea-surface backscattering of 10 to 40 kHz pulses is analysed. It is shown that, for little grazing angles, the backscattered signals are due to the presence of wind-induced bubble clouds, much more than to the surface roughness itself. Some statistical properties of these signals are pointed out on a few examples.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902243

C2-IO38 COLLOQUE DE PHYSIQUE

L'index a e réverbération de surface moyen est alors calculé par l a formule classique : RS = Na

-

So

-

10 log (S)

+

40 log (r)

+

^{2 a r}

où So est le niveau d'émission ramené à 1 m, S la surface insonifiée, r la portée, a l'atténuation.

L'index de réverbération est représenté figure 1. On n'a pas observé de variation sensible avec la fréquence (de 10 à 40 kHz), ni la durée d'impulsion (de 0,25 à 2 ms), ni l'azimut. Une différence de 5 dB environ existe entre les index des deux stations. Cela pourrait traduire l'effet de la différence des vitesses du vent, mais nous envisageons ci-dessous une autre explication possible.

L'index décroît très vite dès que le site s'éloigne de la verticale (fréquences 15 à 40 kHz). Il présente u n minimum v e r s 35" : phénomène curieux, qui ne semble pas avoir été observé jusqu'à présent dans la littérature. Par ailleurs, les valeurs des index sont peu différentes (un peu inférieures) de celles mentionnées dans la littérature pour les fréquences et vitesses de vent concernées.

3.2

-

EXAMEN DE LA STRUCTURE DE QUELQUES SIGNAUX

Aux angles de rasance inférieurs à 40°, les enveloppes temporelles de signaux réverbérés présentent souvent une structure remarquable, sous forme de "bouffées". L'exemple figure 2 montre des signaux réverbérés, a u site 12", station 1, pour différents gisements :

- gisement O" (émission dirigée pratiquement "sous le vent") : les bouffées sont en rapprochement,

-

gisement 50" (émission proche de la perpendiculaire a u vent) : les bouffées sont relativement stables dans le temps,

-

gisement 130" (émission presque "au vent") : les bouffées sont en éloignement.

Ces bouffées sont ici espacées de 10 ms en moyenne, soit 7,5 m. Elles se déplacent d'environ 10 ms en 13 récurrences, soit à une vitesse de 0 , l m/s.

Une analyse statistique a été effectuée sur deux séries de signaux, station 2, FM 25-40 kHz, site 5" : la première série (gisement O" ; 27 récurrences) ne présente pas de bouffées bien distinctes, la seconde (gisement 70" ; 23 récurrences) présente au contraire des bouffées bien séparées, analogues à celles de la figure 2. Nous reportons dans le tableau ci-après les principaux résultats des tests d'ajustements effectués sur les histogrammes de ces signaux (cf. [2]) :

-

tests d'ajustement de loi normale, avant détection-intégration,

-

tests d'ajustement de diverses lois (exponentielle, Weibull, ~ 2 , log-normale, Rice) après détection quadratique

-

intégration.

-

tests de stationnarité.

Les tests de stationnarité sont effectués sur les variances de chaque récurrence ; les tests d'ajustements sur les histogrammes de séquences constituées de n récurrences mises bout à bout (ci-dessous, n = 2 ; les séquences contiennent donc plus de mille échantillons indépendants) ; chaque récurrence a été au préalable normalisée. Les statistiques sont ensuite moyennées sur toute la série. Dans le tableau ci-après, il s'agit des statistiques de Kolmogorov.

Le premier test indique qu'en toute rigueur, les récurrences successives ne peuvent pas être considérées comme des tirages d'une même variable aléatoire stationnaire.

A fortiori, on ne peut guère s'attendre à ce que le signal suive une loi normale, même après normalisation. La série 1 est toutefofs plus "normale" que la série 2.

Série 2 Statistique P r o b a

1,63 0,Ol

2,05 0,o

4,74 0,o

4,33 0,o

3,88 0,o

0,95 0,33

4,74 0 8

0,88

f

0,04 Test

Stationnarité Ajust. loi normale

Loi exponentielle Loi de Weibull Loi du chiS Loi log-normale Loi de Rice

Paramètre de la loi log-normale

Série 1 Statistique P r o b a

1,92 0,o

1,41 0,04

2,76 0,o

2,37 0,o

3,14 0,o

1,42 0,04

2,73 0,o

0,96

f

0,04

acceptable pour l a série 2 (cf. figure 3 : série 1).

Il apparaît donc que les signaux "à bouffées" sont moins "normaux" et plus "log-normaux" que les signaux sans bouffées. La différence entre les deux séries se manifeste aussi nettement sur les paramètres des lois ajustées : le paramètre de la loi log-normale peut donc être considéré comme une caractéristique de l'orientation en gisement.

4

-

INTERPRETATION

On sait estimer théoriquement l'index de réverbération par les ondulations de la surface : en utilisant l'approximation de Kirchhoff, valable pour les sites voisins de la verticale [3] ; ou bien l'approximation de Rayleigh-Rice (petites ondulations locales), valable pour des sites non voisins de la verticale [4].

Dans ce dernier cas, avec le spectre de houle de Pierson-Moskowitz, pour les fréquences et vitesses du vent concernées, on obtient une formule très simple, indépendante de la fréquence et de la vitesse du vent (et identique à celle de Marsh [51, [l], à 1 dB près) :

RS = - 35

,+

40 log (tge) (dB)

Les tendances observées sont claires : les formules données par les approximations de Kirchhoff et de Rayleigh-Rice peuvent être raisonnablement superposées aux mesures pour 40" 5 8 5 90". Pour 8 ⁵ 40°, ceci est tout à fait impossible.

Pour expliquer les index aux petits sites, ainsi d'ailleurs que la structure des signaux, il est donc légitime de faire intervenir l'autre phénomène : la diffusion par les bulles qui vient masquer celle par la surface.

Les bouffées de signal seraient donc dues à des nuages de bulles séparés par une distance moyenne (7,5 m) qui pourrait être vraisemblablement la longueur de corrélation de la houle, e t entraînées par un courant de 0,l rn/s (qui se trouve être dirigé à peu prèsdans le sens du vent).

Qui plus est, supposons que la réverbération soit effectivement due à une couche de bulles caractérisée par un index de réverbération de volume RV supposé statistiquement constant. On a alors :

Rs = Rv

+

10 log (h.203)

-

10 log (tg81

où h est la hauteur d'eau, 203 l'ouverture à - 3 dB du lobe de l'antenne émettrice.

Pour une station donnée, les deux premiers termes sont constants, l'index de réverbération de surface croît quand le site décroît, et la pente en

-

10 log (tgû) correspond très bien aux mesures (sites 5 à 30").

De plus, d'une station à l'autre, la différence d'index de 5 dB peut très bien s'expliquer par la différence de hauteur h. On trouverait alors dans les deux stations de mesure : Rv =

-

35 dB. Si on applique la théorie de la résonance des bulles dans l'approximation de la diffusion simple [61, à 40 kHz par exemple, cela donne une population moyenne de 30 bulles/m3/pm de diamètre 80 pm ; c'est une valeur plutôt faible par rapport à ce que l'on connaît sur les populations de bulles dues à la houle [ 7 ] , mais il s'agit d'une valeur moyenne : les index des nuages de bulles les plus denses donnent des populations 3 à 10 fois plus élevées.

5

-

CONCLUSION

Aux fréquences 15 à 40 kHz, par mer agitée, la réverbération de surface est due principalement aux ondulations de la surface, pour des rasances supérieures à 40°, et à la couche de bulles sub-surfacique, pour des rasances inférieures à 40". Le Réverbéromètre permet d'analyser la structure de la réverbération par les bulles ; la couche de bulles n'est pas homogène, mais formée essentiellement de nuages, et la présence de nuages se traduit statistiquement par une tendance du signal vers une loi log-normale, dont le paramètre varie avec l'azimut.

C2-1040 COLLOQUE DE PHYSIQUE

5 10 7A 30 50 90

Site (degrCr)

Fi re 1 Répartition des index de -=Ti--

réver ération moyens mesurés.

Fréquences 10 à 40 kHz.

Figure 3

-

Histogramme d'un tirage de 5 sé- quencesconsécutives(- 4000 échantillons indépendants) et lois ajustées.

Extrgit de la série 1 : Site 5" ; Azimut O" ; Signal 25-40 kHz.

RFPARD/EM~SSION (ml)

NIVEAU RECU (dB)

Fi

+y-7-

re 2 Représentation des signaux reçus.

igna emis : 40 kHz, 1 ms

-

Site : 15'

-

Fond : station 2

-

Intervalle entre récurrences : 6 secondes

-

R, moyen =

-

34 dB - (a) azimut O" ; (b) 50" ; (c) 135".

REMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier MM. Ph. Morgand pour la conduite des mesures e t G. Marty pour la programmation informatique. L'expérimentation a pu avoir lieu grâce au concours du GESMA et de l'Aventurière.

BIBLIOGRAPHIE

[ l ] P. A. CROWTHER, in : Cavitation and Inhomogeneities in Underwater Acoustics, éd. Springer - Verlag (1980)

[2] M. GENSANE, IEEE

J.

of Ocean. Eng., vol. 14, p. 84 (1989)

[3] H. MEDWIN, Underwater Acoustics, part 3, Wiley-Interscience (1970)

[4] S. T.McDANIEL & A.D. GORMAN, J. Acoust. Soc. Amer., vol. 73, p. 1476 (1983) f51 H.W. MARSH. J. Acoust. Soc. Amer.. vol. 33. D. 330 (1961)

i6j H. MEDWIN, ~ l t r a s o n i c s , vol. 15, p.'7 (19771.

[7] V. A. AKULICHEV & al., Sov. Phys. Acoust., vol. 32, p. 177 (1986)