Cavitation acoustique et furtivité en sonar actif

Cet article fait suite à l’article [RAD 6 714] relatif aux sonars actifs et au traitement du problème de l’estimation des portées sous des conditions « idéales ». Même si ces conditions existent, comme l’illustrent d’ailleurs les cas réels traités dans l’article susnommé, il subsiste des situations où certains phénomènes physiques peuvent conduire à une réduction substantielle des performances. Deux des plus impactants sont la cavitation acoustique, et la furtivité de la cible. L’objectif général de cet article est de permettre à l’ingénieur spécialisé ou intéressé par un secteur particulier d’acquérir une vue d’ensemble du domaine sonar et de ses contraintes.

En radar, dans un milieu infini idéal, il est possible d’accroître la portée en augmentant la puissance émise, toutes choses égales par ailleurs. Ce n’est pas le cas en sonar actif ; en cause, la limitation du niveau d’émission par la cavitation acoustique, c’est-à-dire la vaporisation de l’eau sous l’effet de la dépression due à l’onde émise. C’est l’objet du paragraphe 1 où sont tout d’abord rappelées les deux origines physiques possibles de vaporisation de l’eau : l’ébullition et la cavitation, parfois difficiles à distinguer. La dynamique de la cavitation acoustique produite lors de l’émission par un transducteur est décrite, ainsi que ses manifestations (gerbes de bulles, sonoluminescence). Ses effets peuvent être néfastes (limitation de la puissance émise, érosion des matériaux) mais aussi recherchés. Les formules analytiques permettant de calculer le seuil de cavitation, c’est-à-dire la puissance pour laquelle un transducteur donné cavitera, sont énoncées. Ce seuil dépend principalement de la pression hydrostatique (i.e. de l’immersion) et des dimensions des transducteurs. Deux procédés permettant de se prémunir de la cavitation sont analysés, ainsi que leurs conséquences sur le plan opérationnel.

Le paragraphe 2 est consacré à la furtivité acoustique, c’est-à-dire aux moyens permettant de réduire l’index de réflexion (Target Strength : TS ) des sous-marins (SM). Les limites de l’analyse sont tout d’abord établies, notamment la gamme de fréquence des menaces actives contemporaines vis-à-vis desquelles il est prioritaire – et potentiellement envisageable – d’améliorer la furtivité. Cette dernière notion est ensuite mise en parallèle avec celle de masquage correspondant à la réduction du bruit rayonné, c’est-à-dire la discrétion (lapidairement, la discrétion concerne le passif et la furtivité concerne l’actif).

Ensuite, un critère simple et dépendant de peu de paramètres est établi, il permet de quantifier l’amélioration de la furtivité d’un bateau et est basé sur la notion d’intercept (i.e. le rapport entre la portée d’un intercepteur sonar et celle d’un actif adverse).

Puis, est détaillé le procédé le plus employé pour améliorer la furtivité, il consiste à revêtir les SM d’un matériau anéchoïque. La présentation se fait selon l’ordre de leur création en commençant par le Fafnir, puis l’Alberich, tous deux exploitant la résonance de cavités cylindriques noyées à l’intérieur d’une matrice de caoutchouc. Ces deux procédés ont été employés sur les U-Boote (Underseeboote) de la seconde guerre mondiale. Sont décrits également les revêtements utilisés actuellement en mer, à savoir ceux développés par les Soviétiques (Krylov) et ceux des SM occidentaux (dits microinclusionnaires). Les multiples contraintes de mise en œuvre de ces tuiles sont ensuite listées (problèmes de compressibilité, maintient sur la coque, etc.). Leur impact est tel qu’il est très difficile de revêtir un SM existant au cours d’une refonte. Cependant, il n’y a pas que les revêtements qui permettent de diminuer le TS, il est possible aussi d’agir dès la conception sur l’architecture du bateau en jouant sur les dimensions et les formes de la coque, ce qui est par la suite analysé. Pour finir, sont abordées les perspectives concernant les revêtements anéchoïques du futur. Mentionnons la présentation au cours de ce paragraphe de certains aspects relatifs aux sonars actifs en général comme le multistatisme et divers contextes opérationnels.

Chacun des paragraphes 1 et 2 se termine par un chiffrage de la réduction de portée due à la cavitation et à la furtivité de la cible. Les sonars traités sont identiques à ceux de [RAD 6 714], les cibles ont simplement été un peu modifiées pour tenir compte d’une amélioration de leur furtivité.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles utilisés.