Toutefois, considérer uniquement ces effets constituerait un cas idéal dans les applications pratiques. De nombreux mécanismes supplémentaires peuvent intervenir lors de la propagation acoustique en milieu sous-marin, certains induisant des fluctuations d'amplitude et de phase du signal. Par défaut, nous nous référerons aux milieux marins, mais ces effets peuvent également se produire dans d'autres milieux sous-marins.
Un phénomène toujours présent est la réverbération. La réverbération correspond à la dispersion de l'énergie dans d'autres directions suite à l'interaction des ondes acoustiques avec le milieu, par exemple lors de réflexions sur des surfaces ou de la rencontre des ondes avec des particules en suspension dans l'eau. La figure 7 illustre différents processus de réverbération ; le signal réfléchi à l'origine de la réverbération y est représenté par une ligne pointillée.
On distingue deux types de réverbération : volumétrique et de surface. La réverbération volumétrique se produit au sein du volume d’eau où se propage l’onde et est principalement due aux particules en suspension et à la présence d’organismes marins. La contribution de la couche de diffusion profonde, d’origine biologique, à la réverbération volumétrique est particulièrement importante, car elle assure un niveau de diffusion supérieur aux autres couches [2]. De par cette origine biologique, la profondeur de la couche de diffusion profonde varie au cours de la journée, en fonction des mouvements des animaux, et sa réponse aux différentes fréquences du signal acoustique dépend de la taille des animaux, ce qui indique qu’elle est composée de plusieurs sous-couches.
La réverbération de surface résulte de la diffusion causée par l'interaction des ondes acoustiques avec les surfaces et particules environnantes, telles que les sédiments ou les couches de bulles introduites par les vagues ou le passage des navires. À la surface de la mer, le niveau de diffusion dépend de la fréquence, de l'angle d'incidence et de l'irrégularité de la surface, laquelle dépend de la vitesse du vent de surface [2]. La présence d'une couche de glace en surface amplifie la réverbération. Au fond, le niveau de diffusion dépend également de la nature du substrat : les fonds rocheux produisent une réverbération plus importante que les fonds sableux. La contribution du fond marin à la réverbération est la plus complexe à prévoir, car l'interaction des ondes acoustiques avec le fond est la plus difficile à déterminer.
De plus, les bulles de gaz présentes dans l'eau participent aux processus de compression et de raréfaction de l'onde, l'amplitude de cette réponse au signal acoustique dépendant de la fréquence et de la taille des bulles. Lors de ce processus, les ondes acoustiques cèdent de l'énergie aux bulles, qui la rayonnent dans toutes les directions, provoquant une réverbération maximale lors de la résonance des bulles [2].
Outre cet effet, et bien qu'il ne s'agisse pas de réverbération, il convient de mentionner que les bulles de gaz induisent des variations de la vitesse du son lorsqu'il traverse une zone où une couche de bulles est présente. Si la taille des bulles est inférieure à la fréquence de résonance du signal, la bulle est comprimée lors de la phase de compression de l'onde acoustique, ce qui réduit le module d'élasticité et, par conséquent, la vitesse du son ; si sa taille est supérieure, la bulle se dilate lors de la phase de compression, augmentant le module d'élasticité et, par conséquent, la vitesse du son [3]. Ces variations de la vitesse du son affectent la forme du profil aérodynamique, avec les conséquences qui en découlent.
En général, l'émission d'une impulsion sinusoïdale produit un signal de réverbération sous forme d'une tonalité irrégulière qui s'atténue avec le temps, malgré d'éventuels pics d'intensité ponctuels. Cette tonalité subit un décalage de fréquence et un élargissement spectral dus au mouvement des particules en suspension, à la présence d'organismes marins, ou encore à d'éventuels décalages Doppler selon la direction de réception. L'amplitude de la réverbération augmente avec la puissance émise et l'angle d'incidence du signal acoustique.
L'effet Doppler est un autre mécanisme à prendre en compte. Compte tenu de la nature du milieu sous-marin, l'émetteur ou le récepteur (ou les deux) peuvent être en mouvement lors des mesures, par exemple depuis un bateau (figure 8). Dans ce cas, l'effet Doppler se manifeste par un décalage de fréquence. Si le signal emprunte différents trajets (trajets multiples), différents décalages Doppler apparaissent, entraînant un élargissement du spectre au niveau du récepteur.
De plus, même si les instruments étaient parfaitement immobiles, un élargissement Doppler peut se produire en raison du mouvement des masses d'eau pendant la transmission du signal, comme celui causé par les vagues, qui modifient la surface réfléchissante. Les courants internes peuvent également y contribuer, provoquant le déplacement des masses d'eau et affectant ainsi la propagation acoustique.
Pour éviter les conséquences de cet élargissement, la durée du signal doit respecter la relation donnée par l'expression (18) [7] :
1
__ >> B (18)
T
Où T représente la durée du signal et B l'élargissement Doppler. Cet élargissement Doppler augmente avec la fréquence ; il est donc particulièrement important sur de courtes distances (un kilomètre ou moins), où l'on peut utiliser des fréquences de quelques dizaines de kHz [4].
L'élargissement Doppler est à considérer de même que le délai de propagation multiple, qui apparaît en raison des réflexions de surface et de la réfraction des rayons vers la vitesse minimale du son ; par conséquent, la disposition de l'émetteur et du récepteur est cruciale. Le délai de propagation multiple correspond au temps écoulé entre l'arrivée du premier signal et l'arrivée du signal provenant du trajet le plus long.
La propagation le long de l'axe de la distance peut entraîner un élargissement temporel important dû à la propagation multi-trajets, ce qui produit l'effet connu sous le nom d'interférence intersymboles (ISI). Par exemple, à un débit de transmission de 10 ksps (kilosymboles par seconde) sur un canal en eau peu profonde pouvant s'étendre de 1 à 10 km, un délai de propagation multi-trajets de 10 ms se produit, ce qui provoque une ISI s'étendant sur 100 symboles [4]. Pour éviter les effets de ces arrivées multi-trajets multiples au niveau du récepteur, la relation donnée par l'équation (19) [7] doit être satisfaite :
1
__ >> tL (19)
W
Où W représente la bande passante et tL le délai de propagation multiple. Dans tous les systèmes, l'objectif est que le produit B·tL soit inférieur à un ; sinon, le système est dit saturé et le canal ne peut être utilisé correctement qu'après prétraitement du signal acoustique.
Outre ces effets, il est important de considérer le caractère dynamique du milieu sous-marin ; autrement dit, divers processus induisent des changements environnementaux. Ces processus sont généralement classés selon leur étendue spatiale en phénomènes à grande échelle (plus de 100 km), à moyenne échelle (entre 100 m et 100 km) et à petite échelle (moins de 100 m) [19].
Les phénomènes à grande échelle comprennent la circulation induite par le vent dans les premiers centaines de mètres de profondeur et la circulation thermohaline, causée par les variations de densité dues aux fluctuations de température et de salinité de l'eau.
Les phénomènes à méso-échelle incluent les fronts océaniques, les tourbillons et les ondes internes. Les fronts océaniques sont des zones de transition qui séparent des masses d'eau aux caractéristiques différentes, notamment de température et de salinité. Les tourbillons sont constitués de masses d'eau qui s'écoulent en cercles concentriques et se referment sur elles-mêmes ; ils peuvent donc être considérés comme un cas particulier de front océanique, car ils présentent des caractéristiques distinctes de leur environnement. Les ondes internes, quant à elles, sont des ondes qui se propagent le long des interfaces entre des couches de fluides de densités différentes, ou au sein d'un même fluide présentant un gradient de densité.
Enfin, parmi les phénomènes à petite échelle, l'échelle thermohaline se distingue. Elle apparaît généralement dans la thermocline principale et se compose de zones de plusieurs mètres de profondeur où la température et la salinité sont uniformes, séparées par d'autres zones où l'on observe un gradient notable de ces valeurs. Cet effet est plus fréquent dans les zones de mélange d'eau douce et d'eau salée.
Un autre mécanisme à considérer est la dispersion de la vitesse du son (à distinguer de la diffusion). La dispersion correspond à la propagation à des vitesses différentes des composantes du signal de fréquences différentes. Comme elle est généralement absente, les formules semi-empiriques de la littérature ne tiennent pas compte de cette dépendance ; toutefois, elle peut apparaître dans certaines circonstances, comme lors du passage à travers une couche de bulles [21] ou en fonction de la forme du canal (dispersion géométrique) [22]. Les effets de la dispersion peuvent être très importants si le signal acoustique est codé, car il risque alors d'être illisible à la réception.
Le dernier mécanisme à considérer est le bruit ambiant, c'est-à-dire tout signal qui continue d'être reçu même après l'élimination de toutes les sources de bruit connues. Ce bruit ambiant est généralement perçu comme un bourdonnement de basse fréquence, de l'ordre du hertz.
En haute mer, où la propagation en eaux profondes est envisageable, plusieurs sources de bruit ambiant sont possibles : les vagues, les marées et la turbulence, qui provoquent des variations de pression enregistrées par les hydrophones ; le déferlement des vagues à la surface et des bulles d'eau ; l'activité sismique ; la présence de navires ; et le bruit thermique moléculaire. Presque toutes ces contributions sont de basse fréquence, généralement inférieures à 100–500 Hz, à l'exception du déferlement des vagues et des bulles, qui peuvent atteindre 30 kHz, et du bruit thermique, qui peut atteindre 100 kHz [2].
En eaux peu profondes, les sources potentielles de bruit ambiant sont également connues, mais leur variabilité, tant spatiale que temporelle, est plus importante. Ces sources comprennent le bruit lié à la pêche et aux activités industrielles, le vent et le bruit biologique provenant de la faune marine, comme les crustacés. De manière générale, le bruit ambiant en eaux peu profondes affecte davantage les basses fréquences, comme dans le cas précédent.
Deux autres contributions sont à considérer. La première, commune aux eaux profondes et peu profondes, correspond au bruit généré par l'impact des gouttes de pluie sur la surface de la mer. Ce bruit peut atteindre des fréquences de 10 kHz [2]. La seconde contribution est spécifique aux régions polaires, où la pêche et le vent ont un impact moindre grâce à la banquise, mais où la fragmentation de cette glace constitue une source importante de bruit pouvant atteindre des fréquences allant jusqu'à 1 kHz [19].
Simulations.
Plusieurs simulations réalisées à l'aide de la méthode de tracé de rayons, la plus couramment utilisée dans la littérature, sont présentées ci-dessous. Trois cas fondamentaux sont distingués : canal en eau peu profonde, canal de surface et canal acoustique profond. Dans tous les cas, une colonne d'eau de densité 1024 kg·m⁻³ est considérée, reposant sur un fond de sable fin de densité 1941 kg·m⁻³. La présence d'ondes transversales sur le fond, parfaitement lisse comme la surface de la mer, est négligée. Dans tous les calculs d'affaiblissement de transmission, la phase des différents rayons a été prise en compte (calcul cohérent), les surfaces étant supposées parfaitement lisses et l'interaction du signal avec ces surfaces étant donc négligeable.
Simulation d'un environnement d'eau peu profonde :
La propagation acoustique en eau peu profonde, caractérisée par de multiples réflexions entre le fond et la surface, est présentée en premier lieu. Dans ce cas précis, le fond se situe à une profondeur de 100 m et un réseau de récepteurs est supposé, positionné tous les 5 m à une profondeur de 2 km, à l'émetteur situé à 10 m de profondeur.
Le profil de vitesse du son est donné par la figure 9, qui montre une vitesse constante de 1 500 m/s dans l'eau et de 1 749 m/s dans le sable fin.
Les rayons sont émis sous des angles de ±10°, à une fréquence de 30 kHz. La figure 10 illustre le trajet de ces rayons jusqu'au récepteur ; 21 rayons ont été sélectionnés pour une meilleure lisibilité. Cette figure montre comment certains rayons atteignent le réseau de réception sans réflexion, tandis que d'autres se réfléchissent sur le fond ou la surface, voire sur les deux à plusieurs reprises.
La figure 11 illustre les pertes de transmission en fonction de la distance et de la profondeur. Pour calculer ces pertes, l'algorithme a été autorisé à choisir le nombre de rayons qu'il jugeait approprié (bien supérieur à 21 rayons). Cette figure montre l'existence de zones d'interférence destructive du signal, en fonction des phases des signaux convergents dans ces zones. Il en résulte des zones où les pertes de transmission diminuent considérablement à proximité de l'émetteur.
La figure 12 illustre la variation des pertes de transmission et de la phase en fonction de la profondeur, pour une distance de 2 km, distance à laquelle seraient situés les récepteurs. Les valeurs obtenues pour les pertes de transmission correspondent à celles attendues pour une divergence géométrique à une distance de 2 km et à la contribution de l'absorption, qui, pour une fréquence de 30 kHz, est d'environ 8 dB·km⁻¹. La phase subit également plusieurs fluctuations dues à l'interaction avec la surface de la mer et aux interférences entre les différents rayons.
La figure 13 représente les différents trajets d'arrivée des rayons aux récepteurs, c'est-à-dire le phénomène de trajets multiples. Par exemple, pour le récepteur situé à 5 m, un premier rayon est détecté pendant un temps de propagation d'environ 1,334 s (temps cohérent avec la distance et la vitesse du son considérées), puis il détecte cinq rayons très proches les uns des autres autour de 1,34 s, et enfin il détecte un autre rayon pendant un temps de propagation d'environ 1,357 s.
Simulation d'un canal de surface.
La simulation de la propagation acoustique dans un canal de surface est présentée ci-après. Le profil de vitesse du son est illustré sur la figure 14 : la vitesse en surface est de 1 485 m/s et augmente jusqu'à une profondeur de 100 m. À partir de ce point, elle se stabilise à 1 500 m/s. Le réseau de récepteurs est situé à 2 km de l'émetteur, lui-même placé à 50 m de profondeur, soit un récepteur tous les 5 m. La fréquence d'émission est de 20 kHz, les rayons émergeant sous un angle de ±10°, et la profondeur du fond est de 500 m.
La figure 15 montre les trajets des rayons dans ce canal, où, comme précédemment, 21 rayons ont été sélectionnés pour la même raison. Cette figure illustre la courbure des rayons vers la surface, où la vitesse du son est minimale. Dans ce cas, il n'y a pas d'interaction avec le fond marin à la distance des récepteurs ; seules des réflexions sur la surface de la mer sont observées.
Les pertes de transmission en fonction de la distance et de la profondeur sont présentées sur la figure 16. Cette figure montre, comme en eau peu profonde, une figure d'interférence formée par l'interaction de rayons de phases différentes. Une zone apparaît à la distance des récepteurs et à une profondeur d'environ 50 m, où les pertes sont considérablement plus faibles que dans la zone environnante. Ceci est dû à la concentration des rayons dans cette zone, comme on peut également le constater sur la figure 15. Sur la
figure 17, qui montre la variation des pertes de transmission et de la phase en fonction de la profondeur au niveau des récepteurs, ce minimum de pertes de transmission est également visible, soulignant la nette différence des valeurs de pertes à cette profondeur. La figure 18 représente le trajet multiple obtenu dans ce cas, qui, en général, montre moins de détections pour chaque récepteur qu'en eau peu profonde, à l'exception du récepteur situé à 50 m de profondeur. Ceci s'explique par le fait qu'il y a moins de réflexions entre les surfaces, et donc un trajet multiple plus court.
Simulation d'un canal acoustique profond.
La dernière simulation présentée est celle d'un canal acoustique profond. La figure 19 illustre le profil considéré : la vitesse y est constante à 1 510 m/s de la surface jusqu'aux 100 premiers mètres, puis diminue à 1 485 m/s sur l'axe acoustique, situé à 1 km. Elle augmente ensuite linéairement jusqu'à atteindre à nouveau 1 510 m/s au fond, à 4 km de profondeur. Les récepteurs sont situés à 50 km, espacés de 5 m, comme dans les cas précédents ; l'émetteur est placé sur l'axe acoustique. Une fréquence de 500 Hz a été utilisée afin de simuler au mieux un scénario réaliste. En effet, à 30 kHz, les pertes au niveau des récepteurs seraient d'environ 500 dB, principalement dues à l'absorption, ce qui rendrait cette fréquence inapplicable en pratique pour une transmission à cette distance. Les rayons sont émis dans un angle de ±10°.
La figure 20 présente les pertes de transmission obtenues en fonction de la distance et de la profondeur. On constate que les pertes de transmission à proximité de l'axe acoustique sont inférieures à celles observées ailleurs, en raison de la réfraction des rayons vers cette zone, qui entraîne leur accumulation. La figure 21 illustre la variation des pertes et de la phase en fonction de la profondeur au niveau des récepteurs. Ce graphique met également en évidence les pertes minimales obtenues à la profondeur de l'axe acoustique.
Conclusions
Cet article a présenté une synthèse des principes fondamentaux de la propagation acoustique en milieu sous-marin, soulignant l'importance de la compréhension du profil de vitesse du son pour la propagation ultérieure d'un signal à travers différents canaux. Les principales équations théoriques relatives à la vitesse du son, à l'absorption et aux pertes pour différents canaux ont été examinées, et divers effets susceptibles d'affecter la propagation acoustique sous-marine ont été présentés qualitativement. De plus, plusieurs simulations réalisées pour les trois canaux les plus significatifs ont été présentées.
Remerciements
Ce travail a été rendu possible grâce au soutien de GCM Communications Technology. Les simulations ont été réalisées à l’aide de l’Acoustic Toolbox pour Matlab, disponible sur le site web du Centre for Marine Science and Technology (Curtin University of Technology, Australie) [23].
Auteurs :
Joaquín Aparicio, Enrique García ; Ana Jiménez; Fernando Álvarez†; Jesús Ureña
Département d'Électronique, Université d'Alcalá
†Département d'Ingénierie Électrique, Electronique et Automatique, Université d'Estrémadure
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