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SONAR

On désigne sous le nom de sonar l’ensemble des techniques qui permettent de transmettre et de recevoir de l’information à travers le milieu marin en utilisant les ondes de vibrations élastiques. L’eau propage ces vibrations à de grandes distances, alors qu’elle absorbe très vite les ondes électromagnétiques, y compris les ondes lumineuses. Les techniques du sonar couvrent des gammes de fréquences diverses, aussi bien dans la bande des fréquences audibles (20 Hz à 12 kHz environ) que dans celle des ultrasons. L’objectif essentiel des techniques sonars est la détection des sources de bruits ou des obstacles immergés. Le sonar passif capte les sons ou les ultrasons éventuellement émis par l’objet à détecter, donne sa direction, parfois sa distance. Ce type de détection est appelé «écoute passive», en souvenir du temps où elle se limitait à la bande des fréquences audibles. Le sonar actif (d’abord nommé asdic), comme le radar, émet des signaux et s’efforce de recevoir des échos réfléchis sur les cibles éventuelles en évaluant leur distance. En dépit d’analogies certaines, des ordres de grandeur très différents ont fait évoluer le sonar actif de façon assez particulière.

Historique. Transducteurs et hydrophones

Presque toute l’histoire du sonar repose sur le développement des capteurs et des générateurs de vibrations acoustiques adaptés au milieu marin. L’eau est en effet plus «dure» (d’impédance acoustique plus élevée) que l’air, de sorte que les microphones et les haut-parleurs aériens y sont peu efficaces.

Cependant, l’Américain R. A. Fessenden obtenait, dès 1914, des échos sur un iceberg (la catastrophe du Titanic était alors dans tous les esprits) avec un «haut-parleur» du type électrodynamique. D’autre part, l’écoute passive a d’abord utilisé des résonateurs et des cornets reliés par un flexible à l’oreille de l’opérateur (capsules Walzer, 1917). Mais c’est l’emploi de la piézoélectricité et de la magnétostriction qui a permis l’essor des techniques sonars. Ces phénomènes physiques, tous deux réversibles, assurent la traduction d’énergie acoustique en énergie électrique et vice versa. Ils sont à l’origine du développement des hydrophones (les microphones sous-marins, destinés à la réception) et des transducteurs (les haut-parleurs sous-marins, capables en général de recevoir comme d’émettre). Historiquement, le premier matériau piézoélectrique utilisé a été le cristal de quartz (Langevin, 1917); puis le sel de Seignette ou sel de Rochelle (un tartrate double de sodium et de potassium); puis les cristaux de diphosphate d’ammonium. Ces cristaux étaient difficiles à trouver à l’état naturel ou à «cultiver» artificiellement. Il fallait, de plus, les tailler de façon précise par rapport à leurs axes de symétrie.

Actuellement, on dispose de céramiques amorphes, moulées à chaud en plaques ou en cylindres, puis «polarisées» par l’application passagère d’un fort champ électrique. Essentiellement, ce sont des titanates de baryum, des titano-zirconates de plomb et des niobates de plomb.

Un hydrophone comporte en général un seul ou un petit nombre de ces éléments. C’est un objet léger (200 à 300 g) auquel un préamplificateur miniature est le plus souvent incorporé. Un transducteur comporte un assez grand nombre d’éléments assemblés entre eux ainsi qu’à des contremasses et à un «pavillon» métalliques; le tout pèse plusieurs kilogrammes et coûte beaucoup plus cher qu’un hydrophone. Les transducteurs magnétostrictifs, d’ailleurs en déclin (sauf pour utilisations spécifiques), sont formés d’alliages de nickel. Ils sont lourds, onéreux, et il est difficile d’élargir leur bande utile alors que les transducteurs piézoélectriques modernes peuvent concilier un rendement acceptable (60 à 80 p. 100) dans des bandes de l’ordre du demi-octave. Quant aux hydrophones, leur sensibilité est généralement presque constante sur une bande de plusieurs octaves.

Les antennes

Pour le sonar passif, on forme des antennes de réception à large bande à partir d’hydrophones élémentaires. Ces «groupements», qualifiés, au début, de «microphoniques», doivent être aussi étendus que possible pour rester directifs aux basses fréquences. Quand ils sont fixés à la quille d’un bâtiment, ils mesurent déjà plusieurs mètres, mais la technique évolue rapidement vers des antennes linéaires remorquées de plusieurs centaines de mètres (structure, exploitation et finalité sont très différentes de celles des réseaux linéaires utilisés pour les sondages sismiques sous-marins en recherche pétrolifère).

Pour le sonar actif, on forme des antennes d’émission-réception avec des transducteurs. Ces antennes – appelées bases – ont des dimensions et des poids très variables suivant les fréquences utilisées (de quelques dizaines de kilogrammes à plusieurs tonnes). Les puissances d’émission vont de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts.

Beaucoup de sonars actifs aujourd’hui en service ont des «bases» cylindriques verticales formées de colonnes juxtaposées, comportant chacune plusieurs transducteurs. Chaque colonne est électriquement indépendante avec son câble d’accès propre. La base est placée dans un dôme situé sous la quille du bâtiment porteur ou dans un bulbe d’étrave spécialement aménagé.

La tendance actuelle est de doter les sonars de deux antennes séparées, une antenne de transducteurs pour l’émission seule, et une antenne d’hydrophones pour la réception «active» ou «passive», pratiquées simultanément.

Les premiers asdics utilisaient des transducteurs de quelques décimètres et des fréquences de 15 à 30 kHz.

La recherche soit des basses fréquences, qui se propagent d’autant mieux qu’elles sont plus basses, soit des fortes puissances, qui exigent de grandes surfaces d’émission, explique le développement d’antennes plus vastes.

En effet l’atténuation du son dans la mer, qui est de l’ordre de 2 dB/km à 20 kHz, n’est plus que de 0,5 dB/km à 5 kHz. À puissance égale, la portée est donc plus grande. Mais une antenne à 5 kHz doit être quatre fois plus vaste qu’une antenne à 20 kHz pour conserver la même directivité. Rappelons que la longueur d’onde est de 7,5 cm à 20 kHz et de 30 cm à 5 kHz. Les antennes de sonar, en gros, ont des dimensions de 4, soit 30 cm à 20 kHz et 120 cm à 5 kHz. D’autre part, la puissance acoustique qu’on peut émettre par centimètre carré de surface vibrante est limitée (1 à 6 W/cm² suivant l’immersion) par le phénomène parasite de cavitation dû à la présence de bulles d’air dans l’eau. Pour accroître la puissance émise, il faut augmenter la surface vibrante, donc l’antenne d’émission. Ainsi les fréquences des sonars actifs se sont progressivement abaissées depuis 20-30 kHz jusqu’à 2-8 kHz, du moins en ce qui concerne les sonars à longue portée. Par contre, le sonar passif, qui n’utilise qu’une antenne de réception, a travaillé dès l’origine dans la bande 2-6 kHz, et ses perfectionnements actuels tendent à élargir cette bande vers les basses fréquences en même temps que les dimensions – la pupille – du réseau.

Sonar actif

Les antennes sonars sont fixes. Elles ne tournent pas comme la plupart des antennes radars. Au début, on orientait mécaniquement les bases de quelques kilogrammes. Mais il faut alors attendre 8 secondes, après l’émission, le retour d’un écho pour une cible située à 6 kilomètres. Avec un lobe de directivité de 20 degrés, près de deux minutes et demie sont nécessaires pour couvrir l’horizon, et cela pour un seul écho. La différence est frappante avec un radar dont l’antenne tourne en 2 ou 3 secondes et dont la cadence d’émission est si élevée qu’il reçoit plusieurs dizaines d’échos de la même cible pour une orientation pratiquement inchangée. La vitesse (ou plutôt la lenteur) du son est un handicap fondamental du sonar.

Donc, avant même que les bases sonars ne s’alourdissent et ne s’élargissent dans la poursuite des basses fréquences, on avait songé à les laisser fixes et à ne faire tourner que le lobe de directivité par des moyens purement électriques. Cette méthode dite scanning (que l’on appelle balayage électronique pour le radar) a été appliquée à de nombreux sonars opérationnels. Elle se prête en effet à une couverture rapide. Mais elle est incompatible, en sonar, avec l’utilisation de l’énergie totale d’un écho; en fait, elle gaspille cette énergie déjà si rare. C’est pourquoi le sonar actif est passé, dans les années 1955-1965, à la technique plus évoluée dite des voies préformées. À partir des éléments d’antennes, on forme plusieurs lobes fixes, juxtaposés en une sorte de rosace, et on exploite simultanément l’ensemble des sorties de ces voies dont chacune correspond à une direction donnée. Ainsi reçoit-on sur chaque voie, en permanence et dans leur totalité, les signaux venant de la direction correspondante. Au prix d’un multiplexage de l’équipement électronique que l’évolution des technologies a rendu abordable, on compense le handicap de la «lenteur» du son.

Sonar passif

Le sonar passif classique utilise encore le lobe tournant (le scanning) qui ne présente pas ici des inconvénients aussi sévères qu’en sonar actif; le signal est, en effet, un bruit continu émis par une source, et il dure en principe bien plus longtemps qu’un tour d’horizon. Cependant, avec les progrès des procédés de traitement du signal, le sonar passif en vient, lui aussi, aux voies préformées qui permettent d’appliquer des procédés de filtrage plus subtils. Tous les sonars actifs ou passifs ont bénéficié d’abord des progrès de la microélectronique puis de ceux de l’informatique «temps réel» pour réaliser un nombre grandissant de fonctions de plus en plus complexes.

Traitement du signal

Le sonar passif est limité par le niveau d’émission de la source à détecter – auquel on ne peut rien – et par le «bruit ambiant» qui parasite l’antenne. Ce bruit ambiant est toujours de nature acoustique (bruits d’écoulement, bruits de mer). Les techniques de filtrage optimal jouent donc sur le degré de connaissance qu’on peut avoir a priori du spectre du bruit à détecter et du spectre du bruit ambiant.

En ce qui concerne le sonar actif, les idées exposées dans l’article RADAR sont transposables au sonar. À la fin d’une émission, le récepteur est d’abord parasité par la réverbération (le «clutter» des radaristes) provoquée par la rétrodiffusion des particules ou animalcules en suspension dans l’eau. Cette réverbération s’atténue progressivement pour laisser place au bruit ambiant déjà cité. Les deux parasites sont de nature très différente. Le bruit ambiant est justiciable de l’augmentation de la puissance d’émission qui se répercute sur l’intensité de l’écho seul. Mais la réverbération reste proportionnelle à la puissance émise. Les méthodes modernes de traitement du signal consistent à mettre en œuvre des signaux compliqués qu’on reçoit sur des filtres étroitement liés aux détails de leur forme, de telle sorte que, en même temps que l’on «ramasse» toute l’énergie du signal, ils laissent peu de chances aux causes aléatoires de la réverbération de produire des signaux semblables. Ces traitements, dits cohérents, font partie de la technique moderne sous les noms de filtre adapté, convoluteur (ou convolueur), corrélateur en temps réel, etc. En traitement spatial, les voies préformées deviennent elles-mêmes adaptatives , les combinaisons d’hydrophones variant en fonction de la distribution des sources de bruits telle qu’elle est perçue par l’antenne.

Propagation

Quels que soient les raffinements de la réception et de l’émission, il faut que le son parvienne de la source d’émission à la cible (sonar actif) et de celle-ci au récepteur (actif et passif). Or, en acoustique sous-marine, la ligne droite n’est pratiquement jamais une première approximation valable des trajets sonores. La mer est un milieu qui n’est ni isotherme ni, par conséquent, isocélère. Les couches d’eau à températures différentes courbent les rayons sonores d’une façon compliquée, qui dépend de l’immersion de la source (fig. 1); il n’existe pas nécessairement un chenal sonore entre une source donnée et un récepteur donné. Ainsi, l’importance des relevés bathythermiques traduits en profil de célérité , c’est-à-dire en vitesse du son en fonction de l’immersion, est grande en sonar. Ces profils servent à établir (de façon instantanée dans les traceurs de rayons modernes) les trajets sonores à partir d’une source placée de façon quelconque. Ces calculs sont fondés sur l’exploitation de l’équation classique du son. Ils montrent que, dans les cas les plus fréquents de bathythermie, la source sonore envoie de l’énergie dans une plus grande zone utile lorsqu’elle est placée plus bas. C’est pourquoi certains bâtiments, outre leur sonar «de coque», remorquent un sonar supplémentaire immergeable à une profondeur réglable suivant la bathythermie rencontrée.

Sonar latéral utilisé pour la cartographie des fonds marins

Le sonar latéral est un appareil émetteur-récepteur d’ondes ultrasonores qui, remorqué par un navire, permet d’obtenir des enregistrements, lesquels, convenablement transcrits sous forme optique, donnent une image à deux dimensions des fonds marins.

L’eau de mer est, en effet, si opaque aux ondes électromagnétiques qu’il est en général impossible d’obtenir des images optiques lorsque ces ondes ont à traverser une épaisseur d’eau qui excède quelques mètres ou quelques dizaines de mètres; par contre, le son se propage bien dans l’eau. Ce n’est cependant qu’en 1958 que W. D. Chesterman, P. R. Clynick et A. H. Stride ont utilisé la réverbération (ou rétrodiffusion) des ondes sonores par les irrégularités du fond de la mer afin d’en obtenir une image. Cette technique est actuellement employée pour la cartographie des fonds sous-marins soit pour l’édification des structures (plates-formes de forage, etc.), soit pour la pose de tuyauteries et de câbles et, plus particulièrement, de câbles transcontinentaux destinés aux télécommunications.

Au cours de la marche du navire qui remorque le sonar, ce dernier émet à intervalles réguliers, grâce à un ensemble de céramiques piézoélectriques branchées sur une source électrique, des signaux ultrasonores relativement courts (1 ou 2 ms). La géométrie de la base d’émission est telle que le pinceau sonore est relativement étroit en gisement, c’est-à-dire horizontalement (par exemple 2⁰), et large en site, c’est-à-dire verticalement (par exemple 10 ou 20⁰). Ce pinceau est orienté obliquement vers le fond de la mer, et sa direction est perpendiculaire à celle qui est suivie par le navire (d’où le nom de sonar latéral). À chaque émission, le sonar «illumine» ainsi une bande de terrain étroite (fig. 2). Une partie des ondes sonores qui atteignent le fond est rétrodiffusée vers le sonar. L’ensemble des céramiques piézoélectriques qui a précédemment servi à l’émission sert maintenant d’ensemble de détection; les ondes sonores sont ainsi transformées en courant électrique dont on peut enregistrer les oscillations soit sur un support magnétique, soit sur des supports photographiques.

Les échos reçus par le sonar s’échelonnent dans le temps, en fonction de la distance parcourue dans l’eau par l’énergie sonore. Au fur et à mesure que le navire avance, on répète régulièrement les cycles d’émission et de réception; on juxtapose ensuite les divers enregistrements qui correspondent chacun à une bande de terrain. La vitesse de déroulement du support d’enregistrement est contrôlée par un microprocesseur qui tient compte de la vitesse du navire par rapport au fond et de la portée latérale sélectionnée. La distorsion liée à l’obliquité des rayons est en général corrigée de manière automatique. On obtient ainsi une image acoustique du fond dont l’échelle est homogène dans les deux directions.

Les fluctuations de l’énergie sonore qui est captée par le sonar sont dues soit à des variations topographiques (dans ce cas, on observe des ombres portées), soit à des modifications de la nature lithologique ou de la texture des sédiments qui tapissent le fond. Il est habituel de faire, en même temps que la couverture sonar, des enregistrements de sismique-réflexion peu profonde et des levés par écho-sondeur, afin de mener à bien l’interprétation. Celle-ci est parfois rendue délicate en raison des distorsions qui peuvent être provoquées par des mouvements du sonar au bout du câble qui le tracte: roulis, tangage, lacet, etc.

Il existe différents types de sonars dont les portées vont de 100 mètres à 25 kilomètres (A. H. Stride, J. Cholet, A. Fontanel et G. Grau). Les plus couramment utilisés (fig. 3 a) ont une portée de 1 à 2 kilomètres.

Depuis quelques années, les appareils dits «écho-sondeurs multifaisceaux» permettent d’obtenir simultanément des levés bathymétriques et une image acoustique, suivant le principe du sonar latéral. Par comparaison avec le sonar classique qui est tracté, l’écho-sondeur multifaisceaux est fixé sur le navire.

Un traitement numérique approprié permet, par combinaison des deux enregistrements, d’obtenir une représentation tridimensionnelle du fond (fig. 3 b), en superposant l’image acoustique au relief bathymétrique.

• 1949; mot angl., acronyme de Sound Navigation and Ranging, d'apr. radar

n. m. MAR Appareil émetteur et récepteur d'ondes ultrasonores, utilisé pour la détection des objets immergés.

⇒SONAR, subst. masc.

A. — MAR., SC., PHYS., TECHNOL. Appareil à ultrasons, émetteur et récepteur, servant, par l'écho sonore, à la détection d'objets sous-marins, de bancs de poissons, et à la transmission de signaux. Sonar d'attaque, de coque, de veille. Depuis la guerre on a étendu à la recherche des bancs de poissons l'application de (...) l'appareil à ultra-sons connu en Amérique sous le nom de « sonar », utilisé par les marines de guerre pour la détection et la localisation des sous-marins naviguant en plongée (LE MASSON, Mar., 1951, p. 120). Depuis quelques années, le sonar est employé immergé, l'émetteur d'ondes étant en général fixé à la partie supérieure du chalut (...). Dès lors, les pêcheurs disposent d'informations très précises qui leur permettent d'adapter exactement leur navigation aux mouvements des espèces recherchées (BOYER, Pêches mar., 1967, p. 55).

— P. anal. Moyen naturel de repérage par écho sonore, chez certains animaux, notamment chez les chauves-souris, les marsouins (d'apr. PIÉRON 1973). La France cherche à utiliser leurs sons remarquables [des dauphins]: un « sonar » naturel infiniment plus précis que tous les sonars en usage (Paris-Match, 11 mars 1972, p. 37 ds REY-GAGNON Anglic. 1980).

B. — Néol., AUDIO-VISUEL, PHOT., CIN., TÉLÉV. Dispositif de réglage par écho sonore. Un appareil à mise au point automatique par sonar (Le Nouvel Observateur, 21 nov. 1981, p. 74, col. 1).

Rem. Le terme est parfois empl. comme synon. de écholocation (d'apr. HUSSON 1970).

Prononc. et Orth.:[]. Plur. des sonars. Étymol. et Hist. 1949 (Nouv. Lar. univ.). Terme formé en anglo-amér. à l'aide des élém. so, na et r de sound navigation and ranging « navigation et pointage au son » sur le modèle de radar (1946 ds NED Suppl.²), en concurrence avec asdic (1948, Nouv. Lar. univ.) formé des init. de Anti-Submarine Detection Investigation Committee (1939 ds NED Suppl.²), lui-même abandonné au profit de l'appellation amér. dans le cadre de l'OTAN (1963, ibid., s.v. sonar).

sonar [sɔnaʀ] n. m.

ÉTYM. 1949; mot angl., de So(und) N(avigation) a(nd) R(anging).

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♦ Techn. Équipement de détection et de communications sous-marines analogue au radar, et basé sur la réflexion des ondes sonores. ⇒ Asdic (vx). || Des sonars. || Repérage des bancs de poissons au sonar.