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Environnement acoustique sous-marin

Le milieu aquatique, bien que très favorable à la propagation d'ondes acoustiques, impose néanmoins de nombreuses limitations. L'amplitude des signaux sonores diminue au fil de leur propagation, en particulier du fait que l'eau de mer génère une absorption (d'origine visco-thermique et chimique) des ondes acoustiques, qui augmente très rapidement avec la fréquence utilisée et limite donc la portée possible pour un système donné. Par exemple, un sonar de moyenne fréquence exploitant des signaux « aller-retour » autour de 10 kHz pourra atteindre des cibles à une dizaine de kilomètres ; mais un sonar à 100 kHz ne pourra explorer que quelques centaines de mètres et un système à 1 MHz sera utile sur quelques dizaines de mètres seulement. En revanche, en très basse fréquence, les signaux utilisés en transmission (et donc en aller seul), dans la gamme des dizaines et des centaines de Hertz, peuvent atteindre des récepteurs situés à des centaines, voire à des milliers, de kilomètres.

L'autre difficulté majeure tient au fait que l'eau de mer, compte tenu des variations de sa température avec la profondeur, ne présente pas une célérité acoustique homogène, entraînant des phénomènes de réfraction, exprimés classiquement par la loi de Snell-Descartes : les couches d'eau de températures différentes incurvent les trajectoires des ondes sonores en fonction de leur angle d'incidence. De ce fait, dans certains cas, il n'existe pas nécessairement de trajet sonore direct entre une source et un récepteur donnés ; à l'inverse, plusieurs trajets différents peuvent être possibles conjointement, causant une rafale d'échos distincts en réception. Des précautions particulières doivent être prises pour contourner ces difficultés. On montre ainsi que, dans les structures thermiques les plus courantes, une source sonore transmet de l'énergie dans une zone utile d'autant plus étendue qu'elle est placée plus profondément. C'est pourquoi, certains bâtiments de lutte sous-marine, outre leur sonar de coque, remorquent un sonar supplémentaire immergé à une profondeur réglable suivant les conditions locales afin d'augmenter leur rayon d'action en minimisant les zones qui ne peuvent être atteintes en propagation directe. La bonne connaissance de la bathycélérimétrie (évolution de la vitesse du son avec la profondeur) est encore plus cruciale, et exigeante en précision, pour les mesures de topographie des fonds océaniques : celles-ci sont effectuées à l'aide de sondeurs multifaisceaux (cf. Principales utilisations) qui mesurent l'impact sur le fond d'un trajet sonore émis obliquement, ce qui les rend très sensibles à la réfraction.

Par ailleurs, la fréquence même des signaux est modifiée par l'effet Doppler, phénomène physique lié aux vitesses relatives des sources et des cibles, qui est très pénalisant pour la transmission de données en raison de la modification de l'information contenue dans le signal ; cet effet peut être, à l'inverse, mesuré utilement pour estimer la vitesse d'une cible.

Les caractéristiques physiques des masses d'eau sont très variées et fluctuantes, à la fois dans l'espace et dans le temps : variations géographiques et saisonnières de la température et de la salinité, relief du fond, houle, courants et tourbillons. Ces variations viennent s'ajouter aux mouvements des systèmes acoustiques et des cibles. L'inhomogénéité à petite échelle du milieu de propagation est à l'origine de fortes fluctuations du niveau et de « l'intelligibilité » des signaux acoustiques transmis, ce qui dégrade évidemment la qualité de la réception et les performances possibles.

Dans toutes les applications des systèmes actifs pour la détection et la localisation, le signal émis est renvoyé au sonar par une cible. Ce processus de rétrodiffusion est toujours très complexe : il dépend de la structure physique de la cible, de ses dimensions, ainsi que de sa réflectivité (ou capacité intrinsèque à renvoyer de l'énergie sonore) qui dépend elle-même de l'angle d'arrivée et de la fréquence du signal. À l'écho renvoyé par la cible recherchée se superposent d'autres échos du même signal émis, renvoyés par des diffuseurs présents dans l'eau (animaux, végétaux, bulles) et aux interfaces (surface et fond de la mer), et qui vont masquer le signal utile. Ce phénomène parasite dit de réverbération est très délicat à éliminer en réception car il possède par nature des caractéristiques très semblables à celles des échos utiles.

Enfin, tout récepteur sonar est soumis à des perturbations par des bruits indésirables de causes diverses, et indépendants de l'émission (au contraire de la réverbération) : bruit ambiant de l'océan causé par l'agitation de surface, le trafic maritime, les organismes vivants, la pluie..., auxquels il faut ajouter les perturbations sonores causées par le porteur du sonar lui-même (navire ou engin sous-marin), voire le bruit de fond de l'électronique de réception.

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Pour citer l’article

Xavier LURTON, « SONAR », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/sonar/