L’histoire de l’acoustique sous-marine
Nous pouvons retrouver les toutes premières traces de l’acoustique sous-marine dans des écrits de Leonard de Vinci. Il écrivit en 1490 : «Si l’on arrête son navire et que l’on écoute à l’extrémité d’un long tube immergé dans l’eau, il est alors possible d’entendre des bateaux que l’on ne voit pas situés à de très grandes distances ».
Des siècles plus tard, en 1826, l’expérience de Colladon et Sturm sur le lac Léman a également apporté son aide au développement de l’acoustique sous-marine. En mesurant la différence de temps d’arrivée d’un éclair de lumière et du son d’une cloche de bateau sous l’eau, Daniel Colladon et Charles Strum ont mesuré pour la première fois la vitesse du son dans l’eau.
L’acoustique sous-marine moderne nait véritablement au début du XXème siècle. Certains évènements ont particulièrement motivé le développement de l’acoustique sous-marine comme le naufrage du Titanic en 1912 et les différents conflits mondiaux. Durant la Première Guerre mondiale, les U-boote allemands et leurs torpilles font des ravages dans les flottes alliées. Il est donc nécessaire de trouver rapidement une solution pour détecter ces sous-marins. Les français Paul Langevin et Constantin Chilowski ont donc mis au point le sonar actif durant la Première Guerre mondiale. La Seconde Guerre mondiale a ensuite souligné l’importance de l’acoustique sous-marine pour les applications militaires.
Depuis, les applications civiles et militaires se sont multipliées, comme l’hydrographie ou le déminage sous-marin par exemple, et ont permis de grandes avancées techniques.
Avant d’expliquer l’importance de l’acoustique sous-marine aujourd’hui, revenons sur ce terme afin d’en comprendre la signification.
Qu’est ce que l’acoustique sous-marine ?
L’acoustique sous-marine est l’étude et l’utilisation du son dans l’eau ; de la production à la réception d’ondes sonores et ultrasonores en passant par leur propagation. Ces ondes acoustiques sont des vibrations mécaniques créées par la perturbation d’un fluide et pouvant se propager à travers celui-ci. Elles se propagent très bien dans l’eau.
L’acoustique sous-marine permet d’étudier différents environnements comme les océans, mers, lacs, ou encore les réservoirs.
On peut donc dire que l’acoustique sous-marine est l’équivalent dans l’eau des ondes radar et radio dans l’air.
L’océan est un milieu extrêmement complexe pour la propagation des ondes acoustiques, il se comporte, à grande échelle, comme un guide d’ondes. La surface et le fond jouant le rôle de réflecteurs. La vitesse du son varie selon l’endroit où l’on se trouve et la période de l’année et génère des effets de réfraction des ondes sonars. Autre point très important, l’océan, n’en déplaise à Louis Malle et au Commandant Cousteau, n’est pas le monde du silence. Les ondes sismiques, les vagues, la pluie, le trafic maritime, les cétacés ou encore les crevettes sont autant de sources de bruit qui peuvent complexifier l’environnement acoustique sous-marin.
C’est ce qui fait la beauté de cette discipline mais aussi la complexité du système sonar.
Faisons maintenant un petit zoom sur le sonar, outil indispensable à la perception sous-marine.
Comment fonctionne un sonar ?
Un sonar (Sound Navigation and Ranging) permet de détecter et localiser une cible dans l’eau. Il existe deux types de sonar, les sonars passifs et les sonars actifs.
- Le sonar passif réceptionne et écoute le bruit émis par la cible.
- Le sonar actif émet un signal qui sera réfléchi ou rétrodiffusée sur la cible puis récupéré par le sonar pour l’étudier. Il est donc composé d’un système d’émission de signaux acoustiques et d’un système de réception.
Tous les sonars sont composés de transducteurs (projecteurs ou hydrophones), d’une électronique d’émission et de réception, d’une mécanique, d’un traitement du signal (extraire l’information des signaux) et d’un logiciel pour paramétrer le sonar et afficher les informations.
Le sonar est un système complexe qui doit répondre à différents défis mécaniques, acoustiques, électroniques… Par exemple, il existe une grande différence de niveaux entre les tensions d’excitation des transducteurs et les signaux reçus (facteur un milliard ! ) et le sonar doit pouvoir gérer les deux.
Aussi, au niveau mécanique, le sonar doit pouvoir fonctionner dans un environnement extrêmement sévère : corrosion, pression, tenue à l’humidité…
Il existe une multitude de sonars différents pour répondre aux besoins de diverses applications, nous pouvons les classer en trois grandes familles :
- Les sonars pour la perception de l’environnement marin, leur très grande majorité : pour la défense (sonars actifs de coque ou à immersion variable, sonars passifs, bouées sonars, sonars héliportés), l’hydrographie (sondeurs multifaisceaux, sondeurs de sédiments, sonars latéraux) ou encore la pêche (sondeurs split-beam, sonars omni).
- Les sonars pour l’aide à la navigation des engins de surface ou sous-marins : loch Doppler, systèmes de positionnement acoustique (LBL, USBL).
- Les modems pour la communication acoustique
Nous détaillerons ces différents sonars dans un prochain article mais tous doivent répondre aux enjeux de la connaissance du milieu sous-marin et la maitrise des activités humaines sous l’eau.
Pourquoi explorer l’environnement marin ?
Malgré les technologies modernes, seulement 10% des fonds marins ont été imagés à une résolution inférieure au décamètre, le reste est encore à explorer. Il faut donc améliorer la perception de l’environnement marin, c’est-à-dire développer des solutions pour détecter, mesurer et imager sous l’eau et ceci pour répondre à divers enjeux :
- Enjeux de sécurité : Les océans et mers sont des milieux à sécuriser. En effet, aujourd’hui, plus de 50% de la population mondiale vit à moins de 100km des côtes et ce chiffre pourrait monter à 75% d’ici 2035 à cause du dérèglement climatique. Aussi, 90% des échanges mondiaux de marchandise se font par voie maritime. Il est donc extrêmement important de connaitre le milieu maritime pour protéger les populations et organiser le commerce mondial en toute sécurité.
- Enjeux territoriaux : Imager les mers et océans permet de délimiter des espaces, notamment les ZEE (Zone Économique Exclusive). Ces espaces maritimes entre les eaux territoriales et les eaux internationales permettent aux États qui les détiennent de les exploiter. Ces zones sont donc souvent des espaces disputés par les États et l’acoustique sous-marine permet de les délimiter.
- Enjeux stratégiques et militaires : L’océan peut être une zone de conflits et l’acoustique sous-marine permet notamment d’apporter des solutions au déminage sous-marin, à la lutte sous la mer ou à la protection des zones côtières.
- Enjeux économiques : Les mers et océans regorgent de ressources à localiser, identifier ou encore quantifier, les ressources halieutiques et le sable marin notamment. L’acoustique permet d’apporter des solutions à leur gestion et exploitation. Pour la pêche, l’acoustique sous-marine permet à la fois d’évaluer les stocks et de sélectionner les espèces à pécher. Sélectionner les espèces permet de lutter contre la surpêche alors qu’en 2020, 34% des différents stocks de poissons étaient surexploités. Concernant le sable marin, la gestion de cette ressource est toute aussi importante car ce sable est indispensable à la fabrication de béton, et donc à la construction.
L’acoustique sous-marine est également stratégique d’un point de vue économique car elle offre des solutions de monitoring d’installations. Elle permet notamment de surveiller l’état des câbles sous-marins qui permettent un transfert de données entre les différents continents, mais aussi des pipelines utilisés pour l’acheminement d’hydrocarbures. Elle permet également de surveiller les installations sous-marines productrices d’énergie marine renouvelable ou fossile pour les sécuriser et contrôler leur état.
- Enjeux scientifiques : 90% des fonds marins restent à explorer, c’est tout autant d’espaces inconnus des scientifiques. L’acoustique sous-marine permet notamment d’observer et d’étudier le volcanisme sous-marin, les écosystèmes marins (du plancton aux cétacés), l’archéologie sous-marine ou encore l’astrophysique (ex : Laboratoire Sous-marin Provence Méditerranée)…
En plus d’améliorer la perception de l’environnement marin en permettant de détecter, mesurer et imager sous l’eau, l’acoustique sous-marine permet également de communiquer et de naviguer en milieu maritime.
L’acoustique sous-marine est un véritable domaine d’innovation car elle doit sans cesse répondre à de nouveaux défis.
Quels sont les nouveaux défis de l’acoustique sous-marine ?
Nous observons aujourd’hui deux grandes tendances auxquelles doit répondre l’acoustique sous-marine.
D’un côté, nous constatons une multiplication du nombre de plateformes autonomes à la mer et une robotisation des activités marines (AUV, ROV, towfish…). Cette tendance nécessite donc d’améliorer les performances des solutions actuelles : développer des systèmes plus intelligents, plus efficaces en énergie, plus compacts, plus autonomes…
De l’autre, les enjeux des activités marines sont de plus en plus importants, que ce soit pour l’approvisionnement en énergie (gazoducs, pipelines) ou pour la communication (câbles sous-marins). L’océan recèle également de ressources très importantes pour l’avenir comme l’énergie marine ou encore l’aquaculture.
Et PYTHEAS Technology dans tout ça ?
Nous vous parlons d’acoustique sous-marine aujourd’hui car, en plus d’être un domaine extrêmement riche et divers, c’est un secteur en quête constante d’innovation.
Son utilisation a beau avoir débuté il y a plus d’un siècle, l’acoustique sous-marine reste essentielle aux activités maritimes et de nouveaux besoins émergent en permanence.
Des matériaux électroactifs au design de l’électronique, en passant par la conception de transducteurs, PYTHEAS Technology maitrise l’ensemble de la chaîne de valeur en électroacoustique et peut accompagner ses partenaires dans le développement et l’évolution de leurs sonars, de la spécification du besoin à la production.
Vous avez un besoin spécifique sous l’eau nécessitant une expertise sonar ? Contactez-nous !
