L'acoustique au service de la recherche halieutique

Et l'histoire continue…  |  La grande évolution des sondeurs et sonars
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Et l'histoire continue…

Plus tard dans le XIXe siècle de nombreux physiciens s’intéressèrent aux problèmes de « transduction », c'est-à-dire au phénomène de conversion d’énergie électrique en énergie sonore et vice-versa. La magnétostriction, ou aptitude de certains matériaux à changer de forme quand ils sont soumis à un champ magnétique fut découverte vers 1840, découverte qui conduisit à l’invention du téléphone attribuée, dans un premier temps et après de longues procédures, en 1876 à Alexander Graham Bell, avant que soit rétablie en 2002 seulement la justice de reconnaître Antonio Meucci comme le véritable inventeur en 1860 du téléphone. Le pendant de la magnétostriction est l’effet piézo-électrique, découvert quant à lui en 1880 par Jacques et Pierre Curie. L’effet piézo-électrique est la capacité offerte par certains cristaux de charger électriquement leurs faces quand ils sont soumis à une contrainte mécanique. On avait donc avant la fin du XIXe siècle découvert deux effets qui seront utilisés pour émettre et recevoir du son dans l’eau, amenant ainsi des éléments de réponse à la question « comment voir sous l’eau ?».
La collision du Titanic avec un iceberg, la nuit du 14 au 15 avril 1912, conduisant à la perte de centaines de vies humaines, eut un formidable retentissement dans l’opinion publique et déclencha probablement une urgente nécessité de se doter de moyens de détection sous-marine. Le même mois, L. R. Richardson fit breveter en Angleterre une procédure de télémétrie acoustique puis le mois suivant un nouveau brevet du protocole permettant de détecter au moyen de leur écho la présence de grands objets immergés. Le 29 janvier 1913, R. A. Fessenden qui travaillait sur le même problème déposa aux États-Unis un brevet pour un prototype de source électroacoustique sous-marine et il réussit le 27 avril 1914 à détecter un iceberg distant de 2 miles.
Pendant ce temps en Europe le déclenchement de la première guerre mondiale mit en évidence le besoin absolu de pouvoir détecter les sous-marins militaires de l’ennemi. Le physicien français P. Langevin développa un transducteur assez puissant pour que l’onde sonore produite traverse la Seine à Paris : c’était durant l’hiver 1915-1916. Les alliés britanniques purent grâce à R. W. Boyle reproduire le même résultat en été 1916.
Un progrès majeur fut encore réalisé en 1917 par P. Langevin qui eut l’idée de construire une source sonore faite d’un sandwich de matériau piézo-électrique (quartz) entre deux plaques de métal et utilisa les tous récents amplificateurs à tube. La grande puissance de cette source sonore permettait une portée de 8 km et a permis pour la première fois en 1918 de détecter l’écho d’un sous-marin distant de 1 500 m.

Pendant l’entre-deux guerres les avancées dans le domaine de l’électronique furent très significatives et trouvèrent d’importantes applications dans le domaine de l’acoustique sous-marine, avec en particulier les amplificateurs et les systèmes de visualisation des informations des sondeurs/sonars pour les utilisateurs. Les fréquences ultrasonores permirent d’augmenter la directivité des systèmes tout en réduisant la taille des appareils.
Il fallut néanmoins attendre 1925 pour que soient commercialisés en Angleterre et aux États-Unis les « fathometers » destinés à mesurer la profondeur des océans.  En 1929, Kimura démontra qu’un sondeur pouvait détecter des poissons dans un enclos. Au début des années 30, le capitaine anglais R. Balls a utilisé un « échomètre » pour détecter les bancs de harengs en Mer du Nord. En 1935 le Norvégien O. Sund publia un article dans Nature « Echo Sounding in Fisheries Research » dans lequel il montre des échogrammes de morues concentrées dans une couche de 10 mètres au-dessus du fond. Il fut sans doute le premier à établir des cartes d’abondance de la morue et à informer les pêcheurs sur les zones et profondeurs où la morue était la plus abondante. En 1935 toujours, plusieurs types de sonars/sondeurs étaient opérationnels et en 1938, en prévision de la seconde guerre mondiale, débutèrent les premières productions de masse de sonars si bien qu’à l’entrée en guerre un grand nombre de navires américains était équipé à la fois en matériel d’écoute et de détection.
Pendant l’entre-deux guerre encore, les recherches scientifiques permirent d’aborder l’étude des phénomènes de propagation du son dans les océans. De remarquables différences dans les capacités de détection des sonars étaient observées au cours de la journée : de bons échos étaient détectés le matin alors que l’après-midi, ces échos étaient faibles, voire inexistants. Après l’invention du premier bathythermographe en 1937 par A. F. Spielhaus, il devint évident qu’une faible stratification thermique provoquait une réfraction du son vers le fond des océans avec pour conséquence d’atténuer ou de supprimer la détection des cibles qui se trouvaient alors dans une « zone d’ombre ». Durant cette période fût acquise aussi une bonne compréhension des phénomènes d’absorption du son dans l’eau, et des valeurs très précises de coefficients d’absorption furent calculées.
De chaque côté de l’Atlantique, la période de la seconde guerre mondiale fut marquée par une intense activité de recherche focalisée sur les propriétés du son dans l’eau. Ainsi aux États-Unis la « National Defense Research Committee » (NDRC) finança un grand nombre de scientifiques pour qu’ils s’intéressent à tous les aspects de la propagation du son dans l’eau. Les Américains remplacèrent le nom ASDIC par celui plus compréhensible de SONAR (SOund Navigation And Ranging). Un grand nombre des concepts actuels et des applications pratiques trouvent leurs origines à cette période.
Sachant détecter des poissons par un sondeur grâce à leurs échos, il  restait à quantifier ces échos, c'est-à-dire pouvoir estimer quelle quantité de poissons ils représentaient. Middtun et Seatersdal en 1957 proposèrent les premières tentatives d’estimation d’abondance en comptant le nombre d’échos individuels de poissons sur un échogramme en papier enregistré en Mer de Barents.  Richardson et al.  en 1959 affinèrent la méthode en prenant en compte l’amplitude de l’écho, qui est lié à la taille des poissons, qu’ils mesuraient sur un tube cathodique. Dans les années 60 plusieurs appareils de comptage automatique d’écho couplés à un sondeur furent proposés : le compteur d’impulsions (Mitson et Wood, 1961), le compteur de cycles (Dowd, 1968), et il fallut attendre 1965 pour que Dragsund et Olsen inventent l’échointégrateur qui met à profit la relation entre la densité de poissons et le carré du voltage de leur écho, technique toujours largement utilisée à notre époque.
Dans les années 80, l’échointégration devint une technique d’usage très répandu pour les évaluations de biomasses. Les sondeurs à double faisceaux (dual beam) furent mis au point aux USA par Biosonics dans le but de compléter et d’affiner les résultats de campagnes d’échointégration par des mesures in situ des index de réflexion acoustique (TS : target strength) des poissons. Les sphères standard de calibration des sondeurs firent leur apparition et des protocoles standardisés de calibration adoptés par la communauté scientifique. Simrad en Norvège mit au point la technique des faisceaux scindés (split beam) apportant en plus de la mesure de TS la possibilité de repérer précisément la position des poissons dans le faisceau acoustique et par conséquent de suivre la trajectoire de ceux-ci (tracking). Les données des sondeurs devinrent numériques et la transition entre intégrateurs analogiques et numériques devint irréversible.

Mise à l'eau d'un sondeur multi-faisceaux