L'acoustique au service de la recherche halieutique

Et l'histoire continue…  |  La grande évolution des sondeurs et sonars
Fréquence, amplitude, pression, vitesse…  |  Les sondeurs  |  Les sonars
Les sondeurs multifaisceaux halieutiques  |  Les sonars 3D et caméras acoustiques  |  Les marques acoustiques  |  L'acoustique halieutique au service de la pêche et de l'écologie aquatique  |  L'acoustique halieutique en plein essor

Fréquence, amplitude, pression, vitesse…
Tous les secrets de l'onde acoustique

Le principe de l’écho-localisation est simple : une impulsion sonore est émise dans l’eau, se propage, se réfléchit sur un objet (fond, poisson, plancton etc.), et revient sur l’émetteur. La vitesse de propagation du son étant connue, le temps écoulé entre l’émission et la réception du signal permet de calculer la distance à laquelle se situe le réflecteur. Si l’émission est directive, on obtient aussi une indication sur la direction où se situe cette cible par rapport à l’émetteur. Si l’impulsion sonore est dirigée vers le bas, un écho est reçu du fond de la mer et la profondeur d’eau sous un navire est facile à mesurer.
La manière la plus simple de produire une onde acoustique est de faire vibrer une surface alternativement d’avant en arrière. C’est ce que l’on fait en frappant sur un tambour ou sur un gong : sa surface se met en vibration, les particules d’air à son contact se mettent en mouvement et transfèrent ce mouvement aux particules voisines et ainsi de suite, puisque le milieu (air) est compressible. On a généré une onde acoustique.
Une de ses caractéristiques est sa fréquence. Lorsque l’on frappe la surface d’un gong, sa surface quitte sa position zéro pour atteindre un maximum de déformation, puis repasse par la position zéro pour atteindre un maximum de l’autre côté et repasse à nouveau par la position zéro : un nouveau cycle commence alors et ainsi de suite… Le nombre de cycles effectués par unité de temps est appelé fréquence ƒ de la vibration et il s’exprime en Hertz (Hz) qui est le nombre de cycles par secondes. La gamme des fréquences utilisées en acoustique sous-marine s’étale de 10 Hz à 1 MHz, et pour les applications halieutiques de 10 kHz à 500 kHz.
Une seconde caractéristique est son amplitude, qui est caractérisée par l’extension du déplacement de la surface du gong, autrement dit par la distance séparant ses deux positions atteintes lors des maxima de déformation. Cette amplitude est transmise de proche en proche aux particules du milieu et plus cette amplitude est grande, plus le son que l’on entend est fort. Cette amplitude représente un mouvement sur place autour d’une position d’origine, mouvement caractérisé par une vitesse particulaire. On comprend aussi intuitivement que les vibrations de la surface du gong exercent alternativement une augmentation de la pression quand la surface s’approche des particules, suivie d’une diminution de cette pression quand la surface s’en éloigne. Cette variation de pression est une autre caractéristique des ondes acoustiques, et dans la pratique c’est la grandeur la plus utilisée en acoustique sous-marine : elle s’exprime en Pascal  (1 Pa = 1 Newton par m²).
Lorsqu’un son est produit, il se propage dans toutes les directions autour de la source et forme une vague sphérique de variation de pression acoustique encore appelée onde sonore : il en résulte qu’à chaque point du milieu, la pression acoustique varie avec le temps. Au cours du temps, cette même pression se répartit sur une surface de plus en plus grande (surface d’une sphère) et à chaque instant cette pression décroît en fonction de la distance à la source sonore.
Il s’agit donc d’une atténuation de la pression par dispersion géométrique.
Autre caractéristique importante, la vitesse à laquelle l’onde acoustique se propage dans le milieu ou célérité « C ». Elle ne dépend ni de l’amplitude, ni de la fréquence du son mais est uniquement imposée par les caractéristiques mécaniques du milieu de propagation, en particulier sa densité nop et son module d’élasticité k (ou inverse de la compressibilité).
À titre d’illustration, la vitesse de propagation du son dans l’air est d’environ 340 m/s, dans l’eau de mer d’environ 1500 m/s, dans les sédiments de 1500 à 2500 m/s, et dans l’acier de 5000 à 6000 m/s.
La densité d’un milieu n’étant pas constante mais variant entre autres avec la température, on peut en déduire que la célérité du son dépend aussi de ce paramètre.
En fait, si l’on cherche plus de précision, il faut aussi prendre en considération que si la célérité du son dans l’eau de mer augmente avec la température, elle augmente aussi avec la salinité et la pression, ce qui signifie que la célérité change avec la période de la journée, les saisons, la profondeur, la proximité géographique d’embouchures de fleuves, etc.
Les milieux transmetteurs ne sont jamais acoustiquement parfait et l’on doit faire face, en plus de l’atténuation par dispersion géométrique à de l’absorption moléculaire.
La conséquence directe de ce phénomène est que plus la fréquence acoustique utilisée est élevée, moins la portée sera grande. Ainsi à titre purement indicatif, on peut grossièrement estimer que dans de bonnes conditions de propagation en eau de mer, un sondeur de 12 kHz aura une portée maximale voisine de 8 km, un sondeur de 38 kHz une portée voisine de 1000 m, un sondeur de 120 kHz une portée voisine de 200 m.
Pour une détection à la plus grande distance possible, il faut choisir une fréquence basse, un grand transducteur (concentration de l’énergie dans un petit faisceau), et une grande puissance d’émission.
D’autres pertes d’énergie, plus aléatoires et difficiles à prendre en compte sont les pertes liées à la présence de bulles d’air dans l’eau de mer. Ces bulles sont générées de manière naturelle dans le milieu par les vagues et l’activité biologique ou générées par l’activité humaine (sillage de bateaux, etc.). Rarement ces pertes sont prises en considération dans les calculs d’abondance d’organismes marins du fait de leur caractère imprévisible. Elles peuvent cependant atténuer considérablement le signal, voire le masquer totalement…

Sonar multifréquences de l'IRD
schéma de pression acoustique
schéma de détection des poissons
Bases acoustiques : installation mobile sur un navire d'opportunité
Le système est basculé en position verticale
Agrégation de thons et de couches de zooplancton à trois fréquences