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Grand Oral Physique : La furtivité des sous-marins : Une partie de cache-cache pour une question de survie !

Publié le 10/05/2024

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« Grand Oral Physique : La furtivité des sous-marins : Une partie de cache-cache pour une question de survie ! Les océans occupent 70% de la surface de la terre appelée pour cette raison : la planète bleue… il doit donc être facile de s’y cacher d’autant plus que les ondes lumineuses sont rapidement arrêtées par les milieux liquides (l’intensité lumineuse décroît de façon exponentielle avec la profondeur)…à condition de ne pas faire de bruit ..

! C’est ce qu’on appelle la furtivité. En effet contrairement aux ondes lumineuses les ondes sonores voyagent très bien dans l’eau, environ 5 fois plus vite que dans l’air. Dans la mer la vitesse de propagation des ondes sonores (V) est fonction de nombreux paramètres : la température, la pression et la salinité. Il existe 2 types de détection sous-marine basés sur la propagation du son : le sonar actif (A) et le sonar passif (B) comme illustré ci-dessous : Dans le cas où le sonar est sous la forme d’une antenne linéaire remorquée on l’appelle couramment une « flûte ». Le sonar actif sous la forme d’un sonar de coque ou d’un sonar remorqué par un navire de surface ou un hélicoptère envoie un signal sonore et détermine la distance à laquelle se situe le sous-marin à partir du temps (∆t) mesuré pour recevoir l’écho suivant la relation : 𝑑=𝑉. ∆𝑡 2 L’intensité sonore I reçue en un point M, situé à une distance R d’une source acoustique représentée ici par le sonar actif, est liée à la puissance acoustique (P) de la source par la relation : 𝐼= 𝑃 4𝜋𝑅 Et le niveau sonore (L) reçu en ce point est donné par la relation : 𝐿 = 10𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝐼𝑜 où Io est le seuil d’audibilité dans l’eau. En fait l’eau absorbe une partie de l’énergie de l’onde sonore et le niveau sonore subit une perte supplémentaire en dB égale à αR où α est un coefficient d’absorption fonction de la fréquence de l’onde. D’où la relation finale : 𝐿 = 10.

𝑙𝑜𝑔 𝑃/4𝜋𝑅 − 𝛼𝑅 𝐼𝑜 Pour que le signal soit réfléchi et non diffracté il faut que la fréquence du signal émis corresponde à une longueur d’onde (ƛ) nettement inférieure (facteur 10) à celle de l’objet visé (a) par le sonar l’angle de diffraction étant donné par la relation : 𝜃= 𝜆 𝑎 La relation liant la longueur d’onde et la fréquence étant : 𝑓= 𝑉 𝜆 et les dimensions du nouveau sous-marin Français le Suffren étant d’environ 100 m de long et 10 m de diamètre on a donc la condition suivante sur la fréquence d’émission du sonar actif : 𝑓 > 10. 𝑉 1500 = 10. = 1500 𝐻𝑧 𝑎 10 La plage de fréquences des sonars actifs est généralement comprise entre 3 et 10 kHz. A partir de la mesure du décalage (∆f) dans la fréquence du signal reçu le sonar actif peut également déterminer la vitesse de déplacement (v) du sous-marin suivant la loi de Doppler-Fizeau : 𝑣= 𝑉 ∆𝑓 2𝑓𝑐𝑜𝑠𝛼 où :    V est la vitesse de propagation du son dans l’eau f est la fréquence du signal émis par le sonar actif.... »

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