FR2520881A1 - Procede et dispositif de detection de la direction d'un son - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DE LA DIRECTION D'UN SON. UNE ENVELOPPE MINCE 1 A SECTION DROITE CIRCULAIRE FLECHIT SOUS L'ACTION DU SON INCIDENT A. LES AXES DE CES DEFORMATIONS SONT DECELES PAR DES CAPTEURS 21, 22, DONT LES SIGNAUX SONT ANALYSES DANS UN APPAREILLAGE 30 DE TRAITEMENT 31 DE SIGNAUX AVEC AFFICHAGE 32 DE LA DIRECTION DU SON DETERMINEE PAR RAPPORT A UN REPERE 12, 13. APPLICATION NOTAMMENT DANS LES FORAGES PETROLIERS POUR GUIDER UN OUTIL DE FORAGE.

Description

La présente invention se rapporte à ladl Iee-

tion de la direction d'o provient un son.

Les dispositifs proposés jusqu'à présent pour déceler la direction d'o provient un son font appel à des réflecteurs ou des déflecteurs, tels que des pavillons ou des miroirs paraboliques, pour diminuer l'angle de champ d'un microphone La direction dans laquelle le dispositif est orienté de manière à capter le son avec l'intensité maximale

indique la direction d'o ce son provient D'autres disposi-

tifs recourent à des techniques analogues à l'interférométrie utilisée pour les ondes électromagnétiques et comparent des phases pour obtenir une estimation de la direction Mais ces dispositifs sont en général volumineux pour être précis, parce

quela longueur des ondes sonores est de l'ordre du mètre.

La présente invention concerne un dispositif amélioré, grâce auquel il est possible de déterminer la

direction d'un son.

Un dispositif selon l'invention, destiné à déceler la direction d'un son qui se propage dans un milieu, comprend

un boîtier protecteur perméable au son, entourant une struc-

ture consistant en une enveloppe mince présentant une forme à symétrie circulaire, qui est destinée à fléchir sous l'effet de l'énergie sonore qui lui parvient de ce milieu et qui fait

varier sa forme, ainsi que des éléments qui décèlent ces modi-

fications de forme et indiquent de cette manière la direction

d(u son incident.

L'enveloppe a convenablement une forme hémisphéri-

que, cylindrique ou conique, et une ouverture circulaire.

C'est avantageusement la déformation de cette ouverture circu-

laire qui est décelée Le cylindre peut avoir une longueur inférieure à son diamètre et former un anneau Le bottier

et l'enveloppe peuvent être symétriques, et présenter notam-

ment, chacun, une symétrie circulaire.

Les éléments qui décèlent la variation de la forme peuvent être des flexomètres, qui peuvent être électriques, par exemple du type à semiconducteur, ou optiques, sensibles

aux rides de la surface de l'enveloppe.

Le dispositif peut comporter des appareils

sensibles à la variation de forme décelée de manière à iden-

tifier l'axe ou les axes de cette déformation et celui des axes

transversaux de l'enveloppe sur lequel l'amplitude du déplace-

ment vers l'extérieur est maximale, ce qui indique la

direction du son incident.

L'enveloppe est sensible à une composante de gradient de différence de pressions d'une onde et sa vibration de flexion a la même phase dans l'espace que ce gradient, avec certaines limites en pratique L'identité de phase de la vibration et de la composante de l'énergie incidente permet d'identifier la direction du son par sa coincidence, soit avec l'axe du maximum extérieur, dont l'orientation peut être indiquée par rapport à un point connu de l'enveloppe, soit

par rapport à cet axe.

Une utilisation importante du dispositif consiste à déterminer la direction d'une source sonore souterraine, telle qu'un trépan de forage de puits de pétrole ou un outil analogue Le dispositif, qui de préférence est lui-même plongé dans un sondage adjacent, peut indiquer la direction d'un trépan d'après le bruit que celui-ci fait et permet ainsi de tracer l'axe du trou foré et, si nécessaire, de lui faire suivre le trajet désiré Le dispositif peut aussi être utilisé pour trouver la direction d'autres bruits souterrains, y compris les bruits naturels provoqués par des mouvements de terrain. Le dispositif peut encore être utilisé dans le trou en cours de forage, mais à une certaine distance derrière

le trépan.

Il est possible d'utiliser plus d'un dispositif

et de combiner leurs indications pour obtenir des renseigne-

ments de position plus précis Pour obtenir des renseignements en trois dimensions sur la direction du son, on utilise deux

enveloppes ou plus et on met leurs indications en corrélation.

Dans une forme de réalisation du dispositif, la

structure est un corps de laiton en forme d'enveloppe cylin-

drique, conique, hémisphérique ou autre forme à symétrie circulaire, soutenu par une suspension qui ne gêne pas sa flexion de manière appréciable Ce corps est avantageusement une enveloppe hémisphérique ou un cône soutenu par son pôle, ou par son sommet si c'est un cône, de manière qu'il puisse fléchir Dans un exemple, c'est un hémisphère usiné dans du laiton, ayant un diamètre d'environ 100 mm et une épaisseur qui décroît, de 1 mm au bord à 0,7 mm à la latitude 450 C. L'épaisseur de l'enveloppe péut représenter de 1/50 e à 1/100 e du diamètre de celle-ci Cette enveloppe peut être entourée

d'un fluide de liaison acoustique.

Il est possible d'utiliser d'autres matières que le laiton et de les choisir en tenant compte de l'intensité et du spectre de fréquences du son, ainsi que de la matière

ou du milieu dans lesquels ce son se propage.

L'invention sera décrite de manière plus détaillée à propos d'exemples nullement limitatifs et en regard des dessins annexés, sur lesquels

la figure 1 représente schématiquement une struc-

ture en forme d'enveloppe hémisphérique, pouvant se déformer sous l'effet de l'énergie d'un son incident; la figure 2 est un diagramme polaire de l'amplitude de vibration de flexion pour un angle d'incidence donné de l'énergie sonore sur une ouverture circulaire, par exemple celle de la structure de la figure 1; la figure 3 représente un procédé holographique de détection de la vibration d'une structure telle que celle de la figure 1, procédé utilisable pour essayer et vérifier les enveloppes; la figure 4 représente un agencement destiné à contrôler la direction d'un trou de sondage pendant qu'il est foré; et

la figure 5 représente un autre montage de traite-

ment des signaux des flexomètres.

Sur la figure 1, la référence 1 désigne une enve-

loppe hémisphérique en laiton de quelques centimètres de diamètre, épaisse d'environ 1 mm Un bras 10 de support ou de montage va du pôle (non visible) de cette enveloppe 1 à

un support approprié En fixant le bras au pôle de l'hémis-

phère, il faut prendre grand soin d'éviter toute déformation ou contrainte de l'enveloppe susceptible de fausser le mode de vibration D'autres supports, un câble de suspension par exemple, peuvent être utilisés lorsque cela est approprié. Des flexomètres 21, 22, jauges de contrainte ou capteurs sont fixés à la surface extérieure Il de l'enveloppe 1 Il peut être commode d'en répartir un certain nombre sur cette surface 11 Un repère 12 indique le zéro arbitraire pour les mesures faites au moyen de l'enveloppe, et décrites plus loin Les flexomètres peuvent avantageusement être placés sur la surface intérieure de l'hémisphère et peuvent être beaucoup plus nombreux Il peut y en avoir au moins 8 ou 16 et ils donnent alors plus d'informations pour traiter leurs

signaux.

Les sorties des flexomètres sont reliées à un

appareil 30 de traitement des signaux et d'affichage.

La flèche A indique une onde d'énergie sonore qui arrive sous un angle O sur le diamètre 13 de l'ouverture de

l'enveloppe passant par le repère 12.

L'action et le fonctionnement du dispositif sont les suivants Une enveloppe à section droite circulaire, telle que l'extrémité d'un cylindre ou d'un anneau, ou l'embouchure d'un c 8 ne ou d'un hémisphère, est capable de vibrer selon plusieurs modes Avec les enveloppes de quelques centimètres de diamètre, épaisses d'un millimètre environ, la fréquence de ces vibrations est comprise dans la bande de 100 à 000 Hz L'un des modes est le mode de vibration de pulsation, dans lequel la périphérie de la section circulaire se dilate et se contracte en conservant sa forme circulaire Ce mode, généralement à haute fréquence et faible amplitude, ne sera pas considéré plus en détail ici Un mode important est le

mode de vibration de flexion, dans lequel la forme de la péri-

phérie est modifiée transversalement et passe typiquement à une forme à peu près elliptique Bien que la courbure de cette périphérie soit modifiée, sa longueur ne l'est presque pas. Une onde incidente d'énergie sonore peut faire

osciller l'enveloppe en la faisant vibrer à la fois par pulsa-

tion et par flexion Selon une caractéristique importante de l'invention, dans le mode de vibration de flexion l'oscil- lation de l'enveloppe est fonction de la direction d'incidence

de l'onde d'énergie sonore; (une enveloppe peut être consi-

dérée comme composée d'un ou plusieurs anneaux élémentaires).

La figure 2 est un diagramme polaire de l'amplitude de vibration transversale dans le mode de vibration de flexion au second harmonique et montre son rapport avec la direction d'incidence de l'onde d'énergie sonore Lorsque l'enveloppe est mise en vibration de flexion au second harmonique, il existe quatre ventres équidistants et le diamètre de cette enveloppe qui passe par une paire de ces ventres correspond à la direction de la source sonore, le diamètre qui passe par les deux autres ventres étant perpendiculaire au premier Sur la figure 2, et la figure 1, la source est supposée être dans le plan de l'ouverture de l'enveloppe, sous un angle 0 par

rapport au repère 12 de cette enveloppe, de sorte que, à par-

tir des signaux émis par les flexomètres 21, 22, il est possible de déterminer l'orientation des axes des ventres

par rapport à ce repère Il peut ne pas être possible de déter-

miner laquelle des quatre directions orthogonales représente la source, si bien qu'il peut être nécessaire d'avoir d'autres

renseignements pour le faire.

La vibration de flexion considérée ici est définie par l'équation l r = R + vcos 20 ( 1) o 0 est l'angle fait par le rayon déformé v et R est le rayon non déformé de la section droite de l'enveloppe La contrainte

-4 -5

est comprise typiquement entre 10 et 10, de sorte que l'amplitude v est typiquement de l'ordre d'une longueur d'onde

de lumière visible.

L'équation 2 P = PO cos (kx U\t) ( 2) représente la propagation d'une onde acoustique plane dans un milieu transmetteur P est l'amplitude de compression et x une coordonnée dans le sens de cette propagation La

fréquence sonore est W (en radians par seconde) et la cons-

tante de longueur d'onde k est d'environ 5 m-l dans l'air et 0,5 m l dans un solide, les longueurs d'onde étant exprimées

en mètres.

Si l'on prend comme origine de la coordonnée x le centre de la face circulaire de l'enveloppe, comme rayon R et si la direction de propagation se trouve à 0 = O l'équation 3 x = R cos 0 ( 3)

donne la valeur de x dans le plan de cette face circulaire.

Introduite dans l'équation 2, cette équation 3 donne l'équa-

tion 4

2 2

P P Pcos uit + P k Rcos 0 sin Ut 2 Pp (k R) cos O cos wt ( 4)

en supposant que k R est bien inférieur à 1, c'est-à-dire beau-

coup plus petit que la longueur d'onde sonore, et en négligeant les termes de troisième ordre dans k R. Le premier terme de l'équation 4 se rapporte à l'action exercée par l'onde pour produire la vibration de pulsation, mode dans lequel toute l'enveloppe est dilatée et comprimée Le second terme est relatif à l'action que

l'onde exerce pour déplacer chaque anneau élémentaire de l'en-

veloppe dans son propre plan sans modifier la forme de chaque élément Le facteur R est un facteur de liaison avec chacun des modes de vibration résultants de l'enveloppe La sélection a ainsi lieu par résonance Le troisième terme est celui qui

se rapporte à la vibration transversale de flexion et repré-

sente un faible gradient de différence de pressions, propor-

tionnel à R 2 d 2 P Le facteur cos 2 O peut être écrit 1 + cos 20 2, ce qui montre une dépendance à l'angle 0 égale à celle du terme de vibration transversale de flexion de l'équation 1 En plus de ce mode fondamental, il en existe beaucoup d'autres, ayant chacun une fréquence caractéristique

et une dépendance à R Ici,R 2 représente la liaison, la sélec-

tion ayant encore lieu par résonance La réponse dynamique de la vibration de flexion est utilisée pour la recherche de la direction La force exercée effectivement par l'onde pour créer cette vibration de flexion peut être représentée par f cos 20, et elle a une phase identique à l'amplitude (r-R) qui, d'après l'équation 1, est v cos 20 Cela signifie que les ventres pour lesquels 0 = 0, 0 = i, se trouvent

dans le sens de la propagation du son Cela exprime le prin-

cipe'directionnel de la réponse par "résonance de phase dans l'espace"

et correspond à: 1/2 Po(k R) cos 20 f cos 20 (équation 5).

La réponse par "résonance de phase dans l'espace" donne donc des renseignements directionnels, bien qu'avec une ambig ité qu'il est aisé de lever, sur l'énergie sonore qui parvient à la structure Cette structure a la forme d'une enveloppe symétrique qui peut être par exemple, entre autres, un cylindre, un anneau, un c One ou un hémisphère, pour

l'analyse ci-dessus.

Dans la pratique, la coïncidence indiquée peut être faussée par un déséquilibre de la structure et par le support nécessaire pour soutenir l'enveloppe Il est cependant possible d'obtenir des résultats utiles avec les dispositifs

pratiques.

Comme le montre la figure 3, des hologrammes corres-

pondant à des valeurs moyennes dans un certain intervalle

de temps ont été utilisés pour éviter les difficultés éprou-

vées avec les flexomètres, et ils donnent nettement la position des ventres, bien que l'amplitude de vibration ne

soit que d'une longueur d'onde environ de lumière visible.

Le résonateur 44 est mis en vibration par un son provenant

de la source 41 et est éclairé par la lumière d'un laser 48.

Le rayon de ce laser est subdivisé en un rayon objet et un rayon de référence par un miroir semi-argenté 49 Le rayon objet frappe un miroir 43 et, par l'intermédiaire d'une lentille divergente 42, il éclaire le résonateur annulaire 44, dont la surface vibrante réfléchit la lumière sur une plaque photographique 45 Le rayon de référence est aussi rendu divergent par une lentille 47 et renvoyé sur la plaque par un miroir 46 Les interférences entre les faisceaux

sont enregistrées sur la plaque 45 et un hologramme reconsti-

tué montre des franges sombres, sur lesquelles la vibration est supérieure à environ un quart de longueur d'onde, et

il indique donc l'orientation des ventres du résonateur annu-

laire Le montage représenté est destiné à être utilisé comme appareil d'essai pendant la conception et la fabrication.

Mais il est clair que des dispositifs basés sur des techni-

ques optiques, telles que l'holographie ou sur l'examen de

la texture de surface, tels que les réseaux optiques appli-

qués ou gravés, peuvent aussi être utilisés de la même manière que les flexomètres pour des mesures de direction

sur le site.

L'enveloppe hémisphérique décrite en regard de la figure 1 est une structure à symétrie circulaire par rapport à un axe et elle présente donc à son extrémité (embouchure) des propriétés très semblables à celles d'un anneau. On va maintenant décrire en détail, à titre

d'exemple, une forme de réalisation de l'invention Une enve-

loppe en laiton, de 98 + 0,1 mm de diamètre, est usinée au tour dans un bloc massif L'épaisseur de cette enveloppe diminue, de 1 + 0,01 mm au bord à 0,7 + 0,2 mm à la latitude -450 L'enveloppe est tenue par une longue tige de laiton

passant dans un petit trou de son pôle ou sommet.

Pour déterminer la direction incidente d'après la vibration de flexion de l'enveloppe, il faut mesurer l'amplitude des vibrations en au moins deux points situés à la même latitude Dans le mode de vibration dans lequel la constante du mode, m, est égale à 2, les axes des noeuds et des ventres sont à 45 les uns des autres Il faut par conséquent deux flexomètres écartés de 45 dans le dispositif

de détection des vibrations le plus simple.

Le type de flexomètres ou jauges de contrainte doit être choisi avec soin Ces flexomètres ne doivent pas

charger trop l'enveloppe par eux-mêmes ou par leur fixation.

et les conducteurs de connexion doivent être aussi légers que possible En particulier, il faut que ces conducteurs "captent" aussi peu que possible les bruits Des flexunètres à faible impédance ont donné de meilleurs résultats que les types à forte impédance C'est ainsi qu'il a été constaté que les flexomètres à semi-conducteur conviennent mieux que ceux au

difluorure de polyvinyle.

Les jauges ou capteurs sont fixées par une colle

telle que-la colle "Durafix" (marque enregistrée) Pour dimi-

nuer la charge, elles n'ont que 1 mm de longueur et une masse

inférieure à 1 mg De petites jauges améliorent aussi la réso-

lution. Un petit haut-parleur (de 85 mm de diamètre) a été placé à environ 150 mm de l'enveloppe suspendue et a été alimenté sous 100 mw (énergie électrique à l'entrée) Des

sources sonores collimatées, placées à une plus grande dis-

tance dans l'enveloppe, ont aussi été utilisées et ont donné des résultats semblables à ceux du haut-parleur Cela a montré qu'une source constituée par un haut-parleur est appropriée, bien que l'analyse ci- dessus se rapporte à une onde plane se propageant parallèlement au plan de l'embouchure de l'hémisphère Bien que l'enveloppe ait environ 10 cm de diamètre, les flexomètres et leurs conducteurs ont créé des

difficultés quand ils y ont été fixés.

Il a été constaté que la fréquence fondamentale de résonance de l'enveloppe, dans le mode de vibration de flexion, était égale à 241,0 Hz, par excitation au moyen d'un

oscillateur dont la fréquence variait de 0,08 Hz/min La vibra-

tion de flexion était subdivisée en composantes séparées de moins de 0,1 Hz, en raison de faibles défauts de symétrie de l'enveloppe-résonateur Le facteur Q de l'enveloppe, dans l'air, était égal à 4000 et c'est pour cette raison qu'il

a fallu modififer lentement la fréquence de l'oscillateur.

Il n'est pas nécessaire que l'enveloppe présente une épaisseur qui diminue, mais il était plus facile de la façonner à cette forme Cette épaisseur pourrait aussi être plus grande et

atteindre par exemple 3 mm pqur un diamètre de 100 mm.

Les signaux qui proviennent des capteurs 21, 22 sont amenés par des conducteurs 25 en fil métallique aussi fin que possible, non gainés pour diminuer leur poids, à un

amplificateur à filtre 31 approprié Il est possible d'uti-

liser un préamplificateur sur le support de l'enveloppe Il faut veiller à éviter tout couplage électrique ou mécanique indésirable dans le dispositif Les signaux amplifiés sont envoyés à un filtre passe-bande de l'appareil 31, à bande passante de 100 à 1000 Hz, puis affichés sur un enregistreur

32 sur cartes ou bandes.

La conformation des flexomètres est très importante en raison de l'action qu'ils peuvent avoir sur la vibration de l'enveloppe Pour éviter le supplément de masse localisé d'un flexomètre collé, il est possible d'appliquer directement par vaporisation les capteurs sur cette enveloppe Un enduit

isolant, par exemple un oxyde de silicium, est d'abord appli-

qué sur la surface de l'enveloppe, puis le métal, semi-conduc-

teur ou autre matière du flexomètre est appliqué sur cet enduit Les connexions peuvent aussi être établies par des conducteurs déposés sur l'enduit isolant ou bien l'enveloppe peut constituer elle-même un conducteur, la connexion étant

faite à travers cet enduit isolant ou autour de lui.

Il est évident que d'autres modes d'affichage sont possibles dans des utilisations diverses du dispositif et que les signaux peuvent être traités de la manière voulue

pour ces modes d'affichage.

La figure 5 représente les détails d'un système de traitement et d'affichage du dispositif, dans lequel "n" flexomètres sont utilisés Le traitement est basé sur la méthode d'ajustement de la courbe, de façon à identifier la

direction du son incident en relevant le diagramme de vibra-

tion réel de l'enveloppe et en le comparant à un témoin, composé soit de diagrammes distincts représentant différentes orientations de cette direction, soit d'un diagramme qu'il est possible de faire varier pratiquement en continu et qui

fournit une variation pratiquement continue de cette orienta-

tion, afin d'identifier cette direction incidente comme étant celle dans laquelle les diagrammes réel et témoin s'ajustent le mieux Les méthodes d'ajustement de courbe sont connues

et ne seront pas décrites de façon plus détaillée.

il Sur la figure, les flexomètres émettent huit signaux, mais "n" peut être supérieur ou inférieur à huit, suivant la précision voulue et les frais admissibles pour le traitement de ces signaux Lesdits signaux sont appliqués sur les bornes d'entrée individuelles I à In (ils peuvent avoir déjà passé dans un préamplificateur) Chaque borne

d'entrée fait partie d'une voie d'un système multiplex.

Chacune des N voies comporte Un amplificateur A, un filtre

passe-bande F et un redresseur R, identifiés par des indices.

Les signaux provenant de l'amplificateur A sont envoyés au filtre F, qui a une bande passante d'environ 30 Hz, centrée

sur 100 Hz Cette bande passante permet au circuit de traite-

ment de déceler les variations de la fréquence de résonance de l'enveloppe Les signaux filtrés sont redressés et injectés dans un système multiplex TMPX à partage dans le temps Ces signaux sont encore sous la forme analogique AN Comme il est plus commode de comparer des signaux sous formenumérique,

ceux qui sortent du système multiplex sont envoyés à un conver-

tisseur analogique-numérique A/D Un signal de synchronisation

TS est aussi appliqué à ce système multiplex et à ce conver-

tisseur, de façon à maintenir le synchronisme Le convertis-

seur A/D émet donc une série répartie dans le temps de nombres

digitaux DN, dans le cas présent des groupes de huit, repré-

sentant l'amplitude de la vibration tout autour de l'enveloppe.

Dans l'appareil CF d'ajustement de la courbe, ces nombres sont comparés à des groupes de nombres représentant une direction connue d'incidence du son, de façon à produire pour

cette direction une valeur correspondant au meilleur ajuste-

ment Cette valeur est le signal de direction DS et elle apparait sur un appareil d'affichage DISP approprié Il est évident qu'il faut une direction repère Ce peut être par

exemple la position du flexomètre de la voie 1.

Un procédé d'obtention de la valeur consiste à additionner la valeur moyenne de plusieurs nombres dans chaque voie et à ajuster les valeurs de toutes les voies par la

méthode des moindres carrés.

L'ajustement de la courbe est fait commodément par un microprocesseur ou système analogue, de façon à fournir

le renseignement rapidement et commodément.

Comme indiqué plus haut, bien qu'en théorie le mode de vibration de flexion soit "attaché" à la direction de l'onde d'énergie sonore incidente, en pratique les imper- fections du résonateur peuvent le charger et donc "fixer" la position de ce mode L'imperfection peut provenir d'un

ou plusieurs des organes de montage du résonateur, de l'adjonc-

tion des capteurs et de défauts de ce résonateur lui-même.

Il est possible d'utiliser d'autres fréquences La bande pas-

sante peut s'étendre sur 20 ou 40 Hz, son milieu se trouvant dans une bande comprise entre moins de 100 Hz et plus de Hz Un filtre passe-bande de 30 Hz centré sur 140 Hz a

aussi été utilisé.

' Les vibrations d'une enveloppe libre comportent plusieurs modes identifiés par les termes cos m O et sin m O, m étant égal à 1, 2, 3 Pour m = 2, les axes des noeuds sont à 45 et, si l'angle d'incidence de l'onde sonore est 0 = 0, sur une enveloppe non chargée, c'est le mode pair, cosinus, qui est'produit, tandis que le mode impair, sinus, dégénère. Si l'enveloppe est déséquilibrée par une charge

de l'un ou l'autre des genres précités, cela a trois consé-

quences 1 la dégénérescence pair/impair est supprimée et il y a séparation de résonance; 2 les axes des noeuds sont fixes par rapport à l'asymétrie due à la charge 3 les deux modes, pair et impair, peuvent tous

deux être créés, en fonction du facteur Q et de l'orientation.

Afin de montrer que, malgré la fixation due à la charge, il est possible d'obtenir une mesure précise, le résonateur qui vient d'être

décrit a été volontairement alourdi La f ixation provoquée par cette sur-

charge détermine maintenant l'orientation du mode de vibration de flexion si bien qu'elle ne dépend pas de l'angle d'incidence du sorn Pour s'adapter à cette situation, l'orientation des ventres, déterminée par la fixation

sous charge, est prise comme repère pour mesurer la direction du son.

L'angle 0 reste ainsi l'angle compris entre le ventre de vibration transversale (qui est maintenant le résultat de cette fixation) et le repère arbitraire 12 sur l'enveloppe, par exemple le capteur 21 L'angle d'incidence de l'onde sonore est alors représenté par d, mesuré sinistrorsum à partir de la direction de fixation /l'angle compris entre

le repère 12 et la direction du son est donc ( O -c)_ 7.

Une charge faible, mais assez forte pour masquer toute charge

intrinsèque inconnue, a été placée sur le capteur 22, c'est-

à-dire à O = 45 ' Cette charge était une masse de 55 mg On a fait varier la direction du son et on a noté la valeur des signaux produits par les capteurs 21 et 22 On a calculé de la manière décrite plus haut les valeurs estimées des signaux pour diverses valeurs de O La direction indiquée par le dispositif a été celle pour laquelle les valeurs calculées correspondaient le mieux aux valeurs observées Le tableau I donne la comparaison entre les directions réelles et celles

qui ont été indiquées.

TABLEAU I

On a fait un essai semblable avec une charge dis-

posée à O = 22,5 , c'est-à-dire à mi-chemin entre les capteurs

21 et 22 et les résultats sont indiqués sur le tableau II.

TABLEAU II

d" O db Direction

22,50 22,50 12,5 22,5 ' O 22,5 -12,5 22,5 '

réelle 24 23 12 24 -1,5 24 9 23 Les équations a = f cos 2 cos ( Vt + 6 ' ( 6) et f L Q,2 _U 22 + (y Q)2 l 1/2 b = f sin 2 c cos ( 4 t + ") ( 7 l( ",2 _ 2)2 + (y )2311/2 Direction U O O O O O réelle 450 450 35 45 22,50 45 O 45 indiquée 430 49 33,5 49 19 49 1 49 _ montrent l'effet de la prise en compte de l'angle tc< (mesuré

sinistrorsum) et celui de l'existence de modes pair et impair.

Pour des valeurs faibles de la modification relative g de la masse, les amplitudes en fonction du temps de la vibration libre de second harmonique pair et impair sont désignées par a et b et elles peuvent être exprimées comme l'indiquent ces équations 6 et 7 Dans celles-ci, la fréquence de vibration Jf L est subdivisée en deux composantesf> ' et S> ", Y est un coefficient d'amortissement et S ', S " sont les angles

de phase La différence entre _ ' et -fi " est proprotion-

nelle à g et, dans l'exemple décrit, elle était égale à envi-

ron 0,1 Hz. L'équation u ( 0) = a cos 20 + b sin 20 ( 8) représente la base de calcul

de la valeur estimée u des signaux de sortie des capteurs, avec utilisation des coefficients

a et b définis ci-dessus Ces calculs donnent la base de compa-

raison précitée.

Les tableaux I et II montrent qu'il est possible d'arriver à une précision d'ensemble d'environ 2 , même avec

le dispositif expérimental décrit.

La figure 4 montre l'utilisation d'une forme de réalisation de l'invention pour déceler la direction du bruit émis par un trépan ou outil analogue creusant un trou de sonde dans le sol, de façon à contrôler le déplacement de ce trépan

et donc la direction du sondage.

La représentation schématique du trépan et du trou

de sonde qu'il s'agit de contrôler est désignée par la réfé-

rence 50, et 51 désigne les ondes sonores qui sont propagées dans le solenvironnant 52 et qui proviennent du bruit fait

par ce trépan en creusant le sol Le dispositif selon l'inven-

tion, destiné à déceler la direction de ce bruit, est désigné

dans son ensemble par 60.

Le dispositif 60 est introduit dans un trou de sonde 59 adjacent à celui qui est creusé par le trépan ( 50)

qu'il s'agit de contrôler Ce trou 59 peut comporter un cuve-

lage classique et il est mis en contact avec le sol environ-

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nant 52 par maçonnage extérieur ou travail analogue, si néces-

saire Il est rempli de boue de forage 53 ou matière analogue, au moins autour du dispositif 60, de manière à établir entre ce dernier et le sol 52 une liaison acoustique de propagation des ondes sonores 51 Le dispositif 60 est suspendu à un support approprié 54, dans lequel passe un câble 55 comportant

des conducteurs électriques et relié à ce dispositif Celui-

ci est centré dans le trou de sonde 59 par des entretoises 56,57, qui sont avantageusement des croisillons à trois bras venant en contact avec la paroi de ce trou 59 de manière à

y centrer ledit dispositif 60 Si cela est nécessaire, l'agen-

cement des entretoises peut être commandé de la surface du sol par des dispositifs électriques, hydrauliques ou autres

(non représentés).

Le dispositif 60 comporte un bottier robuste 62, destiné à protéger l'enveloppe 61 et le système électronique

58 et qui contient un fluide 63 de liaison acoustique, élec-

triquement isolant, dans lequel cette enveloppe 61 est plongée.

(Ce fluide est électriquement isolant afin de ne pas perturber le fonctionnement des flexomètres) Le boîtier protecteur 62 est capable de résister à la compression et présente une

symétrie circulaire correspondant à celle de l'enveloppe.

L'enveloppe 61 et le système électronique 58 sont conformés de la manière décrite plus haut Le signal de sortie de ce système est commodément le signal numérique désigné par DN sur la figure 5, de manière à résister au brouillage et à l'affaiblissement pendant qu'il est transmis le long du câble 55. Bien qu'une seule enveloppe 61 soit représentée sur la figure 4, il est possible d'en utiliser plus d'une,

et elles peuvent être disposées de manière à donner des rensei-

gnements dans plus d'un plan d'incidence de l'onde sonore.

C'est ainsi que trois enveloppes, disposées sur des axes ortho-

gonaux, peuvent donner des renseignements qui permettent de trouver la direction du bruit dans les trois dimensions de l'espace Les procédés de résolution destinés à obtenir ce

* résultat sont évidents et ne seront pas décrits.

Il est bien entendu important que l'enveloppe 61 soit reliée à l'onde sonore 51 pour que le dispositif fonctionne efficacement Il est supposé qu'une réduction

éventuelle de l'amplitude de réponse provoquée par la réso-

nance d'amortissement du fluide isolant est compensée par la meilleure liaison réalisée entre les milieux liquide et solide. Le dispositif estcapable d'indiquer avec une très grande précision, la direction d'une source sonore, et il a été constaté qu'il agit efficacement avec des milieux de liaison autres que de l'air Il fonctionne de manière efficace lorsqu'il est introduit dans un trou de sonde, qui peut être lui-même dans le fond de la mer ou submergé, pour indiquer la direction d'un bruit souterrain, par exemple le bruit d'un

trépan en service ou une explosion dans un puits de mine.

Le dispositif peut aussi être utilisé pour donner des indica-

tions de guidage à un trépan qui est destiné à creuser un

puits dans une direction donnée Dans une application appa-

rentée, au cours de l'exploitation du pétrole et de gaz, ce dispositif peut servir à déceler l'emplacement d'une fuite dans une canalisation, par la localisation du bruit que fait le fluide en s'échappant Dans d'autres genres d'exploitation souterraines, le dispositif peut être utilisé pour déterminer

la direction et l'importance d'une crevasse créée artificiel-

lement dans le sol C'est ainsi que, si un sol à faible

perméabilité est fissuré dans le but d'augmenter la producti-

vité par injection d'un liquide (eau) sous pression, les crevasses, qui peuvent être orientées verticalement, peuvent être observées au moyen d'un ou plusieurs des dispositifs

décrits ci-dessus, "écoutant" le bruit produit Cette techni-

que s'applique aussi à l'extraction de l'énergie géothermique.

Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter -

du domaine de l'invention, d'apporter diversers modifications au procédé et aux dispositifs de repérage de la direction

d'un son représentés et décrits.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Dispositif destiné à déceler la direction d'un

son qui se propage dans un milieu, dispositif caractérisé-

en ce qu'il comprend un boîtier protecteur ( 62) perméable au son, qui entoure une structure composée d'une enveloppe

mince ( 61) ayant une forme à symétrie circulaire, cette struc-

ture étant destinée à fléchir en se déformant sous l'action d'une énergie sonore provenant du milieu ( 52), ainsi que des éléments ( 21,22) destinés à déceler la modification de forme de ladite structure et à indiquer ainsi la direction

du son incident.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe a une forme, soit hémisphérique, soit

cylindrique, soit conique, et comporte une ouverture circu-

laire.

3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la déformation décelée est celle de l'ouverture circulaire. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 11) est un cylindre dont la longueur

est inférieure au diamètre, c'est-à-dire un anneau.

Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments destinés à déceler la déformation de

l'enveloppe ( 1) sont des flexomètres ( 21, 22).

6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les flexomètres sont en une matière semi-conductrice

et sont déposés sur l'enveloppe.

7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments destinés à déceler les modifications de forme de l'enveloppe comportent des éléments ( 48, 43, '42) destinés à éclairer cette enveloppe ( 44) et des éléments ( 49, 47, 46, 45) destinés à estimer l'importance des déformations

en fonction de la longueur d'onde de la lumière.

8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des appareils ( 30) sensibles aux signaux qui décèlent les déformations> de façon à identifier soit l'axe, soit les axes de ces déformations, ainsi que celui des axes transversaux de l'enveloppe qui présente un déplacement vers l'extérieur d'amplitude maximale, ce qui indique la direction

du son incident.

9 Dispositif selon la revendication 1, destiné à être utilisé sous terre dans un trou de sonde, caractérisé en ce que son bottier ( 62) est conformé de manière à résister à la compression et à transmettre le son qui provient du sol environnant ( 52), ce qui permet de déterminer la direction

d'un bruit souterrain ( 51).

10 Dispositif destiné à déceler la direction d'un son qui se propage dans un milieu, caractérisé en ce qu'il comprend un bottier protecteur ( 62) résistant à la compression et conducteur du son, entourant une structure constituée par une enveloppe mince (l; 61) qui comporte une extrémité ouverte et une extrémité fermée et qui a une forme à symétrie circulaire; un support ( 10; 54) de cette enveloppe, fixé à son extrémité fermée et soutenant cette enveloppe dans ce bottier de façon à permettre à ladite enveloppe de fléchir

en modifiant sa forme sous l'action d'une énergie sonore inci-

dente; ainsi que des éléments ( 21, 22) destinés à déceler les modifications de forme de la structure et par suite la

direction d'incidence de cette énergie sonore.

Il Dispositif selon la revendication 10, caracté-

risé en ce que l'enveloppe ( 61) est métallique et a une forme hémisphérique, le bottier ( 62) contenant un fluide ( 63) de

liaison acoustique, dans lequel cette enveloppe est immergée.

12 Dispositif selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe a une valeur com-

prise entre un cinquantième et un centième de son diamètre.

13 Dispositif selon la revendication 10, caracté-

risé en ce que le bottier est symétrique circulairement à l'enveloppe.

14 Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les éléments destinés à déceler les modifi-

cations de forme de la structure sont un certain nombre de flexomètres ( 21, 22) disposés sur cette enveloppe ( 1, 61) de façon à produire respectivement des signaux, ce dispositif comportant par ailleurs des appareils ( 30) de traitement de signaux qui sont disposés à une certaine distance de

l'enveloppe, qui sont sensibles à ces signaux et comnpor-

tent des circuits destinés à créer des jeux de signaux repré-

sentant des signaux susceptibles de provenir des flexomètres,

chaque jeu correspondant à une direction particulière d'inci-

dence du son, ainsi que des circuits destinés à comparer ces signaux créés à ceux qui sont réellement émis par les flexomètres sous l'action du son incident réel, de façon à déterminer la direction de ce son par la correspondance

entre les signaux réels et les signaux créés.

Procédé de détection de la direction d'un son

qui se propage dans un milieu, caractérisé en ce qu'il con-

siste à placer une structure, composée d'une enveloppe mince dont la forme présente une symétrie circulaire, dans un bottier protecteur perméable au son; à permettre à cette enveloppe de fléchir et de se déformer sous l'action d'une énergie sonore incidentelà loger la structure dans un bottier de façon à permettre à la structure de recevoir l'énergie sonore propagée par le milieu, tout en étant protégée par ledit bottier; à déceler les modifications de forme de la structureet à en déduire la direction de l'énergie sonore incidente. 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à déceler par les modifications de-forme, soit l'axe, soit les axes de ces modifications, ainsi que celui des axes transversaux de l'enveloppe dont l'allongement vers l'extérieur à l'amplitude maximale, ce

qui indique la direction du son.