FR2738642A1 - Capteur sismique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les capteurs sismiques destinés à être enterrés dans le sol (104) pour capter les vibrations et les ondes acoustiques se propageant dans celui-ci. Elle consiste à utiliser un tube (101)) résistant et allongé terminé à une extrémité par une pointe (102) et à l'autre par un bouchon (103) massif. On enfonce ce tube dans le sol en frappant sur le bouchon. On glisse ensuite dans le tube deux hydrophones (105, 106) fixés sur un support (107) qui coulisse dans le tube et on termine en remplissant le tube avec un liquide de couplage puis en refermant le bouchon. Elle permet avec un dispositif bon marché de détecter le passage de véhicules ou d'hélicoptères.

Description

CAPTEUR SISMIQUE
La présente invention se rapporte aux capteurs sismiques qui permettent de détecter les ondes acoustiques se propageant dans le sol, quelle que soit l'origine de ces ondes acoustiques. Ces ondes acoustiques peuvent être par exemple induites par le roulement d'un véhicule sur le sol, ou par l'excitation de ce sol sous l'effet du souffle provenant de la voilure d'un hélicoptère. Un tel capteur permet donc de repérer éventuellement de localiser, toutes ces sources de bruits, y compris les véhicules et les hélicoptères.

II est connu d'utiliser pour détecter les ondes acoustiques se propageant dans le sol des géophones, qui sont fichés en terre comme des piquets et qui délivrent des signaux électriques proportionnels aux accélérations subies par le capteur selon un ou plusieurs axes privilégiés.

Dans le cas où cet axe privilégié est unique les dispositifs disponibles dans le commerce sont d'un coût raisonnable, mais les informations obtenues par la mesure selon cet axe sont très limitées et ne permettent pas dans la pratique d'obtenir les résultats souhaités en détection ou en localisation.

Ces résultats sont beaucoup plus facilement obtenus avec un capteur triaxial, mais les dispositifs existants sont très coûteux et très encombrants.

La solution parfois retenue d'utiliser un capteur biaxial présente l'inconvénient majeur de cumuler les défauts des deux systèmes, en étant à la fois coûteuse et peut efficace.

Par ailleurs pour obtenir des résultats satisfaisants, en particulier pour pouvoir utiliser toute la richesse des informations susceptibles d'être foumies par un capteur triaxial, on est amené à effectuer des travaux importants pour mettre le matériel en place, parce qu'un simple piquet ne permet pas un couplage suffisant avec le sol.

Dans la pratique il faut creuser un trou, y enfouir le dispositif, le caler avec un matériau de couplage, puis reboucher le trou. Les inconvénients de coût et de délai présentés par de tels travaux ne peuvent être supportable que pour des installations fixes ou de durée d'utilisation importante, c'est à dire essentiellement en matière scientifique, voire dans de rare cas d'installations civiles de grande étendue.

Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un capteur sismique comportant au moins un capteur sensible aux vibrations placé dans un corps destiné à être enterré dans le sol, principalement caractérisé en ce que le corps est formé d'un tube résistant allongé muni à une extrémité d'une pointe et à l'autre extrémité d'un bouchon et que le capteur est un hydrophone.

Selon une autre caractéristique, le tube est rempli d'un produit de couplage entre l'hydrophone et le tube.

Selon une autre caractéristique, l'hydrophone est placé sur un support permettant de l'enfoncer facilement dans le tube après que celui ait été mis en place dans le sol.

Selon une autre caractéristique, les deux hydrophones sont séparés d'une distance déterminée.

Selon une autre caractéristique, la surface extérieure du tube est lisse pour pouvoir enfoncer celui ci dans le sol en frappant sur l'extrémité opposée à la pointe.

Selon une autre caractéristique, le bouchon, est amovible et il est étudié pour résister aux coups destinés à enfoncer le capteur dans le sol.

Selon une autre caractéristique, la surface extérieur du tube comporte un pas de vis permettant d'enfoncer le capteur dans le sol par vissage.

Selon une autre caractéristique, le tube est rempli d'un produit de couplage liquide.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent:
- la figure 1, une vue en coupe d'un capteur selon l'invention;
- la figure 2, une vue en coupe de l'élément sensible de ce capteur;
- la figure 3, un schéma électronique de traitement de signaux du capteur;
- la figure 4 et 7, des diagrammes de réception de ce capteur;
- la figure 8, une vue en perspective d'un réseau de capteurs selon l'invention; et
- les figures 9 et 10, des diagrammes de traitement des signaux.

Le capteur sismique représenté en coupe sur la figure 1 comprend un corps 101 formé d'un tube résistant terminé à sa partie inférieure par une pointe massive 102 et fermé à sa partie supérieure par un bouchon 103, fixé de préférence par vissage. L'ensemble est enfoncé dans le sol 101 et cette opération est effectuée par exemple à coups de masse sur le bouchon 103. Cette opération s'apparente à celle permettant d'effectuer des forages de très petit diamètre dans le sol pour atteindre une nappe phréatique superficielle, et l'on peut utiliser pour ces pièces 101 à 103 les mêmes organes que ceux qui sont généralement utilisés pour ces forages.

A l'intérieur du tube on a placé deux hydrophones 105 et 106 omnidirectionnels aux fréquences utilisées. Ceux-ci sont soutenus par un support 107, formé par exemple par un tube ajouré en matière plastique, qui vient coulisser dans le corps 101 avec un frottement suffisant pour le mettre en place sans forcer tout en restant immobilisé à l'emplacement où on l'a placé, sans tomber au fond du tube sous l'effet de son poids. Les hydrophones sont réunis à un câble 108 d'alimentation des capteurs et de recueil des signaux, qui vient sortir à la partie supérieure du corps, par exemple par un trou ménagé latéralement. L'intérieur du corps est rempli d'un produit de couplage, par exemple une huile diélectrique, ayant des caractéristiques acoustiques adéquates. On pourrait utiliser d'autres produits qui sont connus dans l'art, par exemple un gel ou un polymère tel que du polyuréthanne.

La mise en place se fera de préférence en venant d'abord enfoncer le corps muni de sa pointe et de son bouchon. Lorsque le corps est suffisamment enfoncé, on dévisse le bouchon, on enfonce le support 107 munis de ses hydrophones, en laissant sortir le câble 108 par le trou prévu.

On rempli ensuite le corps avec le produit de couplage et on le referme avec le bouchon. Une telle méthode permet d'enfoncer le corps sans prendre de précautions particulières, au besoin en frappant violemment sur le bouchon 103, sans risquer de détériorer les hydrophones qui ne sont pas encore en place. Dans un tel cas on aura avantage à prendre effectivement un produit de couplage liquide tel que de l'huile. Ce produit de couplage permet donc le couplage acoustique afin de transmettre efficacement aux hydrophones les signaux acoustiques se transmettant dans le sol, et il permet également de protéger ces mêmes hydrophones contre des chocs violents éventuels. En outre lorsque ce produit est liquide il est très facile de récupérer les hydrophones et leur support tout en laissant dans le sol le tube et sa pointe.

Compte tenu de ce qui a été décrit auparavant, il est bien clair que les organes les plus coûteux de l'appareil sont les hydrophones, alors que le tube et sa pointe, ainsi qu'éventuellement le bouchon, sont des pièces d'un coût minime. Le coût de récupération des pièces dépasse probablement celui des pièces lui-meme, dès que le pieu adhère un peu au sol et qu'il faut exercer des efforts importants, et surtout couteux en temps, pour le retirer.

L'invention permet donc une économie substantielle sur le déploiement des dispositifs, puisqu'il suffit d'avoir en réserve un stock de tubes munis de leur pointe, et éventuellement de leur bouchon de fermeture, dans lequel on replacera les hydrophones récupérés sur les tubes laissés en place.

II serait possible le cas échéant d'utiliser un tube dont la surface extérieure est aménagée en forme de pas de vis, par exemple par soudage d'un feuillard enroulé sous une forme hélicoïdale, afin de pouvoir enfoncer ce tube par vissage dans le sol, ce qui pourrait faciliter son extraction par dévissage.

Les hydrophones 105 et 106 sont donc de préférence omnidirectionnels. On a utilisé dans une réalisation préférée des hydrophones connus, qui sont normalement utilisés dans des bouées acoustiques du type LOFAR DSTwB et dont on a représenté sur la figure 2 une coupe longitudinale.

L'élément actif de ces hydrophones est formé de deux disques en céramique piézo-électrique 201 et 202 travaillant en flexion. Ces disques sont fixés par collage périphérique sur un support tubulaire 203, qui est lui même fixé sur un corps sensiblement cylindrique 204. Ce corps est découpé dans sa partie inférieure pour délimiter des piliers de maintien du support 203, de manière à ce que les ondes acoustiques puissent venir librement exciter les disques en céramiques. Cette partie inférieure du corps, comprenant donc le support muni de ses disques en céramique est noyée dans un produit de surmoulage 205, qui présente une forme cylindrique de dimensions sensiblement égales au diamètre du corps 204, 30 mm par exemple, et qui se termine par une surface inférieure sensiblement sphérique.

Entre ces supports et la partie supérieure du corps, on trouve une cloison transversale 206 qui permet le passage par des traversées étanches des fils de connexions 207 et 208 provenant des électrodes extérieures des disques en céramique. Ceux-ci sont mis en série par un fils de connexion reliant leurs électrodes internes.

La partie supérieure du corps 204 située au dessus de la cloison 206 détermine une chambre 209 pouvant être fermée par un couvercle étanche et dans laquelle on peut placer des organes électroniques, tels que des préamplificateurs, permettant d'effectuer une première amplification des signaux fournis par les disques en céramiques. Les dimensions de cet hydrophone sont relativement faibles, par exemple 60 mm de long sur 30 mm de diamètre. Ces dimensions permettent donc d'utiliser pour fabriquer les capteurs selon l'invention des tubes tout à fait courants dans le commerce.

Selon la manière dont on associe les signaux provenant de ces hydrophones on peut donner au diagramme de réception du capteur complet des formes très différentes.

On a représenté sur la figure 3 à titre purement indicatif un exemple de réalisation d'un circuit électronique permettant d'associer ces signaux.

Les signaux des hydrophones 105 et 106 sont appliqués d'une part respectivement à deux entrées + d'un amplificateur sommateur 301, et d'autre part respectivement aux entrées + et - d'un amplificateur soustracteur 302.

Le signal SI provenant de l'amplificateur 301 est appliqué directement à l'une des entrées + un amplificateur sommateur 305.

Le signal S2 provenant de l'amplificateur 302 est tout d'abord déphasé de 7d2 dans un déphaseur 303, puis multiplié par un facteur ss, éventuellement variable avec la fréquence, dans un multiplicateur 304. Ceci permet d'annuler le signal provenant du haut ou du bas du capteur selon le signe due'3. Le signal sortant de ce multiplicateur 304 est appliqué à l'autre entrée + de l'amplificateur sommateur 305.

On obtient ainsi en sortie de cet amplificateur 305 des signaux S3 ou S4 selon la valeur due'3.

Les formes de diagrammes de réception ainsi obtenus correspondant aux signaux S1 à S4, sont données dans les figures 4, où le diagramme est omnidirectionnel, 5 où il est en forme de 8 pour éliminer les signaux qui se propagent horizontalement, 6 où il est en forme de cardiolde dirigée vers le haut pour renforcer les signaux qui s'enfoncent verticalement dans le sol, et 7 où il est en forme de cardiolde dirigée vers le bas pour éliminer les signaux qui s'enfoncent verticalement dans le sol.

On peut bien entendu, selon les techniques bien connues dans l'art, traiter différemment ces signaux pour obtenir des diagrammes ayant d'autres formes. En outre il est parfaitement possible d'utiliser plus de deux hydrophones dans un même corps. pour pouvoir obtenir des diagrammes de réception encore plus complexes, par exemple en effectuant tous les traitements de signal connus en acoustique sous-marine pour former par exemple des voies de réception.

Le dispositif selon l'invention étant particulièrement simple et peu coûteux, on pourra en utiliser un grand nombre répartis en réseau de manière justement à effectuer une localisation des sources des bruits reçus par les hydrophones.

A titre d'exemple on a représenté sur la figure 8 un tel réseau comportant 6 capteurs 801 selon l'invention fichés dans le sol 104 pour former un réseau linéaire dont le pas est égal à AJ2, ou X est la fréquence centrale des signaux intéressants. En effectuant la sommation des signaux reçus de ces différents capteurs avec des retards appropriés on peut obtenir, de manière connue, une réception directive selon une direction qui ne dépend que du retard utilisé.

L'implantation d'un grand nombre de ces capteurs dans le sol, selon un réseau pouvant atteindre des dimensions très grandes de plusieurs centaines de mètres, est particulièrement simple et facile à mettre en oeuvre et l'installation obtenue est particulièrement discrète, en contraste avec les solutions habituellement envisagées consistant à mettre des capteurs aériens sur des supports, qui sont à la fois visibles et très fragiles tant aux événements météorologiques qu'aux agressions éventuelles.

A titre d'exemple des performances obtenues par un capteur unique simple comportant uniquement deux hydrophones tels que décrits plus haut, et sans préjuger des résultats pouvant être obtenus par un capteur comprenant un plus grand nombre d'hydrophone ou par un réseau de capteurs, on a effectué une comparaison expérimentale sur une analyse en fréquence des signaux reçus par un tel capteur et de ceux reçus par un microphone de type courant utilisé en aérien au dessus du sol et présentant une bande passante comprise entre 0,1 Hertz et 20 kHertz. Le signal étudié était celui produit par un hélicoptère évoluant à proximité des capteurs et dont le bruit acoustique était reçu directement par le microphone aérien et indirectement par les vibrations du sol produites par le couplage entre les vibrations acoustiques de l'air et le sol.

Les résultats de cette comparaison sont représentés sur les figures 9 et 10 ce qui correspond respectivement au capteur selon l'invention pour la figure 9 et au capteur acoustique connu pour la figure 10.

Sur ces figures sont notées les points de mesure correspondants aux fondamentaux retenus en Hertz placés en abscisse, en fonction du temps en secondes placés en ordonnées.

On constate que sur les deux figures le spectre 902 correspondant au rotor de queue de l'hélicoptère est sensiblement identique, mais que par contre le spectre 901 correspondant au rotor- principal de l'hélicoptère apparaît très fortement sur la figure 9 correspondant à l'invention, et d'une manière très peu significative sur la figure 10 correspondant à l'art connu. Dans la mesure où la détection du rotor de queue n'est pas très significative et qu'en outre un grand nombre de projets d'hélicoptères prévoient de supprimer ce rotor de queue, il est tout à fait fondamental de détecter le signal provenant du rotor principal, ce que permet très bien l'invention.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 - Capteur sismique comportant au moins un capteur sensible aux vibrations placé dans un corps destiné à être enterré dans le sol (104), caractérisé en ce que le corps est formé d'un tube résistant allongé (101) muni à une extrémité d'une pointe (102) et à l'autre extrémité d'un bouchon (103) et que le capteur est un hydrophone (105).

2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (101) est rempli d'un produit de couplage entre l'hydrophone (105) et le tube.

3 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'hydrophone (105) est placé sur un support (107) permettant de l'enfoncer facilement dans le tube après que celui-ci ait été mis en place dans le sol.

4 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux hydrophones (105,106) séparés d'une distance déterminée.

5 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface extérieure du tube est lisse pour pouvoir enfoncer celui ci dans le sol en frappant sur l'extrémité opposée à la pointe.

6 - Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bouchon (103) est amovible et qu'il est étudié pour résister aux coups destinés à enfoncer le capteur dans le sol.

7 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface extérieur du tube (101) comporte un pas de vis permettant d'enfoncer le capteur dans le sol (104) par vissage.

8 - Capteur selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que le tube (101) est rempli d'un produit de couplage liquide (109).