GHG
Introduction
Il est surprenant que si peu de publications aient
été publiées ces cinquante dernières
années sur les sonars utilisés par les sous-marins
allemands, alors même que ces systèmes
étaient d'une importance capitale pour eux, comme pour les
Alliés. L'absence de publications adéquates
après la guerre est probablement due à diverses
formes de « Secrecy Acts » et/ou à des
exigences de politique d'entreprise.
Cet article se concentrera brièvement sur certains aspects
du développement des sonars passifs en Allemagne,
jusqu'à la fin des hostilités de la Seconde Guerre
mondiale. (Les « Gruppenhorchgeräte »,
ci-après dénommés GHG ou appareils
d'écoute de groupe, n'étaient pas seulement
utilisés par les sous-marins, mais équipaient
également de nombreux autres navires.)
Au cours de ce siècle, la technologie a globalement connu
de grandes avancées entre 1920 et 1945. Une technologie
sophistiquée n'est (presque) jamais le fruit de
l'imagination d'un seul homme, mais plutôt l'aboutissement
de travaux scientifiques, souvent issus de disciplines
différentes, et l'histoire du sonar ne fait certainement
pas exception. Si la plupart des inventions fondamentales en
matière de sonar ont eu lieu aux États-Unis et en
France, plusieurs aspects importants ont d'abord
été développés en Grande-Bretagne et
en Allemagne.
Quelques aspects rétrospectifs
Les premières recherches scientifiques sur les sonars ont
été entreprises en Suisse en 1826, par Colladon et
Sturmin, sur le lac Léman. À l'aide d'une cloche
sous-marine, ils ont observé la propagation du son sur une
distance de 14 km et ont calculé une vitesse de 1435
m/s.
Depuis les années 1980, plusieurs pays occidentaux ont
entrepris des recherches sur l'acoustique sous-marine d'une
manière ou d'une autre, mais les pertes de signal entre
les membranes et les oreilles constituaient un
inconvénient important, car les oreilles étaient
les seuls dispositifs de réception disponibles. Par
conséquent, les progrès pratiques ont
été relativement limités.
En 1902, Gray et Mundy ont conçu, aux États-Unis,
les premiers microphones sous-marins étanches, ou
hydrophones, qui se sont révélés être
une amélioration révolutionnaire. Dans un premier
temps, le brevet a été enregistré sous le
numéro DE162600, détenu par la Submarine Signal
Company, de Boston. La société allemande :
Norddeutsche Maschinen- und Armaturenfabrik" de Brême, a
obtenu en 1905 une licence pour utiliser les brevets
américains et a vendu ses produits en Allemagne, aux
Pays-Bas, en Belgique et en Russie ; plus tard, le marché
s'est étendu à la monarchie d'Autriche-Hongrie
ainsi qu'aux pays scandinaves.
Vers 1908, la « Kaiserliche Marine » (Marine de
l'Empereur ou Marine Impériale) contacta la
société Neufeldt & Kuhnke pour lui demander
s'il était possible de construire un appareil de
télégraphie sous-marine compétitif, afin de
contrer les produits trop coûteux de la Submarine Signal
Company.
Hecht construisit une « sirène sous-marine »
capable de produire une énergie sonore suffisante,
équivalente à plusieurs centaines de watts,
à une fréquence de 1 000 Hz. En 1910, le centre de
recherche sur les torpilles de la marine allemande, le TVK
(Torpedoversuchskommando), put, grâce à un tel
appareil, recevoir clairement les signaux Morse sous-marins,
jusqu'à une distance de 100 km (environ 54 milles
nautiques). Ce fut, à l'époque, une
véritable sensation. (Rössler, 1991 9-12) La
« Kaiserliche Marine », ainsi que son successeur, la
« Kriegsmarine », appelaient ces appareils UT (Anlage
= Appareil de télégraphie sonore
sous-marine).
En 1912, les services secrets britanniques informèrent
l'Amirauté de la présence de sous-marins allemands
équipés d'appareils de signalisation sous-marine
leur permettant de communiquer sous l'eau en code Morse.
(Hackmann, 1984 45)
Après la catastrophe du Titanic du 15 avril 1912, il
devint nécessaire de disposer de toutes sortes d'appareils
d'écoute et/ou d'alerte avancée. L'absence de
technologie adéquate en matière de
récepteurs et d'amplificateurs électroniques
compliquait cette tâche. En Allemagne, Hülsmeyer a
breveté son « Telemobiloskop » (D.R.P. 165546
et 169145, délivrés les 30 et 11 novembre 1904). En
1904, il a construit le premier appareil au monde, semblable
à un radar, capable de détecter les obstacles en
captant la réflexion des ondes
électromagnétiques sur des objets conducteurs. Ses
démonstrations de 1904, organisées lors d'une
conférence navale dans le port de Rotterdam, n'ont pas
convaincu les armateurs d'équiper leurs navires de ses
nouveaux dispositifs d'alerte avancée, bien qu'une
détection jusqu'à 3 km ait été
clairement démontrée. L'introduction progressive
des systèmes sans fil de Marconi à bord de leurs
navires était déjà plus ou moins
prévue. Aucune entreprise ne s'intéressait aux
brevets de Hülsmeyer, pas même Telefunken ; il a donc
fallu attendre plus de trente ans avant que le radar ne devienne
un appareil pratique. (Trenkle, 1986, 21-22)
Par conséquent, les établissements navals du monde
entier se sont concentrés, en premier lieu, sur
l'utilisation du son pour la signalisation, la localisation
d'objets et la mesure de la distance.
La TVK découvrit en 1913 que les microphones (hydrophones)
utilisés pour l'appareil UT pouvaient également
intercepter toutes sortes de sons et de bruits, tels que ceux
générés par les moteurs et les
hélices. Il devint rapidement évident que des
microphones spéciaux devaient être conçus,
car les modèles standard n'étaient sensibles
qu'à des fréquences de l'ordre de 1 000 Hz.
L'établissement de sous-marins allemand VKU
(Versuchskommando der U-Boote) commença, en 1914, des
recherches sur la construction de nouveaux types de microphones
à charbon, mais il fallut attendre un certain temps avant
que des hydrophones adéquats et résistants aux
grenades sous-marines ne soient disponibles.
Peu après, certains bateaux furent équipés,
à tribord et à bâbord, de deux groupes de six
hydrophones. Chaque groupe était divisé en trois
sections de deux microphones, chacune utilisant un microphone
plus sensible à 700 Hz, le second atteignant une
fréquence maximale plus basse. En comparant les sorties
des microphones (hydrophones), il devint possible de distinguer
la direction du son : provenant de droite ou de gauche, de
l’avant ou de l’arrière.
Selon Hackmann, la marine allemande et la Royal Navy
préféraient l'utilisation de microphones
(hydrophones) dont la fréquence était
limitée, tandis que la marine américaine
préférait une réponse microphonique non
résonante. « Ces derniers avaient une portée
plus longue, mais ne reproduisaient pas les sons aussi
fidèlement, ce qui pouvait poser des problèmes
d'identification.» (Hackmann, 1984, p. 56)
Tous les systèmes étaient sujets à des
interférences dues au bruit généré
par les générateurs électriques et autres
dispositifs rotatifs à l'intérieur du sous-marin.
La première mesure prise par les Allemands pour
réduire ce bruit consistait à utiliser une
résistance variable parallèle au circuit de
l'écouteur, une méthode rudimentaire mais assez
courante à l'époque pour quantifier la force d'un
signal sans fil. Un potentiomètre spécial
était équipé d'une échelle de 270
degrés et était calibré en ohms. La
résistance parallèle devait être
réduite jusqu'à ce que le son disparaisse dans
le(s) casque(s). L'intensité du signal était, par
exemple, considérée comme étant de 150 ohms.
La valeur de la résistance parallèle pouvait
indiquer l'augmentation ou la diminution de l'intensité du
signal sonore et permettait également une estimation
approximative de la distance.
Afin de réduire le bruit artificiel capté par les
hydrophones, des filtres passe-bande de 1 050 Hz ont
été insérés entre les microphones et
les circuits des écouteurs. L'étape suivante
consistait à augmenter la sensibilité du
système en adaptant l'amplificateur à tubes
utilisé pour la station sans fil. Les navires pouvaient
désormais être observés jusqu'à 20
à 25 milles nautiques, mais une attention accrue devait
être portée à la réduction du bruit
artificiel depuis l'intérieur du sous-marin afin de ne pas
annihiler les améliorations.
Une réelle amélioration a été
apportée par la construction de l'appareil de «
compensation de phase sonore binaurale » par V. Hornborstel
et Wertheimer.
Figure 1 : Compensation de phase sonore binaurale
Le principe de ce dispositif est assez simple
à comprendre : la comparaison de phase s'effectuait
très efficacement dans la tête de
l'opérateur. Ce système de comparaison de phase
crée une image sonore stéréophonique dans le
cerveau et peut être très sensible et efficace.
Selon Rössler, l'espace entre les deux microphones
(hydrophones) était environ quatre fois plus large
qu'entre les sorties des écouteurs à
l'intérieur des conduits d'air entre les oreilles, afin de
maintenir un temps de propagation du son à peu près
égal pour les deux milieux. (La vitesse du son à
l'air libre, à 20°C, est d'environ 344 m/s et dans
l'eau de mer de 1 465 m/s (voir ci-après), ce qui donne un
rapport temporel d'environ 1 : 4,25.) Il est évident qu'un
seul écouteur a dû être réglé.
Cet appareil pouvait pivoter sur sa base et permettait des
relèvements sonores plus précis que les
systèmes précédents. Ces appareils ont
été produits en 1918 et la production a
continué jusqu'en 1925, selon Rössler, à
l'Atlas Werke, le successeur de la « Norddeutsche
Maschinenund Armaturenfabrik » ; la même
société détenant encore officiellement la
licence de production de l'américaine « Submarine
Signal Co. », pendant toute la Première Guerre
mondiale. (Rössler, 1991 14-17) Par conséquent, les
artefacts de cette dernière société ont
également été utilisés pendant les
hostilités de chaque côté de la mer du
Nord.
Développements durant l'entre-deux-guerres
Pour comprendre ce sujet complexe, il convient d'abord d'examiner
et de définir la relation fréquence/longueur d'onde
sonore utilisée par la marine allemande pour les
systèmes sonars passifs.
La vitesse typique des ondes sonores dans l'eau de mer est de
1 465 m/s. La longueur d'onde correspondante est définie
par : 8 = c/f (c étant la vitesse dans le milieu, f la
fréquence et 8 la longueur d'onde). Les fréquences
sonores audibles les plus utilisées se situaient
approximativement entre 100 Hz et 7 000 Hz, soit des longueurs
d'onde comprises entre 14,65 m et 21 cm. On constate donc qu'une
base d'hydrophones ne couvrira jamais, pour les fréquences
les plus basses, une longueur d'onde complète, mais que,
pour les fréquences les plus élevées,
plusieurs longueurs d'onde sont couvertes. Il est réaliste
d'estimer que l'espacement entre les hydrophones était,
pour les fréquences les plus élevées,
souvent supérieur à une longueur d'onde. Pour les
systèmes d'écoute sous-marine allemands, le rapport
de longueur d'onde à prendre en compte était
d'environ 1 : 70. Par la suite, une attention particulière
(voir plus loin) a dû être portée à
l'apparition de lobes secondaires indésirables
dépendant de la fréquence (8). (Stenzel, 1929,
175-179) (Stenzel, 1939, 34-37).
La technologie sonique (sonar) a connu des progrès
radicaux après la publication de Brillié (France
1922), et cela s'est avéré d'une importance
significative depuis. (Brillié, 1922, 398) Brillé a
placé, à la surface de la proue d'un navire, un
groupe de 18 hydrophones et a relié leurs sorties
membranaires, par des tuyaux acoustiques de longueur
égale, à un entonnoir. Cet entonnoir était
construit comme une projection miniature de la proue du navire,
afin de compenser la différence de vitesse des ondes
sonores, dans l'eau de mer et à l'air libre. (. 4.25:
1).
L'observateur, ou l'opérateur, devait maximiser le son
sortant de cet entonnoir, en déplaçant son
extrémité ouverte de telle sorte que l'angle (le
gisement) des ondes sonores se propageant, dans les deux milieux,
soit égalisé. Peut-être pas encore un
appareil pratique, mais son importance fondamentale était
évidente car il a montré que les ondes sonores,
divisées en plusieurs éléments, pouvaient
être recombinées efficacement, lorsque toutes les
composantes sonores étaient amenées à une
relation de temps et de phase correcte. Une amélioration
significative était le soi-disant
« Streifenkompensator » ou compensateur de ligne
à ruban de F.A. Fischer, breveté en Allemagne sous
le n° 529 458 en date du 22.11.1929. Bien que les lignes
à retard électriques soient déjà
assez courantes à cette époque, son invention
consistait à relier chaque section de ligne à
retard à une ligne à ruban conductrice. (cf. un
article de Fischer : « Mitteilungen aus dem Laboratorium
der Electroacoustic G.m.b.H. » de Kiel, il travaillait donc
au centre de recherche de la société Elac.
(Fischer, 1932, 147)).
En Allemagne, selon Stenzel, ces circuits électriques de
temporisation étaient connus sous le nom de
« Wagnerschen Siebketten », conçus par K.W.
Wagner. (Stenzel, 1929, 174). Cependant, selon Hackmann et Holt,
ils auraient été inventés par Pierce
à Harvard, aux États-Unis. (Hackmann, 1984, 191,
193) (Holt, 1947, 680), et cette idée a été
soutenue par Rössler. Mais, selon ce dernier, c’est
Pierce qui aurait proposé le premier d’utiliser des
circuits électriques de temporisation à des fins de
compensation temporelle. (Rössler, 1991, 21).
Fig. 2 : Principe du compensateur à ruban de
Fischer
Cette illustration est très simple
à comprendre : la sortie des hydrophones était
dirigée vers les contacts de rotor correspondants. Ces
contacts étaient, comme dans l’invention de
Brillié, une projection à l’échelle de
la configuration des hydrophones (membranes) montés dans
ou sur la coque du bateau. Bien que non visible sur la figure 2,
la ligne à retard était divisée en 100,
voire parfois 160 sections de ligne à ruban, afin
d’accroître la précision du système. Le
rapport de réduction est : ck : c (ck étant la
vitesse du signal dans la ligne à retard de compensation,
c étant la vitesse du son dans l’eau de mer). Le
rapport d’échelle n’est plus limité,
comme dans l’appareil de Brillié, à environ
4,25 : 1, mais est défini par la valeur électrique
des lignes à retard utilisées.
La réduction du rapport d’échelle a donc
permis l’utilisation d’une base d’hydrophones
plus étendue, associée à un compensateur
plus performant. Compte tenu de l'espace limité à
l'intérieur d'un sous-marin, cette mesure était
indispensable, mais elle impliquait néanmoins un
dispositif encombrant.
La flèche de la figure 2 indique la direction du front
d'onde (sonore, par exemple) et son retard d'apparition au niveau
de chaque membrane. Il est évident que la membrane P2 est
atteinte en premier et que la membrane P3 est touchée en
dernier par le front d'onde. On constate donc que le retard le
plus long est observé avec P2, le plus court avec P1 et le
plus court avec P3. Les sections restantes de la ligne à
retard, jusqu'au circuit des écouteurs, ne provoquent
aucune modification de l'information. L'invention de Fischer
pourrait théoriquement être utilisée à
des fins de réception et/ou d'émission. Par
exemple, si une source génératrice est
connectée à la place des écouteurs, le
réseau rayonne alors dans la direction inverse.
L'optimum technologique a été atteint après
l'introduction de l'appareil « Compensateur Cylindrique
» de Carpentier, breveté en France. (N° 816 789
du 20 avril 1936). Cependant, la description de ce dispositif
très compliqué et exceptionnel ne sera pas
abordée dans cet article.
Introduction et aspects théoriques de la compensation
de groupe
Nous nous appuierons brièvement sur les explications
théoriques de Stenzel, tirées de son ouvrage
« Leitfaden zur Berechnung von
Schallvorgängen », publié en 1939, ainsi que
sur ses articles de 1929 et 1950. Sa publication de 1939, d'une
importance considérable, a été
réimprimée en 1944 (avec les informations de
copyright originales en allemand !), sous forme de
fac-similé : « Publié et distribué
dans l'intérêt public par l'autorité du
dépositaire des biens étrangers sous la licence
n° A-491 », par J.W. Edwards, Ann Arbor, Michigan,
États-Unis.
Supposons qu'un rayon sonore pointe vers une membrane (par
exemple un hydrophone) F, dans le plan X-Y.
Fig. 3 : Rayon sonore pointant vers F
L'angle α, β et (représente
la direction de la droite pointant vers F, pour les
coordonnées x, y. Sans entrer dans la
démonstration, considérons que pour une seule
membrane, le facteur directeur est défini par R = 1, pour
les angles α = 90° et β = 90°.
Premièrement, cette conclusion est logique, car le
transfert d'énergie optimal a lieu lorsqu'une onde atteint
la membrane parallèlement à l'axe Z.
Deuxièmement, le facteur directeur (Richtfaktor) ne
contient aucune information sur l'amplitude. Pour simplifier
cette explication, nous supposons que a = 1. ('a' est
l'amplitude).
Nous supposons que le réseau d'écoute groupé
GHG a été placé symétriquement, comme
illustré à la figure 4, sur une ligne droite
à l'abscisse Y. Cependant, en pratique, les hydrophones
étaient souvent placés sur une elliptique ou un arc
plus ou moins semi-ouvert.
Nous supposons que tous les éléments (membranes)
auront la même sensibilité (la technologie du
réseau groupé est généralement
valable théoriquement pour les applications RF).
Fig. 4 : Réseau de membranes, regroupées sur une
ligne droite
L'ouverture (non compensée) s'explique
par le quotient de d/λ. (α = 90°, β =
90°) La longueur totale d'un réseau, placé sur
une ligne droite, est définie par le produit de : n.d.
('n' étant le nombre de membranes).
Selon Stenzel, il a été démontré
(Stenzel, 1939 7-15) qu'à fréquence et longueur de
base égales, le diagramme de rayonnement devient plus net
lorsque n2 < n1. Par conséquent, pour une
fréquence donnée, un réseau utilisant moins
de membranes présentera une ouverture plus petite que
l'inverse.
Considérons par exemple (voir Fig. 5) deux réseaux
différents fonctionnant à égalité
λ, mais configurés comme suit : système un,
n1 = 18, d1 = λ/6 et pour le second
système, n2 = 3, d2 = λ.
Étant donné que
n1.d1/λ1 =
n2.d2/λ2 = 3, les deux
réseaux conserveront toujours une ouverture égale,
néanmoins, le rapport de longueur du réseau est
réduit à 17 : 12 (Stenzel, 1939 15).
Fig. 5 : Deux réseaux pour n = 18 et n = 3, avec une
ouverture égale
D’autre part, les paramètres de
sensibilité pourraient être améliorés
en augmentant le nombre d’hydrophones utilisés. Un
facteur gênant était, et est peut-être encore,
la plage de fréquences sonores relativement large sur
laquelle le fonctionnement s’effectue. Les
fréquences sonores (audibles) utilisées par la
marine allemande influençaient le quotient de n.d/λ
et entraînaient une modification de l’ouverture et du
diagramme de rayonnement global, en raison du rapport de longueur
d’onde > 1 : 70.
Pour déterminer le cap d'une source sonore ou de bruit, il
faut faire tourner le réseau d'hydrophones jusqu'à
ce que le signal reçu atteigne sa valeur maximale. Lorsque
le réseau est intégré à la coque d'un
navire, cette procédure est peu pratique.
Le « Streifenkompensator » ou compensateur de ligne
à ruban de Fischer pouvait relever ce défi
technique, mais de nombreux problèmes devaient encore
être pris en compte.
Les circuits de temporisation devaient conduire l'information
électriquement sans en modifier le contenu ; aucune
aberration de phase et/ou d'amplitude du signal n'était
donc tolérée. Pour éviter toute perte de
signal dans le circuit compensateur, des réseaux en
échelle L et C, ou filtres passe-bas, ont
été utilisés. Pour ce type de configuration,
la temporisation est définie par :- τ = √
L.C, ce qui est vrai tant que le spectre de fréquences
utilisé est maintenu (nettement) en dessous de la
fréquence maximale, définie par :
fmax. = (π √ L.C)-1. (L
auto-inductance en Henries, C capacité en Farads)
La marine allemande a normalisé le délai de la
plupart de ses appareils GHG à 17 μs par section ou
segment de compensateur, soit un déplacement d'onde
sonique de 2,5 cm dans l'eau de mer. Ce chiffre a ensuite
dû être multiplié par le nombre de bandes de
compensation utilisées. Avec cent bandes utilisées,
on obtenait un maximum de : 100 x 2,5 cm = 2,5 m de longueur de
base (ou 160 x 2,5 = 4 m). (Après 1943, un compensateur
amélioré, utilisant seulement 40 bandes, est
entré en production pour équiper le sous-marin de
type XXI, permettant ainsi d'économiser et de limiter
l'utilisation de matières premières.)
(Rössler, 1991, p. 53-54).
Nous ne pouvons pas calculer avec précision les dimensions
des réseaux utilisés, car le montage des
hydrophones a été déterminé par les
détails de construction spécifiques de la surface
de la coque du bateau, ainsi que par sa construction principale.
(voir plus loin)
Émission d'un signal sonore
Le facteur d'émission d'un réseau d'hydrophones
(microphones) est défini par R, et par Rk- en
cas de compensation (Stenzel 1939, 32-33).
On suppose que, dans un plan X-Y, comme dans la figure 2, trois
membranes sont projetées à ses coordonnées :
(x1, y1), (x2, y2), (x3, y3). (Pour simplifier cette explication,
nous supposerons l'utilisation de trois membranes seulement.) Le
facteur d'émission naturel est obtenu à partir de
l'équation
α et β, représentent les
angles utilisés dans la figure 3. L'équation du
facteur de faisceau artificiel résultant Rk et
de son relèvement optimal correspondant, dans un plan
compensé, est déterminée par φ et ψ
est (voir Fig 6)
Si nous faisons tourner la projection du
réseau (à l'échelle) (ck), (voir
ci-dessous dans la figure 6) à son centre 0, l'amplitude
du signal atteint sa valeur maximale, lorsque le
relèvement du front d'onde (sonore) arrivant et celui du
compensateur deviennent plus ou moins égaux.
Fig. 6 : Compensateur utilisant la projection à
l'échelle de trois membranes (1, 2, 3)
Le centre 0 permet une rotation souveraine
des deux systèmes. Voir également la figure 2. Les
points de projection 1, 2 et 3 sont synonymes de P1 - P3.
Quel que soit le système pivoté, les deux
produisent une amplitude optimale de Rk- lorsque le
gisement compensé artificiellement pointe vers l'onde
sonore arrivante. (Stenzel, 1939 31-33)
En pratique, les lignes à bande, montées à
l'intérieur du boîtier du compensateur GHG, seront
maintenues, à bord des navires, en position horizontale
entre bâbord et tribord. La ligne à retard
représente l'axe de la base de l'hydrophone GHG et,
logiquement, l'axe central du navire. (Entre F = avant et A =
arrière, voir également Figure 6 et Figure
11)
Enfin, nous examinons brièvement certains aspects
perturbateurs des diagrammes de rayonnement d'un réseau.
Le facteur de rayonnement (Richtfaktor) R est, pour un
réseau non compensé donné, toujours
constant, car aucune modification électrique externe des
paramètres du système ne peut se produire.
Cependant, les circonstances sont totalement différentes :
lorsqu'un réseau compensé est utilisé,
l'ouverture résultante, et donc son facteur de
rayonnement, dépendent considérablement de l'angle
d'approche de l'onde sonore (sonore) arrivante.
γ0 représente la
direction (azimut) du plan de compensation, pour une
intensité de signal maximale. (voir Fig. 3 et Fig.
4)
La Figure 7 présente les diagrammes de rayonnement
calculés pour un réseau linéaire comme celui
de la Figure 4, lorsque : n = 6, d = γ/2 pour :
1.γ0 = 0°, 2.γ0 = 45°,
3.γ0 = 60° et 4.γ0 =
90°.
Fig. 7 : Diagrammes de rayonnement d'un réseau
compensé, en ligne droite, pour n = 6
Il apparaît que pour
γ0 = 0° et γ0 = 45°,
l'ouverture de ce réseau est toujours adéquate,
mais son ouverture s'élargit considérablement pour
les tracés 3 et 4, ce qui entraîne également
une aberration de la symétrie du rayonnement.
Il devient évident qu'aucun relèvement fiable ne
peut être obtenu lorsque les ondes sonores s'approchent
selon des angles de plus en plus proches de l'axe Y (Fig.
4).
Autour du centre de ce graphique, on distingue clairement la
présence de nombreux lobes secondaires
incontrôlables. Nous verrons plus loin qu'en supprimant les
spectres de basses fréquences et en utilisant les
longueurs d'onde plus courtes, la précision du
relèvement peut être considérablement
améliorée.
Quelques aspects du développement des sonars allemands
pendant la guerre
À la fin des années 1930, la technologie allemande
des sonars passifs était arrivée à
maturité. Si l'on considère que plus de 1 100
sous-marins ont été construits pendant la Seconde
Guerre mondiale, il est impossible de couvrir dans cet article
tous les dispositifs liés aux GHG déployés
durant cette période sombre. Examinons brièvement
deux sonars passifs : le très répandu 2 x 24 GHG
(appareil d'écoute de groupe) et le « Balkon »
(appareil à balcon) amélioré, introduit en
1943-1944.
La sensibilité des sonars passifs était (est ?)
principalement limitée par les paramètres des
hydrophones utilisés. La marine allemande utilisait des
cristaux de Rochelle (K Na C4 N4
O6) (connus sous le nom de Seignette-Kristall en
Allemagne), basés sur l'effet
piézoélectrique. La plupart des appareils
d'écoute allemands utilisaient des hydrophones à
cristal de Rochelle à large bande, mais plusieurs sonars
sophistiqués utilisaient également des
transducteurs à magnétostriction. (Hackmann, 1984,
p. 295)
Figure 8 : Coupe transversale d'un hydrophone à gaz
à effet de serre (GES), (1) = membrane, (2) = bloc de
cristal (Elac)
Cette figure présente une vue en coupe
d'un hydrophone produit par la société Elac. Les
blocs de cristal Rochelle (2) ont été
fabriqués par étapes multicouches et touchaient la
membrane (1) sur son côté rectangulaire.
Les sorties des groupes d'hydrophones étaient, à
tribord et à bâbord, reliées à
vingt-quatre préamplificateurs. Les hydrophones
fabriqués par Elac fournissaient un signal de sortie plus
puissant que leurs concurrents, comme ceux d'Atlas. Ils
étaient chargés par un transformateur
spécial, probablement pour augmenter la réjection
de mode commun et éviter tout ronflement (voir figure 11
ci-dessous).
Les hydrophones sont très sensibles et facilement sujets
aux interférences sonores provenant de l'intérieur
(par exemple, du bruit d'origine humaine, de l'alimentation
électrique, des générateurs, etc.) et de
l'extérieur du navire.
Les sources d'interférences externes, telles que les
bruits d'hélice, de cavitation et d'obstruction de
l'écoulement de l'eau, doivent être strictement
évitées. Une conception méticuleuse du
système est donc nécessaire.
Après avoir soigneusement étudié tous les
aspects, quelques emplacements de montage ont été
laissés disponibles, la difficulté étant
d'installer les réseaux d'hydrophones à
l'emplacement le plus approprié, tout en les
intégrant à la coque et à la structure du
sous-marin.
Fig. 9 : Schéma de câblage du système
GHG
Cette figure illustre le câblage d'un
appareil d'écoute de groupe GES et est assez explicite.
Les transducteurs UT (télégraphie sous-marine) sont
visibles à droite, mais cet appareil était rarement
utilisé, afin d'éviter de transmettre des signaux
sonores aux autres navires !
Figure 10 : Lieu d'intégration des 24 hydrophones tribord
dans la coque du bateau (Type IX-C)
Cette figure montre l'emplacement par rapport
à la coque du bateau et, un détail
intéressant est que les hydrophones étaient, comme
pour ce type IX-C, parfois utilisés en groupes de trois,
mais de nombreuses autres variétés de placement
étaient également employées.
Théoriquement, la courbe optimale sur laquelle les
hydrophones devaient être placés était un
demi-arc ouvert vers le bas, mais cette courbe était
souvent déformée en raison des contraintes
liées aux limitations de construction du châssis du
bateau.
Il est intéressant de noter que l'équipement sonar
utilisé pour le film « Das Boot »,
exposé lors de scènes palpitantes, par exemple
lorsque le sous-marin doit attendre attentivement le bruit de
l'hélice (provoqué par les destroyers britanniques
en chasse), comportait une « contradictionà in
terminis ». L'opérateur était assis devant un
compensateur de GHG plus ou moins authentique, mais l'hydrophone
exposé était un faux et ne correspondait pas au
système de GHG utilisé. Bien que plus ou moins
interchangeable avec le « KDB » (Kristall-Drehbasis),
un hydrophone rotatif a été utilisé ici pour
renforcer l'effet et sensibiliser le public !
Figure 11 : Schéma d'un équipement GHG
standard
Le schéma est simple à
comprendre et nous n'avons pas besoin d'être des experts
pour reconnaître cet appareil comme celui produit par la
société Atlas, en raison des transformateurs (de
charge) séparés utilisés entre les
hydrophones et leurs préamplis associés.
Les signaux sonores préamplifiés étaient,
pour tous les types, acheminés de manière
asymétrique vers le compensateur, le boîtier servant
de retour de courant commun. Ceci était dû à
l'application allemande typique du moulage sous pression, qui ne
posait aucun problème (Bauer, 1995, 76-78).
Le commutateur Sw changeait de position à F
(avant) = 0° et A (arrière) = 180°, afin de
distinguer les gisements sonores, venant de tribord et/ou de
bâbord. Selon F. Deters (juin 1996), ancien
opérateur de GHG, il était également
possible de sélectionner manuellement le groupe
d'hydrophones (tribord ou bâbord) à utiliser.
En haut de la figure 11, nous avons un aperçu de
l'amplificateur LF (audio) à quatre étages,
conçu pour une réponse en fréquence maximale
d'environ 7 kHz. Il était possible de sélectionner
le filtre passe-haut le plus efficace à 1 kHz, 3 kHz ou 6
kHz. Fritz Deters m'a indiqué que 3 kHz ou 6 kHz
étaient les sélections les plus
fréquentes.
Les Britanniques ont soigneusement étudié les
capacités de l'appareil GHG (Elac) de l'U-570 capturé en mai
1942.
Lors de sélections successives des filtres passe-haut, il
a été constaté que sur le filtre passe-haut
de 6 kHz (utilisant le spectre sonore entre 6 kHz et 7 kHz), le
relèvement présentait une précision de ≤
1°, de ≈ 1,5° pour 3 kHz (utilisant le spectre
entre 3 kHz et 7 kHz) et de ≈ 4° pour 1 kHz (utilisant
le spectre entre 1 kHz et 7 kHz). À 500 Hz, contournant
ainsi les filtres passe-haut, la précision était
réduite à ≈ 8°.
Les navires marchands moyens, naviguant à 12-13
nœuds, produisaient un spectre sonore maximal de 100 Hz et
seulement 10% à 4 kHz. Pour les destroyers naviguant
à 15 nœuds, le spectre sonore maximal était
de ≈ 200 Hz, mais fournissant toujours 30% de son spectre
harmonique entre 4 kHz et 8 kHz. Ainsi, la proportion de niveau
sonore restant aux harmoniques supérieures a dû
être compensée par une augmentation du gain
d'amplification.
Il a été démontré que l'ouverture
dépend du quotient de n.d/γ et augmente lorsque la
longueur d'onde diminue, mais, en même temps, il y a aussi
une augmentation incontrôlable de la taille des lobes
secondaires. (voir Fig. 7) (Stenzel, 1929 175-180) (Stenzel, 1939
33-51)
Il est donc évident qu'une attention particulière
devait être portée à tous ces aspects
perturbateurs.
Les Allemands utilisaient généralement des
écouteurs pour communiquer, avec une réponse
optimale à environ 900 Hz. Il est évident que ce
type d'équipement d'écoute est totalement
inadapté aux observations sonar à large bande, et
un type électrodynamique spécial (TAG) a
été introduit à cet effet. (F. Deters, mai
1996)
L'appareil Balcon
Nous avons appris que les interférences sonores, tant
intérieures qu'extérieures, constituaient, et
constituent encore aujourd'hui, un facteur limitant l'utilisation
des systèmes d'écoute (Herkovitz, 1996, 38-40). Il
était possible de remédier à ce
problème en réduisant la vitesse à la
vitesse de glissement. Les sous-marins aux électriques
devaient réduire leur vitesse à quelques
nœuds seulement (< 3 nœuds). S'ils étaient
immergés et propulsés par un moteur diesel,
associé à un Schnorchel, le ou les moteurs
devaient être complètement éteints. Le
système GHG standard s'avérant incapable de
recevoir correctement les informations sonores, lorsque le
sous-marin naviguait en immersion (en raison de l'utilisation du
Schnorchel, le sous-marin devait naviguer juste sous la
surface de l'eau interférente). Pour améliorer
l'interception du sonar, le sous-marin devait naviguer à
une profondeur minimale de 20 m, sans périscope.
Il était évident que ce type de problème
introduisait des limites et devait être
surmonté.
Sur proposition de Maass, un groupe d'hydrophones fut
intégré à une coque nouvellement construite,
placé devant la quille en bois. Cette modification fut
testée avec succès sur l'U-194 en février 1943.
L'une des améliorations consistait à maintenir les
hydrophones du balcon à un niveau inférieur de 2,5
m, les rendant ainsi moins vulnérables à de
nombreuses interférences gênantes.
D'après Rössler, l'ouverture tendait à 60°
vers le haut par rapport au plan horizontal, mais, à mon
avis, elle devait être légèrement
inférieure. (Rössler, 1991 43-45)
Figure 12 : Hydrophones à balcon (Balkon) montés
à l'intérieur d'une coque spéciale, devant
la quille (type IX-C)
Ce nouveau positionnement a
considérablement accru les capacités de vision vers
l'avant d'un système GHG, tout en laissant un angle mort
arrière compris entre 150° et 210°.
L'introduction de l'appareil à balcon a permis
d'améliorer la portée d'interception d'environ 70 %
par rapport aux hydrophones GHG placés à l'avant.
(voir figure 9)
(Voir le schéma de la page suivante)
Fig. 13 : Principe du dispositif de compensation de gaz à
effet de serre à balcon
Cette figure illustre le principe du
dispositif de compensation de gaz à effet de serre
à balcon. Il est évident que l'indispensable
sélecteur de groupe (Sw sur la figure 11) a
été omis (sans ce dispositif, cet appareil n'aurait
probablement jamais pu fonctionner correctement). Bien que ce
commutateur n'ait pas nécessairement dû être
inséré dans le circuit, lorsque seuls les
relèvements avant étaient obtenus, je suppose qu'il
aurait néanmoins pu être utilisé
occasionnellement. Cependant, lorsqu'il s'agissait, par exemple,
de distinguer des relèvements supérieurs à
90° ou inférieurs à 270°, il était
nécessaire de scinder le groupe d'hydrophones en deux
sections afin de déterminer de quel côté
provenait un signal sonore particulier. Comme il était
possible que des signaux sonores arrivent simultanément de
bâbord et de tribord, il était judicieux de scinder
le réseau d'hydrophones en deux sections
indépendantes.
Conclusion
Il ne fait aucun doute que les systèmes sonars passifs
étaient, et sont encore aujourd'hui, d'une importance
capitale pour les sous-marins, afin de détecter la
présence (et de localiser) d'autres navires et objets
flottants.
Dès le début du siècle, il est devenu
évident qu'une attention accrue devait être
accordée à la détection des sources de bruit
comme arme tactique.
Au départ, bien sûr, pour détecter le bruit
causé par les moteurs de tous types de navires. Il est
étonnant que si peu d'attention ait été
accordée à la réduction de ces sources
sonores trahissantes. Bien sûr, les sous-marins sont
devenus une exception dans ce domaine !
En 1913, la marine allemande commença à utiliser
pour la première fois des hydrophones à des fins de
sonar passif, grâce à l'invention et à la
généralisation de plusieurs nouvelles techniques.
Cependant, pendant près d'une décennie, le support
de l'hydrophone, quel qu'il soit, devait être tourné
pour déterminer le cap. Cela rendait le suivi des cibles
(parfois) assez difficile.
Brillié a eu le mérite d'inventer un compensateur
sonore et a prouvé que les signaux acoustiques pouvaient
être déterminés et entièrement
reconstitués ultérieurement. Bien que son article
soit de nature plus pratique, il a néanmoins
suscité de futurs projets de recherche.
Parmi les grands noms de la recherche acoustique, on compte :
Fischer, Lamb, Mason, Rayleigh, Stenzel et Bouwkamp. Ils ont tous
ouvert la voie à la recherche sur le sonar pendant
l'entre-deux-guerres (inter bellum) et depuis lors.
La plupart des articles allemands confondaient souvent la
théorie des radiateurs RF et acoustiques, car leurs
fondements théoriques étaient assez
similaires.
En Allemagne, ce sont principalement Fischer et Stenzel qui ont
ouvert la voie à l'avenir des technologies sonar et/ou
acoustiques, bien que de nombreux autres acteurs aient
également été impliqués.
L'orientation et la coopération entre les
établissements de recherche navale allemands et le
complexe industriel allemand du sonar ont été d'une
grande importance.
En 1929, Fischer a connecté des lignes conductrices
à ruban sur chaque section du réseau
d'échelle à retardement (compensation), permettant
ainsi d'obtenir des relèvements électriques
précis à partir des ondes sonores arrivantes.
La marine allemande s'appuyait principalement sur les cristaux de
Rochelle (Seignette) pour ses hydrophones, bien que des
matériaux plus performants fussent déjà
connus de la science.
Néanmoins, quelles que soient ses motivations, ce
matériau s'est avéré très
efficace.
De nombreux modèles (types) différents ont
été mis en service depuis, mais le 2 x 24 GHG s'est
avéré être la pierre angulaire de tous les
systèmes. L'introduction, après 1943, de l'appareil
amélioré « Balcony » reposait toujours
sur les mêmes principes ; ce dernier appareil était
donc en réalité une modification du premier.
Bien que plusieurs fabricants allemands aient été
impliqués dans l'industrie du sonar avec leur propre
conception d'appareils particuliers, de nombreux composants du
système (modules) étaient interchangeables en
raison de la standardisation des paramètres
électriques et mécaniques (lorsque cela
était possible).
Nous avons appris la facilité avec laquelle il est
possible de déterminer la direction des ondes sonores,
mais ces développements en matière de sonars
passifs n'ont eu lieu (presque) qu'en Allemagne et,
étonnamment, pas en Grande-Bretagne, où les
Britanniques étaient généralement
très désireux de développer des technologies
pour vaincre l'ennemi !
Bien qu'informés en mai 1942 de l'exceptionnelle
technologie GHG de l'U-570, les Britanniques n'ont pris
aucune mesure concrète. Le sous-marin ayant
été capturé à l'été
1941, il leur a fallu près d'un an avant de
procéder à l'examen de l'équipement GHG.
Cette attitude typique (peut-être réticente) peut
s'expliquer, à mon avis, par deux raisons
principales :
Premièrement, la Royal Navy était principalement
axée sur les tactiques offensives et s'appuyait donc
principalement sur l'ASDIC.
Deuxièmement, peut-être en raison d'un manque de
vision et de soutien de la part des autorités
supérieures ?
Il suffit de comparer la situation inverse, comme la
réflexion prospective concernant l'intégration du
radar (RDF) dans leur stratégie de défense.
La marine américaine n'a introduit son exceptionnel
équipement d'écoute sonore qu'en 1944, bien que les
appareils d'écoute aient certainement déjà
été largement utilisés avant cette date.
(Holt, 1947 678-679)
Nous avons noté les capacités de l'appareil
d'écoute du groupe GHG de l'U-570 (de nombreux
autres systèmes GHG étaient également
utilisés), et cela a également été
reconnu dans plusieurs publications d'après-guerre. Par
exemple, selon Hackmann : « Le GHG a sans aucun doute
été la contribution allemande la plus importante au
développement du sonar. La marine allemande s'est
fortement appuyée sur les sonars passifs pendant la
guerre… » (Hackmann, 1984, p. 295) et, selon
Holt, « Les Alliés n'ont probablement pas
réalisé l'efficacité de l'équipement
d'écoute allemand avant l'été 1941, lorsque
l'U-570 a été capturé par les Britanniques.
Ils ont alors découvert que les sous-marins allemands
étaient équipés de 24 microphones à
cristal de 3 pouces à chaque proue… … les
Allemands ont doté leurs navires de guerre d'une
capacité d'écoute passive qui a peut-être
surpassé celle des navires de tout autre pays.»
(Holt, 1947, p. 678, 681)
Remerciements
Sans plusieurs publications clés, cet article n'aurait pu
être rédigé. Il s'agit notamment de :
Hackmann Willem, Seek & Strike et Rössler Eberhard, Die
Sonaranlagen der deutschen U-Boote.
L'ouvrage de Heinrich Stenzel, Leitfaden zur Berechnung von
Schallvorgangen, réédité aux
États-Unis en 1944, ainsi que ses articles parus dans
plusieurs revues scientifiques allemandes, ont également
eu une importance similaire (voir
références).
Il s'est avéré assez difficile d'obtenir des
informations auprès d'anciens exploitants de gaz à
effet de serre, sans doute en raison de « souvenirs
flous ». La mémoire de Fritz Deters s'est
avérée d'un grand secours : grâce à
lui, il a été possible d'obtenir des informations
sur ses pratiques opérationnelles quotidiennes pendant son
service. Il a également travaillé quelque temps
à l'usine Atlas de Brême et, grâce à
son goût particulier pour l'électronique, il a
acquis une vision plus précise de ce dont il
s'agissait.
References
A.O. Bauer 100 YEARS of RADIO, 1995: IEE Conference Publication
Number 411, London. H. Brillié
Recherches relatives à l'établissement d'appareils
d'écoute sous-marins. Le Génie Civil 6, Mai 1922,
tome LXXX 398.
F.A. Fischer, 1932: Über die akustische Strahlungsleistung
von Strahlergruppen, insbesondere der Kreis- und Kugelgruppen.
E.N.T. Bnd 9, Heft 4 147 - 155.
W. Hackmann Seek & Strike Sonar, anti-submarine warfare and
the Royal Navy 1914-54, Science Museum, 1984, London. ISBN 0 11
290423 8
Don Herkovitz The Other SIGINT/ELINT, Journal of Electronic
Defence, April 1996. Vol. 19, NO.4, 38-40. 20
L. E. Holt The German Use of Sonic listening, July 1947, U.S.
Navy Underwater Sound Laboratory, Fort Trumbull, New London,
Connecticut. The Journal of the acoustical society of America.
Volume 19, number 4 July 1947, 678 - 681.
E. Rössler Die Sonaranlagen der deutschen U-Boote, Koehlers
Verlagsgesellschaft mbh, Herford 1991. ISBN 3-7822-0520-0
H. Stenzel Über die Richtcharkteristik von in einder Ebene
angeordneten Strahlern, E.N.T. Bnd. 6, 1929.
H. Stenzel Leitfaden zur Berechnung von Schallvorgängen,
Verlag von Julius Springer 1939 Berlin. (Reprinted in the US by
J.W. Edwards, 1944)
H. Stenzel, 1950: Theorie und Anwendung von Laufzeitkompensatoren
zum Senden und Empfangen von gebündelten elektrischen
Wellen. FTZ Heft 3 94 - 100, Heft 4 125 - 132
Fritz Trenkle Die deutschen Funkmeßverfahren bis 1945, AEG
1986. Alfred Hüthing Verlag, Heidelberg. ISBN
3-7785-1400-8
Glossaire
Traduit par l'auteur du site.
Source : Some hardly known aspects of the GHG, the U-boat's group
listening apparatus © Arthur. O. Bauer Diemen, 2 January
2005 The NetherlandsStgcdv&@xs4all.nl.
