Sondeurs à ultrasons et applications originales

Principe d'action

Applications originales de la sonde à ultrasons déjà installée sur le bateau. Toutes ces applications utilisent la sonde déjà en place pour divers usages liés aux activités sous-marines. Soit le sondeur est modifié, soit un petit relais est rajouté à proximité de la prise au dos du sondeur et redirige la sonde vers l'application.

Il existe bien d'autres applications ultrasons sous-marines trop pointues pour être publiables ici car liées à des technologies protégées, je ne parlerai ici que des applications publiques. Je mets cette page dans la section électronique plutôt que dans la section voile, bien que l'application soit typiquement sinon marine, du moins sous-marine…

Rappel du fonctionnement des sondeurs

Le principe des sondeurs étant simple, je me contenterai d'un petit rappel, si certains lecteurs veulent aller beaucoup plus loin, je ferai une annexe technique plus détaillée.

Un sondeur, tout comme un radar (mais avec antenne fixe et sur une basse fréquence), envoie une impulsion puissante et très brève dans une antenne (un cristal piezo pour un sondeur), puis se met en réception pendant un temps très long pour écouter les échos en retour. Le récepteur est très sensible, son gain augmente avec le temps à compter du top d'émission, plus les échos arrivent tard, plus ils sont faibles (la surface de la calotte sphérique du front de l'onde augmente comme le carré de la distance, et comme il y a aller-retour un facteur 4 intervient).
Petit rappel de physique de collège :
Le son se propage environ à 1500 m/s dans l'eau et 330 m/s dans l'air, alors que la lumière et les ondes radio ont une vélocité de 300 mille kilomètres/s.

Le plus ancien système est très simple à comprendre.
Un moteur fait tourner un bras à vitesse régulée. Ce bras comporte deux éléments :
Un petit aimant qui donne le top zéro de déclenchement de l'impulsion en passant devant une bobine.
Un élément d'affichage, autrefois un néon, comme dans les "Seafarer" de 1960, puis ensuite une led. L'alimentation se fait par un frotteur carbone (simple mine de crayon) frottant sur une piste du bras, le retour par l'axe et la masse du moteur.
Il est très simple de connaître la vitesse du bras. Sur l'échelle 20 mètres, l'écho devra parcourir l'aller-retour soit 40 mètres. La vitesse du son étant de 1500 m/s, il faudra faire un tour en 40/1500 seconde soit (1500/40)*60= 2250 tours/minute. Sur l'échelle 120 mètres, la vitesse sera 6 fois plus faible, soit 375 tours/minute.
Attention à l'affichage pervers, sur l'échelle 20 mètres, un écho à 25 mètres sortira au tour suivant soit 5 mètres affichés. Il faut lever le doute en changeant d'échelle et en jouant sur le gain.
Les sondeurs à affichage digital n'ont plus de bras tournant. Une horloge donne le top synchro et un compteur mesure le temps d'arrivée du premier écho significatif. La profondeur est affichée en multipliant simplement ce temps par 1500/2 (aller retour).

Tous ces systèmes sont basés sur une position de l'écho sur un récepteur, proportionnel à un retard. Dans les deux cas, la même antenne sert alternativement à l'émission et à la réception. Dans les deux cas un affichage donne le résultat, distance en chiffre du premier écho pour un simple sondeur, balayage horizontal pour un sondeur enregistreur, balayage radial pour un radar. Revenons maintenant au cas du seul sondeur à ultrasons. L'idée de cet article est d'utiliser la sonde en place pour d'autres applications en profitant de son excellent emplacement et de ses performances.

Il ne faudra pas oublier que dans les applications décrites par le suite, les systèmes ne fonctionneront que dans le cône d'éclairage de la sonde, en gros +/- 30 degrés pour nos petits modèles, moins pour les sondeurs professionnels. Les petits sondeurs travaillent autour de 200 kHz, les gros 50 kHz et moins.

Je décrirai le principe de quelques applications, et détaillerai en privé celles qui suscitent un intérêt.

Le défaut des afficheurs digitaux

Dans les systèmes anciens à bras, le cerveau du navigateur interprétait une variation d'intensité sur un cercle pour déterminer la profondeur, en fonction de la luminosité et de la stabilité et du gain. Cette approche fine se retrouve aussi sur les enregistreurs à écran ou papier.
Les sondeurs à simple afficheur ne montrent qu'un chiffre, ne laissent plus aucune place à l'intelligence, ils affichent un résultat calculé par un programme astucieux. C'est une sécurité illusoire qui enlève le sens critique de l'opérateur, des confusions se produisent suivant la nature du fond et des couches de densité différente.
Cette approche fait perdre beaucoup d'information sur la nature et l'évolution du fond, un enregistreur est bien meilleur pour ceux qui ont le sens marin. Pour l'utilisation sur un voilier, surtout limitée à mesurer quelques mètres d'eau sous la quille au moment de mouiller, cela est peu important, mais la nature du fond (rocher et failles, sable algues ou posidonies) est totalement perdue.

Nous retrouvons une problématique identique du prédigéré, avec le GPS. Il a tué la règle Cras et le sextant et rend le navigateur totalement assisté en lui enlevant toute analyse critique, et en lui faisant perdre le faculté de savoir faire un point et d'utiliser une carte.

Perte d'écho
Ces sondeurs présentent un autre problème quand l'écho est perdu, en particulier quand le fond augmente. Beaucoup de modèles ne l'indiquent pas bien et gardent affiché un chiffre erratique, en faisant flasher l'indication, mais cela est très ambigu. Il serrait préférable de montrer des barres à la place des chiffres sans signification.

Nous n'aurons bientôt plus besoin de nous mouiller le ciré pour naviguer, un bon logiciel saura sortir le bateau du port, une caméra vidéo nous restituera les meilleurs moments, et avec le son d'ambiance nous pourrons depuis le fauteuil du salon prendre parfois le main en télécommande assistée. Les moments clefs (naufrage, planche à voile cisaillée, nageur broyé, seront archivés pour pouvoir les revendre à vidéo gag). Évidement le logiciel interdira de faire n'importe quoi et annulera les décisions qu'il ne jugera pas bonnes.

Sondeurs enregistreurs

Les sondeurs enregistreurs lcd voient leur prix baisser suivant les mêmes règles que celles expliquées pour le radar. Ils donnent beaucoup plus d'informations qu'un simple chiffre. Ils sont indispensables pour la plongée et la pêche. Sur nos voiliers, ils n'ont pas encore pu trouver leur place pour une simple question d'encombrement. Au moment du choix, n'hésitez pas, si vous trouvez un emplacement pour l'intégrer dans le cockpit à portée du barreur, optez pour l'enregistreur.
Les gammes vont évoluer pour intégrer de petits écrans compatibles avec les lignes d'instruments actuelles.
Sur le plan technique, c'est très simple, le spot ne tourne pas comme avec un bras mais balaye l'écran verticalement, le balayage lent horizontal simule le déroulement d'un papier (comme un téléviseur tourné de 90 °). La couleur n'est pas indispensable mais agrémente l'affichage.

Sondeurs panoramiques

Les sondeurs à vision avant sont une superbe extrapolation des simples enregistreurs. Ces affichages donnent une mine d'informations sur l'espace sous-marin autour du bateau. La puissance des microcontrôleurs permet toutes sortes de représentations spatiales du fond en trois dimensions. C'est un vrai bonheur pour naviguer entre les cailloux ou faire une approche dans un mouillage peu profond.
Il est normal que le prix de ces matériels soit de quelques fois supérieurs à un simple enregistreur.

La taille du boîtier d'affichage complique l'installation sur voiliers comme pour les enregistreurs, mais le problème majeur est toutefois la taille de la sonde. Il est évident qu'une vision multidirectionnelle impose une sonde très proéminente. Cela est un casse-tête pour l'installation sous la coque, mais il ne peut exister d'autre solution. Avant de vous extasier sur les options d'affichages, commencez à prendre la sonde en main et demandez-vous comment vous allez pouvoir l'installer. Si vous trouvez une solution acceptable, équipez-vous sans hésiter ! Voir par exemple : .interphase-tech.com/transducers.htm

Interphone plongeur surface

C'est évidemment la première application qui vient à l'idée. Il est très utile de pouvoir dialoguer depuis une barge avec les plongeurs travaillant au dessous. La liaison est en duplex alterné seulement. Côté surface, c'est très simple, un petit boîtier module la porteuse en émission et repasse en écoute après l'envoi du message. Je détaillerai la réalisation dans un chapitre suivant.

Coté plongeur, c'est plus compliqué si l'on veut le réaliser soi-même. Le laryngophone étanche, l'embout buccal sont difficiles à bricoler, je conseille d'adopter ceux du commerce.

Coté transmission du son au plongeur, un haut parleur étanche ne marche pas sans un casque, l'astuce classique est de ne pas entendre avec les oreilles mais en transmettant la vibration aux os de la boite crânienne et en faisant vibrer les sinus sphénoïdaux. Ces techniques sont très connues, ce n'est pas mon propos. La seule partie intéressante à bricoler est le bloc émission réception, qui se fixe entre les bouteilles par une sangle velcro, le fil de sortie comportant un jack inoxydable trois contacts pour déconnecter l'équipement (laryngophone + "écouteur" vibreur). Le plus simple est de fixer la commande de l'alternat au culot de la bouteille pour éviter les fils baladeurs.

Rien d'original sinon l'idée d'utiliser la sonde en place.

Télécommande guindeau ou treuil

Toujours pour un chantier sous-marin, si l'interphone est trop cher (pour la partie plongeur), le plongeur relevant de lourdes charges via un treuil de barge a besoin de pouvoir commander le treuil depuis le fond. L'application consiste à réaliser un boîtier de télécommande, envoyant trois signaux vers la surface par l'intermédiaire d'interrupteurs à glissières.

<Treuil Monte> <Treuil Descend> <Klaxon>.

Cette dernière fonction permet de communiquer par un code morse quelques messages très simples et pré convenus, mais vitaux du plongeur vers la surface. Ce dispositif est très fiable et économique, il est très pratique dans le relevage d'épaves.

Déclencheur de mine à orin

Lors d'une découverte d'épave, il faut retrouver ultérieurement l'emplacement. Il n'est pas d'usage de laisser un flotteur en surface qui sera arraché par une hélice et attirera les prédateurs. Ce système larguera une bouée à la demande lors de la plongée suivante avec une parfaite sûreté et permettra de retrouver le point exact.

Les plus farceurs mettront une vraie mine avec sa charge militaire qui remontera et explosera juste sous leur coque. (Mais non, je plaisantais, cette application amusante est rare...).

Des individus malhonnêtes (si, ça existe !) qui font des croisières sur de superbes yachts rapides entre l'Amérique du sud et les côtes américaines exploitent à fond ce principe. Ils traînent entre deux eaux des containers avec lest et flotteur comme décrit. A l'approche des Coast Guards, ils larguent tout et saisissent un way point au GPS. Tout est légal à bord. Un chalutier vient quelques jours ou semaines plus tard, aucun équipement particulier à bord, seul le soft du sondeur a un petit patch pour envoyer la bonne trame pour une position donnée de l'échelle des profondeurs.

Ce chapitre n'est en aucune manière destiné de donner des idées aux voyous mais veut exposer une technique originale.

Réalisation de l'interphone

C'est de loin la plus complexe des trois !

Coté surface :

Je ne conseille pas de modifier le sondeur existant mais de faire une boîte avec relais à part. La modification est possible mais il faut beaucoup adapter l'électronique existante, en particulier l'étage de puissance, qui est prévu pour travailler en impulsions et ne supporte pas une émission continue. En l'absence d'alimentation, le sondeur marche normalement. La qualité du relais rajouté n'est pas critique, les relais bas de gamme passent sans problème la bande 50 à 200 kHz et la faible puissance sans aucune perte notable
Une bonne astuce est d'utiliser un petit talkie-walkie qui permet de se déplacer sur la barge sans fil à la patte, avec un kit mains libres. Le boîtier ultrasons comporte la liaison BF à l'émetteur récepteur correspondant au talkie-walkie en 400 mHz. A ces très courtes portées, quelques milliwatts suffisent en émission. Cela évite de mettre en œuvre la grosse et onéreuse valise interphone professionnelle et supprime le fil du transducteur mobile à laisser pendre par dessus le bordé.
Le fonctionnement est parfait et le bricolage économique.

Côté fond :

Il faut une bonne expérience des matériels immergés pour réaliser un système fiable.
Une des difficultés est que le piezo sur le boîtier placé entre les bouteilles doit éclairer la sonde du bateau en surface. C'est délicat, il faut prendre un cristal à grande ouverture et le plongeur doit passer en position verticale pour transmettre. Il est impossible de monter le piezo sur un cardan dans le boîtier car il doit impérativement être collé pour transmettre les vibrations au boîtier.
Le deuxième problème est la connectique, le jack 3 fils étanche est long à mettre au point.
Par sécurité j'utilise toujours un fil fin qui s'arrache en cas d'incident si largage des bouteilles, pour ne pas étrangler le plongeur avec le laryngophone. L'électronique est très classique et sans problème, montée conne d'habitude dans une lampe de plongée récupérée.

Réalisation de la télécommande

Coté surface :

Il n'est pas absolument pas indispensable de créer une nouvelle chaîne réception , il y a tout dans le sondeur. La partie émission n'est bien sûr pas utilisée. Il faut prendre le signal en sorti de l'ampli réception, après le passe-bas, avant le trigger formant le pic de réception d'écho.
Il suffit de rajouter un seul condensateur à l'électronique existante et sortir ce signal vers un jack externe dont l'insertion coupera la commande du modulateur. Allumer normalement le sondeur, c'est magique… cette BF est filtrée et envoyée à une petite carte microcontrôleur qui identifie les 3 seules commandes attendues. Ces trois commandes sont envoyées classiquement par des optocoupleurs aux relais monte descend du treuil et au Klaxon.

Côté fond :

C'est beaucoup plus simple que l'interphone. Pour un premier essai, utilisez un sondeur à main, qui se présente comme une lampe torche, distribué par Plastimo, en vente chez tous les shipchandlers autour de 220 Euros. Il contient toute l'électronique d'émission et le piezo. La seule modification est de coller sur une génératrice opposée à l'interrupteur d'origine, une longue glissière plastique dans laquelle coulisse un aimant plastifié. A l'intérieur, trois ILS (interrupteurs à lames souples) ou effets Hall en ligne sont rajoutés pour fournir les trois codes au modulateur. La solution la plus rustique est d'utiliser un compteur CMOS et une matrice à diodes reliée aux trois signaux, si nous n'aimez pas les microcontrôleurs…
 

Réalisation du déclencheur de mines

Coté surface :

Il n'y a pas la moindre modification physique de l'électronique. Il faut désassembler le logiciel de l'eprom et patcher la routine qui commande le top émission, pour une position donnée du réglage de l'échelle (généralement en rajoutant un pas après l'échelle maximale). A l'impulsion simple originale est rajoutée par une trame codée d'une dizaine de bits. L'impulsion initiale constitue un long START. C'est tout, le sondeur travaille parfaitement normalement, vous voyez même le fond comme avant sur la position supplémentaire !
Remarque sur les sondeurs : En augmentant l'échelle de profondeur, on augmente la durée du pulse d'émission pour avoir plus d'énergie sur l'écho retour, ainsi que la période entre les pulses pour laisser assez de temps au trajet du front d'onde. Par exemple, pour une échelle de 75 mètres, trajet aller retour 150 mètres, donc période entre les pulses d'un dixième de seconde maximum à 1500 m/s.

Côté fond :

Dans les deux cas précédents, un des problèmes était de viser depuis le fond le bateau en surface. Ce problème disparaît ici, le boîtier récepteur étant en tension entre le crochet à largage et le flotteur via la charge, il est absolument vertical, donc vise à coup sûr le bateau passant au dessus ! Le dispositif comprend un récepteur à très faible consommation, réveillé par un rimer qui attend un quelconque signal. Dés réception d'un écho, le contrôleur passe en mode actif, il cherche à identifier sa bonne trame, s'il la reconnaît la commande d'ouverture est envoyée au crochet. Un tel dispositif bien conçu peut rester en attente des années. L'électronique est triviale, les seuls problèmes simples sont de rester parfaitement étanche et d'assurer une mécanique d'ouverture fiable.
Pour l'étanchéité à grands fonds je conseille une boîte souple, genre bidon plastique avec joint torique, l'électronique baignant totalement dans l'huile (pas au graphite !) est en équipression donc résiste à toutes les profondeurs. Curieusement les composants électroniques sont extraordinairement résistants à la pression. Si vous êtes inquiets, noyez d'abord la carte dans la résine.

Pour le crochet, il faut un peu d'habitude, le pélican relié à une manille inox est très sûr. Ne jamais passer un gros bout directement dans le crochet, il peut s'entortiller lors d'une mauvaise immersion. Pour rétracter le doigt de commande, je ne conseille pas un électro-aimant à noyau plongeur, il coince si l'énergie est basse ou s'il est corrodé et concrétionné.. Il faut toujours préférer un moto réducteur qui tire via un fil gainé ou tige filetée, il marche à tous les cas si l'étanchéité a été maintenue. Pour mémoire, un moteur électrique tourne parfaitement bien immergé dans l'huile, au prix d'une baisse de rendement, vous pouvez l'intégrer au bidon contenant l'électronique. Pensez aussi au boulon explosif, très fiable en le protégeant les fils de la corrosion (dans l'huile).

Annexe

Montage de la sonde à l'intérieur du bateau.

Cela n'a pas grand rapport avec le sujet précédent, mais cette question m'ayant été posée tant de fois, je préfère en parler. C'est une lapalissade. Une sonde bien montée verticalement sur sabot en fond de coque dans les règles de l'art, marchera toujours bien mieux que tout montage interne, mais demande un travail de pose soigné avec tirage à sec. Le choix d'un montage interne dans un bout de tube collé à l'intérieur de la coque pour faire tremper la sonde bien verticale dans un fond d'huile ne se justifie que si :
Des travaux sur la coque ne sont pas possibles.
Il n'y a pas de sandwich balsa bloquant à cet endroit, la coque conduit bien.
La sonde doit être changée souvent, si l'on veut tester divers matériels.

La coque absorbera toujours, mais dans la majorité des cas, un sondeur de voilier ne servant qu'à voir la profondeur en approche de mouillage, le sondeur marchera parfaitement à petits fonds. Le fait de perdre quelques dB en émission et réception est peu important en petite échelle. Dans le cas d'un bateau métallique, on hésitera plus encore à faire des trous inutiles. Il faut tester, le résultat est parfois bon en collant la sonde dans un époxy très liquide avant polymérisation et surtout sans la moindre micro bulle.
De toute manières si le résultat est trop mauvais, il est très facile de supprimer ce bricolage provisoire et revenir au montage classique qui lui est irréversible.

Vous en savez assez pour le moment sur ces sujets très rarement abordés, j'espère que cela vous fera voir différemment votre sonde et incitera les plongeurs à bricoler. Si vous voulez exploiter ces idées, parlons-en...