Marégraphes à ultrasons

Dans les années 1980, en vue de renouveler le réseau existant de marégraphes américain, le Naval Oceanographic Survey (NOS)  entreprit une étude montrant que le principe de mesure de distance, par méthode acoustique aérienne, était susceptible de réaliser le meilleur compromis entre la qualité de la mesure du niveau marin et le coût global du réseau. Ce coût comprenait l'acquisition, l'exploitation et la maintenance sur une durée de 20 ans. Le fonctionnement des marégraphes à ultrasons (transducteurs ultrasonores) est simple : le tirant d'air entre le marégraphe et la surface de  la mer est mesurée grâce à l'émission réception d'ondes à ultrasons émise dans l'air à 41,5 kHz. Après calcul, le tirant d'air mesuré permet d'aboutir à la hauteur d'eau. Cette célérité acoustique dans l'air varie et dépend de 3 paramètres : - la pression ; l'humidité et la température. En raison de la source d'erreur importante que constitue le gradient de température dans le puits de tranquillisation des sites à forts marnages, la technologie des marégraphes à ultrasons est écartée au début des années 2000 au profit des marégraphes radar.

Elements composant un marégraphe à ultrasons avec de gauche à droite l'électronique et le capteur ultrasonique, la sonde de température posée sur la centrale d'acquisition MORS (Crédits SHOM). Cliquer sur la photo pour l'agrandir

 

Deploiement

Bien que ces sondes ultrasoniques soient aptes à fonctionner sans protection, sous réserve d'une puissance d'émission suffisant, ces capteurs sont mis en œuvre dans des puits de tranquillisation afin d'augmenter leur durée de vie,  en évitant l'influence des intempéries, et d'assurer une surface d'eau plane limitant les pertes de réflexion de l'onde acoustique. Les aspérités éventuelles du puits peuvent provoquer des réflexions parasites gênantes. Pour cette raison, il est recommandé de canaliser le faisceau dans un tube lisse et rigide, PVC par exemple. Les réflexions multiples sur les parois d'un tel cylindre ne constituent pas une gêne, moyennant un étalonnage qui doit, de toute façon, être réalisé avec soin.

 

Observatoire marégraphique à ultrason du port Hercule - Monaco (Crédits SHOM) Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

 

Fonctionnement

Le principe de la mesure est simple : un transducteur, situé au-dessus de la surface de l'eau, émet un signal ultrasonore selon la verticale vers le bas et capte ensuite le signal réfléchi. Connaissant la célérité du son dans l'air c, la mesure du temps de parcours Δt de l'aller-retour fournit la distance l, tirant d'air entre le transducteur et la surface : l = c Δt / 2

Soit d l'altitude de la base du transpondeur acoustique par rapport à un niveau de référence (habituellement le zéro hydrographique), la hauteur h du niveau de la mer s'exprime donc par :

 

H = d – l = d – (c Δt / 2)

 

Avec une précision suffisante pour nos applications, la célérité du don dans l'air c (exprimé en m/s) est donnée par la formule suivante, dans laquelle T est la température en degré Celsius (°C), pa la pression atmosphérique en hectopascals (hPa) et w l'humidité relative de l'air.

 

c = 331.2 [ 1 + 0.97(w/pa) + 1.9 10-3T] m/s

 

L'expérience montre que la variation de l'humidité relative de l'air est négligeable dans un puits fermé où l'air est pratiquement saturé en eau. En revanche, la température jouant un rôle important, nous avons en posant c0 = 331.2 :

 

Influence de la température

En raison de la relation qui donne = - ceci correspond à une erreur de signe opposé sur h de près de 2 mm par mètre de tirant d'air l et par degré Celsius.

Deux méthodes sont utilisées pour compenser cette influence importante de la température :

  • La première consiste à placer un réflecteur sous la sonde à une distance connue l0 La mesure du temps de parcours Δt0 (aller et retour du signal transpondeur-réflecteur) permet d'obtenir directement la célérité :

  • La seconde consiste à placer un capteur de température à proximité du transducteur et à calculer la célérité du son, fonction de la température mesurée.

Les deux méthodes présentent chacune leur défaut propre. La première donne la célérité moyenne du son sur le parcours sonde-réflecteur, mais pas sur tout le tirant d'air du puits. La seconde est encore moins performante car elle n'estime la célérité qu'à un seul niveau. Or diverses expériences ont montré que les variations de la température et son gradient vertical dans le puits induisent des erreurs non négligeables sur la mesure du niveau. Tout particulièrement lorsque le réchauffement diurne de la structure du marégraphe élève la température de l'air interne du puits. Il apparaît alors dans le puits un gradient de température indétectable par le capteur. Il n'existe pas réellement de solution satisfaisante à ce problème.

Cependant, pour les besoins des études de dynamique océanique, des marégraphes spécifiques ont été mis au point, ayant à différents niveaux des capteurs de températures étanches, supportant ainsi sans inconvénient l'immersion. Mais cette solution onéreuse et peu utilisée pour l'hydrographie. De ce fait les marégraphes à ultrasons ne sont quasiment plus utilisés en France aujourd'hui.

 

Pour en savoir plus

 

Référence

  • Simon B. (2007). La Marée - La marée océanique et côtière. Edition Institut océanographique, 434pp.

 

 

Dernière mise à jour de la page : 15/08/2012