Signalisation sous-marine

Au début du XX^e siècle, la signalisation sous-marine a une signification précise, voire exclusive. Elle désigne un système d'aide à la navigation développé, breveté et produit par la Submarine Signal Company (en) de Boston. Cette société fabrique des appareils de signaux acoustiques, d'abord des cloches et des récepteurs, puis des transducteurs. Ces signaux sont fixes, associés à des feux et autres aides fixes, ou installés à bord des navires pour signaler les dangers fixes ou pour la signalisation entre navires. En Allemagne, la société Norddeutsche Maschinen und Armaturenfabrik, future ATLAS-Werke, fabrique également cet équipement sous licence, principalement pour le marché européen.

Le récepteur sur le navire reçoit des signaux sous-marins d'une bouée, d'une station côtière, ou d'un bateau-phare (Submarine Signal Company).

Action de la Submarine Signal Company, émise le 3 février 1921

L'apport d'un appareil de signalisation sous-marine dans le domaine de la sécurité maritime est tel que les compagnies maritimes commerciales mettent en avant la présence de cet équipement sur leurs navires. De leur côté, les assureurs maritimes demandent à savoir quels navires en sont équipés, afin d'ajuster les risques et les primes d'assurance des navires et des cargaisons. Dans cette optique, vers 1907, les organismes de classification (L'American Bureau of Shipping, la Lloyd's) incluent leur présence dans les informations d'immatriculation, par la mention « Sub.Sig. » (Submarine signalisation).

La signalisation sous-marine est supplantée par les progrès réalisés pendant la Seconde Guerre mondiale.

Les enjeux

Les risques maritimes majeurs

A la fin du XIX^e siècle, la navigation maritime par temps de brouillard, par temps bouché, ou lors de tempêtes de neige, est un problème majeur. Les navires sont contraints d'attendre sa dispersion pour rentrer dans les ports, les échouages, et les collisions sont régulières. En 1905, 1 038 navires sont perdus.

Les signaux de brume, cornes et sifflets, transmis par voie aérienne, sont peu fiables et irréguliers. Les entendre signifie la présence d'un obstacle (côte, haut-fond, iceberg, un autre navire, ...), mais il est difficile de le localiser avec précision. Pour un navire, émettre trop de signaux sonores, c'est risquer de ne pas entendre ceux provenant de dangers, ne pas en émettre suffisamment peut revenir à mal se signaler.

Les objectifs

Les problèmes à résoudre sont de trois ordres. D'abord, créer un système qui signale la côte ou les dangers isolés, même dans le brouillard. Ensuite, créer un système capable de déterminer le gisement et la trajectoire d'un obstacle mobile, afin d'anticiper les manoeuvres nécessaires à l'évitement. Enfin, élaborer un système de communication d'un navire avec un autre navire ou avec la côte.

Recherches préliminaires

Colladon et Sturm (1826)

En 1826, Jean-Daniel Colladon et Jacques Charles François Sturm utilisent une cloche immergée pour des expériences sur le lac Léman. Ils démontrent que les vibrations acoustiques sont transmises avec une vitesse quadruple dans l'eau par rapport à l'air (1 410 m/s contre 330 m/s). Ils perçoivent aussi des sons jusqu'à 35 km de distance. Contrairement au son d'une cloche frappée dans l'air, une cloche frappée sous l'eau émet un son net et bref. Le son sous-marin est plus fiable que le son aérien pour projeter des signaux acoustiques. Leurs travaux sont décrits dans des revues scientifiques, mais ils tombent dans l'oubli durant soixante ans.

Blake (1883)

En 1883, Lucien I. Blake, en collaboration avec le Service des phares des États-Unis, mène des travaux similaires, utilisant une cloche immergée dans le but explicite d'utiliser le son comme aide à la navigation. Il poursuit ses expérimentations en 1894 à Portsmouth, dans le New Hampshire.

Commandant Banaré (1888)

Pour son "hydrophone", le français Banaré égalise la pression des deux bords de la membrane vibrante, pour lui garder toute son élasticité. Il l'expérimente à Paris, puis à Brest, sur le Borda. Des essais comparatifs prouvent que les cloches donnent de meilleurs résultats que les sifflets et les trompettes. Banaré émet l'hypothèse que l'intensité dans l'audition varie avec le gisement. Ses travaux sont mis de côté.

Kühl (1889)

En 1889, de ses essais, le procédé du danois Kühl permet de déterminer le gisement d'une source. Aucune suite n'est donnée.

Capitaine Neale (1892)

L'appareil d'émission / réception, breveté en 1892, du capitaine britannique Melville Thomson Neale permet de connaître le gisement du transmetteur. Il en fait une démonstration devant les Allemands sur le lac de Wann en 1898, mais l'efficacité n'excéde pas quelques centaines de mètres.

Autres travaux

Des expériences canadiennes démontrent la faisabilité de la détermination de la direction par comparaison de la réception par deux récepteurs montés de chaque côté de la proue d'un navire.

Des expériences sont ensuite menées indépendamment au Royaume-Uni et aux États-Unis.

A.J. Mundy

A.J. Mundy avait collaboré avec le Dr Elisha Gray sur la signalisation par cloches sous-marines (incluant l'envoi de messages). Il constate l'égalité de réception des sons par un microphone placé contre la paroi d'un chaudron rempli d'eau, qu'il soit à l'extérieur ou à l'intérieur. Le système peut donc être installé à l'intérieur du navire, et non plus à son extérieur. Ses tests sur une coque entière ne sont pas satisfaisants.

Evolution des éléments techniques

L'amélioration des cloches

Des expériences permettent de déterminer les modifications à apporter aux cloches utilisées dans l'air afin de les optimiser pour une utilisation sous-marine. Les notes hautes et claires sont les plus faciles à différencier des bruits étrangers. Les harmonies des cloches d'église sont néfastes dans l'eau. La forme des cloches évolue et leurs lèvres sont épaissies. La composition du bronze de la cloche s'écarte de l'alliage classique (22 % d'étain fin pour 78 % de cuivre rouge). Des systèmes de sonnerie électrique permettent de relier les cloches à des aides de surface.

Les récepteurs

Mise au point

Les études ultérieures américaines débouchent sur le "réservoir microphonique" de Kühl. Le microphone est placé dans un boîtier métallique rempli d'eau, hermétiquement clos et fixé à la paroi interne de la coque du navire, avec l'interposition d'une garniture élastique. Cette garniture intercepte les bruits parasites, qui trouvent dans la structure du navire une meilleure conductibilité que l'eau du réservoir. Ce réservoir, qui agit comme résonnateur, est de la taille d'un seau, au fond bombé. Le liquide du réservoir doit être de forte densité pour mieux capter les vibrations hautes.

Le dispositif de réception évolue, passant d'un simple récepteur placé sous la coque à deux hydrophones logés dans des caissons marins remplis d'eau, placés de chaque côté du navire, permettant ainsi de déterminer la provenance du signal. Une intensité plus élevée d'un côté indique que la source se situe de ce côté du navire, tandis qu'une intensité égale indique que la source se trouve directement dans l'axe du navire. Un boîtier indicateur de direction permet la sélection individuelle des récepteurs afin de comparer leur puissance de signal et ainsi déterminer la direction. En 1915, la précision dans l'évaluation de la direction de la source sonore est inférieure à deux degrés.

Leur placement dans le navire

Pour obtenir une réception claire, les chercheurs définissent quatre critères principaux :

• Ils doivent être éloignés des sources principales de bruit du navire : l'étrave et les hélices.
• Ils doivent éviter de varier avec le tangage et le roulis du navire, donc être à grande immersion.
• Leur éloignement de la quille doit être suffisant pour permettre une réception différente
• L'axe des récepteurs doit rester proche de la verticale, pour éviter la réflexion des ondes reçues sur la coque.

Les émetteurs

Le modèle adopté de la cloche pèse 70 kg et sa lèvre mesure 4 cm. Sa résonance est très réduite, pour permettre des ondes puissantes nettement séparées. À l'origine, les cloches sont actionnées par des marteaux électriques.

Sur les bateaux-phares, la cloche est suspendue et immergée à une profondeur entre 6 et 8 mètres. Le piston d'un cylindre mû, de préférence à la vapeur, par de l'air comprimé, actionne le battant. La puissance dynamique à fournir étant minime, l'énergie nécessaire ne pose aucun problème.

À terre, la cloche est suspendue à un trépied sur le fond marin, et reliée à une station côtière (en) par un câble.

La bouée Willson

Cette bouée lumineuse émet à la fois des signaux sous-marins et aériens. Sa lumière est comparable à celle des bateaux-phares. Elle a environ six mois d'autonomie. Le Département de la marine et des pêcheries du Canada la rend réglementaire.

Signalisation entre navires

Un système similaire de cloches sous-marines installées sur les navires permet la signalisation entre navires afin d'éviter les collisions par temps de brouillard.

Brevets

Dispositif de bouée de signalisation sous-marine à fixer aux bouées cloches.

La Submarine Signal Company est la première entreprise à s'intéresser à l'acoustique sous-marine. Fondée à Boston, dans le Massachusetts, elle transforme les recherches en une aide acoustique à la navigation. Elle devient rapidement l'expert national en matière de son sous-marin. L'entreprise développe, brevète et fabrique des signaux de cloche électromécaniques et des récepteurs embarqués.

On lui doit le premier système de navigation acoustique sous-marine électronique au monde en 1901.

Son récepteur acoustique (Brevet n°162600 en juin 1902 en Allemagne) permet d'éviter de toucher à la coque ou à la structure du navire, il est protégé des avaries, de maintenance aisée et d'apprentissage simple.

En mai 1904, la Submarine Signal Company brevète un émetteur acoustique destiné aux navires.

En 1907, la société fabrique le dispositif et recueille des données auprès des compagnies maritimes et des navires eux-mêmes sur le fonctionnement des signaux, notamment les distances auxquelles les signaux de stations spécifiques sont détectés. Ces données constituent une première base de connaissances sur les propriétés acoustiques des océans.

L'exclusivité des brevets de la Submarine Signal Company pour la France est acquise en 1928 par Schneider et Cie, puis en 1938, par la société Le Matériel électrique Schneider-Westinghouse.

Commercialisation

Les compagnies maritimes

La compagnie maritime allemande Norddeutscher Lloyd, prend rapidement conscience du potentiel du système. La société allemande Norddeutsche Maschinen und Armaturenfabrik (1902) fabrique le système sous licence de la Submarine Signal Company. et devient une pionnière dans sa mise en œuvre, tant dans les stations de signalisation que comme récepteurs embarqués. Les paquebots Kaiser Wilhelm II, Kronprinz Wilhelm et Kaiser Wilhelm der Grosse de la Norddeutscher Lloyd utilisent le système avec succès. Ainsi, le Kaiser Wilhelm II peut, tandis que les navires non équipés du système restent bloqués par le brouillard à l'embouchure de la Weser, entrer dans le port de Brème vingt-deux heures avant que le brouillard ne se dissipe. En utilisant les signaux sous-marins du bateau-phare d'entrée, le navire a pu pénétrer dans le port dégagé de brouillard pour débarquer passagers et marchandises. Après des tests navire-navire par la Norddeutscher Lloyd, elle annonce l'achat de cloches pour le port de Brême.

Le paquebot Lucania de la Cunard Line est équipé du premier dispositif de signalisation sous-marine entre navires. Après cette expérience positive, la Cunard Line annonce en 1905 que toute sa flotte en sera dotée. Les bateaux-phares Tongue et Royal Sovereign de la compagnie Zeeland. Les principales compagnies maritimes équipent leurs navires de cet appareil. Ainsi, la Compagnie Générale Transatlantique équipe les paquebots La Savoie, La Lorraine et La Provence en 1905 et 1906.

Les institutions

Aux États-Unis et au Canada

Le bateau-phare de Sandy Hook

Cloche pour les bateaux-phares (ouverte et fermée). Son mécanisme de frappe fonctionne à l'air comprimé.

Le Bureau des phares des États-Unis manifeste un certain intérêt, mais n'entreprend pas de démarches immédiates.

Le 3 mars 1905, une loi américaine autorise le financement d'aides à la navigation, notamment la signalisation sous-marine. Durant l'été 1906, Le Bureau des phares des États-Unis testent l'endurance des cloches sous-marines sur les bateaux-phares stationnés à Boston (n°54), Pollock Rip (en) (n°73), Nantucket (n°85), Fire Island (n°68) et Sandy Hook (n°51). Les États-Unis et le Canada placent ces signaux à des emplacements stratégiques. Le U.S. Lighthouse Board commande des systèmes pour le golfe du Mexique.

L'expérience des cuirassés de l'U.S. Navy dans le brouillard au large des hauts-fonds de Nantucket démontre que la flotte peut, à vitesse réduite, naviguer en toute sécurité et maintenir sa formation grâce à ces signaux.

Les États-Unis poursuivent en 1907 des tests à Détour Point sur le lac Huron. En octobre 1907, l'amirauté américaine annonce l'installation sur ses navires militaires].

Au Royaume-Uni

L'Amirauté britannique et Trinity House voient le potentiel du système. Elles mettent en œuvre des stations de signalisation et des récepteurs embarqués.

L'Amirauté britannique mène des essais du 29 au 31 octobre 1906 avec une cloche similaire à celle utilisée par les bateaux-phares américains. Ces essais étant concluants, l'Amirauté recommande son utilisation comme aide à la navigation côtière et mentionne son possible utilisation entre navires pour avertir et déterminer la direction d'un autre navire par temps de brouillard. L'utilisation entre sous-marins et navires porteurs est également évoquée, mais certains résultats concernant les sous-marins étant considérés comme purement militaires, ils ne sont pas publiés.

En France

La France, pourtant à la pointe de la sécurisation de ses côtes par éclairage, réagit tardivement à cette technologie. Les compagnies maritimes allemandes et néerlandaises demandent au gouvernement d'équiper les ports d'escale français.

Installations

En 1907, ces signaux sont d'usage courant, la plupart des grands navires étant équipés du dispositif de réception. Dix-neuf bateaux-phare américains sont équipés au 12 juin 1907, ainsi que les Grands Lacs. L'utilité de ces signaux devient évidente à mesure que de plus en plus de stations et de navires en sont équipés. Des capitaines de renom, tels que James B. Watt, commandant du Lucania, soutiennent fortement le système. Les compagnies maritimes commerciales mettent en avant cet équipement comme une mesure de sécurité.

La cloche sous-marine d'Ouessant vers 1910

En 1910, un rapport du département du Commerce des États-Unis indique que quarante-neuf signaux sont installés au 30 juin, la plupart sur des bateaux-phares. L'extension du système aux Grands Lacs révèle un problème avec l'installation du récepteur à la proue des navires de haute mer naviguant en eau douce par faible luminosité. La proue, et son récepteur, sont dans ces conditions presque hors de l'eau, ce qui réduit l'efficacité du signal et nécessite une solution de la part de la Submarine Signal Company.

Le Pas-de-Calais compte deux bateaux-phare équipés de cloche sous-marine à Dunkerque (le Sandettié) et Boulogne-sur-Mer. L'installation d'une cloche sous-marine à Ouessant n'est décidée qu'en 1909.

En mars 1913, 147 stations ou bateaux-feux sont installés, dont 53 aux Etas-Unis, 27 au Royaume-Uni, 16 en Allemagne, mais seulement 8 en France.

Les registres de classification

L'apport des appareils de signalisation sous-marine dans le domaine de la sécurité maritime est tel que les assureurs maritimes exigent de savoir quels navires en sont équipés, afin d'ajuster les risques liés à l'assurance des navires et des cargaisons.

Les organismes de classification (l'American Bureau of Shipping en 1907, la Lloyd's) incluent la présence de cet équipement dans les informations d'immatriculation, au même titre que la présence d'un système de radiocommunication. Dans les registres concernant les yachts et les navires, c'est la mention « Sub.Sig. », ainsi pour le yacht Noma et pour le Rochambeau. Cette mention perdure jusqu'au milieu du XX^e siècle.

Progrès technologiques

L'oscillateur Fessenden (1913)

L'oscillateur Fessenden

Reginald Fessenden, ingénieur-conseil de la Submarine Signal Company, commence en 1912 le développement de l'oscillateur Fessenden (en). Finalisé en 1913, puis développé et fabriqué en 1914, c'est un transducteur plus facile à installer et à entretenir, capable d'émettre et de recevoir. Il permet également une communication codée entre deux installations quelconques, y compris les sous-marins.

Si les cloches ont permis d'émettre des signaux, même des signaux codés d'identification, l'oscillateur Fessenden (en) répond à l'attente de la Submarine Signal Company qui recherche une méthode de communication acoustique. Les cloches sous-marine sont rapidement abandonnées au profit des transducteurs. Les installations équipées de transducteurs restent en service jusqu'à la Seconde Guerre mondiale.

La télégraphie sous-marine

L'oscillateur permet des avancées majeures dans le domaine de la télégraphie sous-marine, et de la communication téléphonique sous-marine. Fessenden démontre en juin 1914 l'efficacité de son dispositif en télégraphie sous-marine. Mais face à la radio maritime, ce dispositif est trop coûteux et tombe dans l'oubli.

La détection par le son

Le potentiel de détection par le son, appliquée de manière rudimentaire aux icebergs, devient crucial lors de la Première Guerre mondiale et de la guerre sous-marine, mais la Submarine Signal Company n'exploite pas la mesure de distance sonique qui intéresse Fessenden. D'autres acteurs prennent l'initiative dans la navigation et de la télémétrie sous-marines (SOund NAvigation Ranging), aujourd'hui connu sous son acronyme SONAR. La société devient néanmoins le principal fournisseur de sonars de l'U.S. Navy au cours des années suivantes.

La Première Guerre mondiale

Une note du Département de la Navy en date du 1^er février 1918 recommande que les signaux des sous-marins servant d'aides à la navigation, tout comme de nombreux feux, soient arrêtés afin de ne pas aider les sous-marins ennemis ou de devenir des points de rassemblement pour les navires cibles.

Les récepteurs existants, conçus pour détecter les signaux intentionnels, se révèlent incapables de détecter les sons parasites émis par les sous-marins. Harold J.W. Fay, de la Submarine Signal Company, est invité à rencontrer le chef du Bureau of Steam Engineering le 20 mars 1917, afin de discuter de la création d'une station de recherche acoustique à East Point, près de Nahant, dans le Massachusetts. Fay assure que des terrains seront mis à disposition. La Submarine Signal Company doit être rejointe par la Western Electric Company et la General Electric Company pour travailler sur le projet. Les 8 et 9 mai, des représentants des entreprises se réunissent à Washington pour établir des relations de travail.

Pour répondre aux préoccupations du Naval Consulting Board, qui craint que les intérêts de l'U.S.Navy ne soient pas pris en compte dans la recherche générale, un comité spécial de la Navy sur les dispositifs anti-sous-marins est chargé de superviser les travaux. Le commandant Clyde Stanley McDowell en est le secrétaire et occupe plus tard la même fonction à la station expérimentale navale de New London, dans le Connecticut. Le laboratoire anti-sous-marin de Nahant, achevé le 7 avril 1917, est le premier laboratoire d'acoustique anti-sous-marine de la Navy. Ce laboratoire, un ensemble de bâtiments protégés par une clôture de sécurité, est le lieu où la recherche sur les « signaux sous-marins » s'inscrit dans le nouveau domaine de l'acoustique anti-sous-marine.

En juillet 1917, le magazine Nature décrit La technique appelée « signalisation synchrone » combine des signaux de cloche avec des signaux radio coordonnés pour déterminer la distance directe au signal sans utiliser de chronomètre. Les signaux radio suivent une séquence de sonneries et le nombre de signaux reçus avant le signal de cloche suivant indique la distance en demi-milles.

Pendant et après la Première Guerre mondiale, la Submarine Signal Company étend ses activités aux sondeurs et autres équipements électroniques marins, notamment les radiogoniomètres et les radiotéléphones, à mesure que l'importance des aides acoustiques diminue avec l'essor et l'adoption de la radionavigation.

Fin du système de signalisation sous-marine

La signalisation sous-marine est supplantée par les progrès réalisés pendant la Seconde Guerre mondiale.

En 1946, la Submarine Signal Company est rachetée par l'American Appliance Company (qui plus tard deviendra Raytheon) et fusionne avec elle pour former la division marine de cette dernière, responsable de tous les produits à applications marines.

Notes

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Submarine signals » (voir la liste des auteurs).

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Liens externes

• Signaux sous-marins (Société de signalisation sous-marine, contexte et liste des navires, stations et observations de portée de détection)
• Illustrations dans le texte décrivant les détails techniques. (1914)