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Brillouin Light Scattering by Single Spherical Particles: An Exact Analytical Approach
A. Alevizaki, R. Sainidou, P. Rembert, B. Morvan, N. Stefanou
[Résumé]
Brillouin light scattering (BLS) is a powerful non-destructive technique
utilizing inelastic light scattering, due to phonon-induced spatiotemporal
variations of the refractive index of a material, in order to monitor its
frequency response in the hypersonic (GHz) regime. The recorded spectra
contain rich information for the eigenmodes of the system under study and,
in the last decade, have been used for the characterization of periodic
self-assembled colloidal structures, revealing their dispersion relation.
However, the lack of an exact, rigorous theoretical formulation, that
would take into account the interaction of light with the elastic field
inside the nanoparticles as well as in the interstitial region, has led to
indirect explanations either in terms of the eigenmodes, the scattering
cross section and the density of states of the individual particles or the
frequency band structure of the colloidal crystal, solely in the framework
of an elastodynamic description. It is nevertheless clear that only a
rigorous full elasto-optic theoretical approach can give the correct
relative intensities of the scattered light. For this purpose, we develop
such a theoretical formulation of BLS by single spherical particles in
vacuum, based on Green’s functions, and derive analytical expressions for
the BLS intensities, thus improving the computational efficiency and
accuracy of previous calculations. The case of a solid particle embedded
in an index-matching liquid is also discussed. This case, though more
difficult to treat, is of interest since the acoustic field is not
exclusively confined inside the particle, thus leading to a continuous
spectrum and not to a discrete one as for the particle in vacuum. The
above analytical considerations provide, also, the theoretical foundations
for a rigorous description of the effect as well as the extension of BLS
calculations to periodic structures (hypersonic phononic crystals).
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Dispositif expérimental pour la caractérisation de microphones capacitifs par grille d’entraînement en conditions contrôlées de gaz, pression et température
T. Lavergne, L. Risegari, R. Gavioso, C. Guianvarc’H, P. Honzik
[Résumé]
Les microphones capacitifs sont d’ordinaire utilisés dans l’air en conditions atmosphériques, et leur comportement y est bien connu et prédictible. Cependant, certaines applications requièrent aujourd’hui l’usage de transducteurs capacitifs (capteurs et sources) dans des conditions parfois très éloignées de celles atmosphériques, et pour lesquelles leur comportement reste encore méconnu.
Le dispositif expérimental présenté ici a pour but de caractériser le comportement de microphones capacitifs dans différentes conditions contrôlées de gaz, pressions et températures. Il repose sur la technique de la grille d’entraînement qui permet de mesurer la réponse en fréquence d’un microphone à une excitation d’origine électrostatique. L’ensemble grille-microphone-préamplificateur est placé à l’intérieur d’une enceinte hermétique, sous vide ou remplie de gaz noble (hélium, argon) à pression contrôlée entre 1Pa et 200kPa. L’enceinte est immergée dans un bain d’alcool/eau thermostaté ou d’azote liquide, et le système est équipé de plusieurs thermomètres et résistances chauffantes afin d’en assurer la stabilité et l’uniformité thermique sur une gamme d’environ 100K à 300K. L’utilisation de câbles longs et de passages étanches, inévitables ici, implique d’importants effets de diaphonie, qui sont éliminés en travaillant sans polarisation sur la grille d’entraînement, c’est-à-dire en exploitant uniquement son fonctionnement non-linéaire. La technique de l’insertion de tension permet d’éliminer l’impédance électrique du préamplificateur de la réponse du microphone à la grille d’entraînement et ainsi de déterminer sa réponse en fréquence à circuit ouvert. Enfin, le travail sous vide et en gaz léger peut favoriser l’apparition d’arcs électriques lors des mesures, un circuit permettant de réduire la tension de polarisation du microphone a donc été adjoint à son conditionnement.
Un tel banc de mesure peut servir de base pour la caractérisation de nouveaux transducteurs capacitifs dédiés à des utilisations spécifiques, hors conditions atmosphériques.
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Réalisation et Modélisation des Matrices de Micro-Transducteurs Ultrasonores
H. El Rammouz, F. Benmeddour, J. Assaad, E. Moulin, Y. Zaatar, Z. Herro
[Résumé]
Le Contrôle Santé Intégré (CSI) par ultrasons consiste à intégrer un système
de Contrôle Non Destructif (CND) directement dans la structure. Le CSI est
généralement basé sur l’utilisation de transducteurs piézoélectriques
fabriqués à partir de Titano-Zirconate de Plomb (PZT). Cependant, son
utilisation est restreinte suite à des problèmes environnementaux. Par
conséquent, l’utilisation de matériaux respectueux envers l’environnement
devient une nécessité. L’un de ces matériaux prometteurs est le Niobate de
Lithium (LiNbO3) qui possède des propriétés physiques attrayantes tel que son
large coefficient de charge
piézoélectrique.
Dans ce travail, d’une part, la propagation des ondes guidées dans une
structure de type plaque est modélisée à l’aide de la méthode des éléments
finis. Celle-ci est effectuée dans le domaine temporelle en utilisant deux
différentes méthodes de discrétisation : les différences finis et le schéma de
Newmark. La comparaison des résultats numériques entre ces deux méthodes
montre une très bonne concordance.
D’autre part, une matrice de micro-transducteurs est fabriquée sur un substrat
de Niobate de Lithium. Cette matrice sera caractérisée expérimentalement. En
perspective, ces résultats seront utilisées dans la modélisations numériques
de la matrice de micro-transducteurs.
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Développement de capteurs SAW à base de Fresnoite-strontium pour des applications à haute température
M.-S. Renoirt, F. Dupla, M. Duquennoy, N. Smagin, G. Martic, M. Gonon, M. Ouaftouh
[Résumé]
Il existe actuellement peu de céramiques piézoélectriques capables de garder leurs propriétés aux hautes températures. La majorité des ferroélectriques est limitée par la température de Curie et une dépolarisation rapide faisant chuter leurs performances à haute température. De rares cristaux, comme la Langasite, sont non ferroélectriques ce qui leur permet de garder des propriétés stables dans le temps jusqu’à des températures supérieures à 600∘C. Toutefois, l’absence d’une structuration en domaines ferroélectriques impose une utilisation sous forme de monocristaux coûteux et complexes à réaliser. Il n’y a donc pas, à l’heure actuelle, un matériau piézoélectrique facile à obtenir, économique et qui soit stable aux hautes températures et dans le temps. Les cristaux de Fresnoite-strontium (Sr2TiSi2O8) sont pyroélectriques mais les cristaux sont non polarisables, car ils ne présentent pas une structuration en domaines ferroélectriques. Une alternative à leur utilisation sous forme de monocristaux est possible dans le cadre d’une mise en œuvre par le procédé vitrocéramique, conduisant à une forme polycristalline texturée. Etant donné que la fresnoite-strontium reste stable jusqu’à au moins 600∘C, des applications à haute température sont envisageables, en particulier comme substrat de capteurs SAW. Sur base d’une composition de verre parent, des travaux de thèses en cours à UMONS visent à montrer l’adéquation des structures et propriétés piézoélectriques de ces vitrocéramiques, avec la possibilité de leur utilisation dans des dispositifs piézoélectriques générant des ondes de surface. Dans ce but, des tests ont été réalisés au sein du laboratoire IEMN-DOAE. Des transducteurs à électrodes interdigitées de fréquences 2, 5 et 10 MHz ont été réalisés en collaboration avec le BCRC-INISMA. Les premiers tests réalisés à température ambiante et jusqu’à 800∘C montrent de bonnes amplitudes et stabilités des signaux générés.
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Imagerie de propagation d’ondes de Lamb ultrasonores dans des structures élastiques multicouches par interférométrie laser
T. Brill, C. Klieber, J.-L. Le Calvez
[Résumé]
Dans l’industrie pétrolière le contrôle non destructif de tubes en acier cimentés dans les puits souterrains nécessite souvent l’utilisation d’ondes guidées (Lamb) ultrasonores. L’objectif de ces mesures est d’assurer que le ciment situé dans l’espace annulaire entre la formation rocheuse et les tubes est une barrière étanche. La méthode de mesure est basée sur l’excitation d’ondes fondamentales symétriques et antisymétriques dans l’acier. Les courbes de dispersion de ces ondes guidées sont affectées par le milieu entourant les tubes et les propriétés de propagation de ces ondes permettent de discriminer les milieux élastiques de l’annulaire (solide, liquide ou gazeux). En outre, bien que présent dans l’annulaire, le ciment peut être défectueux, avec par exemple des fissures ou des canaux qui peuvent compromettre l’isolation hydraulique entre différentes couches du puit et, in fine, son intégrité.
Nous présentons des résultats expérimentaux utilisant l’interférométrie laser et des modélisations afin d’explorer les dimensions spatio-temporelles de la propagation d’ondes Lamb et de les visualiser. Pour les mesures expérimentales, nous utilisons une série de matériaux liquides et solides derrière une plaque plane en acier. Ces matériaux ont différentes vitesses de propagation longitudinale, supérieures ou inférieures à la vitesse de propagation de l’onde guidée, et nous démontrons ainsi leur effet sur les courbes de dispersion. Enfin, nous étudions des effets sur la transmission et la réflexion des ondes de Lamb à travers des discontinuités élastiques comme des canaux internes de la couche inaccessible.
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Calcul de l’impédance d’entrée de la clarinette pour sa conception : Hybridation du calcul en éléments finis et de la mesure d’impédance
L. Hovasse, J. Cottier, J. Selmer, V. Gibiat
[Résumé]
Le baril de la clarinette, qui ne représente qu’environ cinq pourcents de la longueur totale de l’instrument, a un impact majeur sur le timbre et la justesse de l’ensemble de la clarinette. Cette partie démontable de la clarinette est certes facile à fabriquer, mais la multiplication des essais rend le développement d’une clarinette long et couteux. C’est pourquoi nous mettons en place une solution de calcul hybride simulation-mesure par éléments finis pilotée par un logiciel de post traitement pour simuler l’impédance d’entrée de la clarinette avec un baril numérique et ainsi comprendre le fonctionnement de cette partie de l’instrument. Des travaux antérieurs sur les becs et saxophones ayant permis de mettre en place cette démarche au sein de l’entreprise Henri Selmer, sont réalisés, dans un premier temps, des essais complémentaires pour valider la méthode de couplage sur une géométrie cylindrique simple. Dans un second temps sont effectués les calculs avec le baril simulé en ajoutant l’impédance mesurée du reste de lëinstrument comme condition limite en sortie du baril sur l’ensemble du premier registre de la clarinette. Ces mesures hybrides de la clarinette sont comparées à l’équivalent totalement mesuré sur l’ensemble du premier registre de la clarinette pour vérifier la validité du modèle et la précision obtenue. Enfin, différentes formes de barils sont simulées pour comprendre le fonctionnement de cette partie de clarinette.
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Analyse des fréquences de jeu d'instruments à vent en fonction de la nature de leur embouchure et de leur impédance d'entrée
N. Grauer, A. Guilloteau, M. Curtit, J. Cabaret, J. Gilbert
[Résumé]
Dans le cadre du développement du projet PAFI, le pôle d’innovation de l’Itemm met à disposition des facteurs d’instruments des outils de modélisation d’impédance d’entrée à partir d’une perce associée. La prédiction des fréquences de jeu de issues de ces modèles restes encore un vaste sujet de recherche. La présente étude se concentre sur l’analyse des fréquences de jeu qui sont ensuite comparées aux données d’impédance d’entrée, calculées et mesurées. Des campagnes de mesures ont été réalisées sur un ensemble d’instruments choisis pour représenter les différents systèmes excitateurs présents dans la famille des vents. Ainsi des fréquences de jeu de trois flûtes à bec, d’une flûte traversière, de deux trompettes et d’un uilleann pipe sont étudiés sur des musiciens de niveaux intermédiaires à professionnels et 3 niveaux de nuances musicales. Il est nécessaire d’ajuster la température pour comparer ces fréquences de jeu avec les fréquences de résonance. Ces impédances d’entrée, mesurées ou calculées, sont ajustées numériquement afin de prendre en compte une géométrie équivalente, représentative du couplage entre le résonateur et l’embouchure, permettant ainsi de dissocier les contributions isolées de chacune d’elles sur l’intonation. Il a parfois été nécessaire d’ajuster l’instrument testé pour l’adapter au capteur de mesure d’impédance. Après avoir analysé les écarts entre les fréquences de jeu, fréquences de la gamme tempérée et fréquences de résonance, il est possible de définir un modèle de prédiction de l’intonation d’un instrument en fonction du type d’embouchure, de la note jouée et de sa nuance.
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Controlling hypersonic phonon propagation in one component polymer nanocomposites
Y. Cang, J. Lee, R. Sainidou, P. Rembert, K. Matyjaszewski, M.R. Bockstaller, G. Fytas
[Résumé]
Phononic hybridization band gaps, originating from the anti-crossing between local resonant and propagating modes, are robust to structural disorder and hence attract particular interest in areas ranging from acoustics to thermo-optic devices. The study of hypersonic phononic crystals imposes substantial demand on fabrication and characterization techniques. Here, we employ polymer chains tethered on silica colloidal particles assuming different polymer density profile which depends on the grafting density and degree of polymerization. We recently pointed out that the brush architecture play a role in dynamical (local and global) and thermomechanical properties of particle-brush both in the individual and assembled (film) state. Through this new approach harnessing local anisotropy of the elastic parameters across the silica/polymer (polystyrene) particle’s interface, we tune the phononic band diagram, ω(k), of ordered (also known as ”particle brush”) films. Theoretical and Brillouin scattering analysis confirm both the robustness to disorder and the tunability of the resulting hybridization gap via variation of length and conformation of tethered polymer chains. Unlike usual hard colloids at nanoscale (e.g. close-packed silica arrays) a flat band of strongly localized rotational modes appears, originating from torsional vibration modes of the isolated particle-brush and, more interestingly, sensitive to the specific polymer chain architecture which controls the interactions between particles. The material crowding reduction in the solid-polymer interface leads to shrinkage of polystyrene chains and chain interpenetration between neighboring particles in the ordered films thus enhancing multiple scattering interactions. Moreover, swelling (which leads to matrix softening thus increasing the band gap width and lowering the frequency of the flat mode) is shown to be an additional stimulus to tune the phonon propagation and the band structure in such particle brush materials. Hence tuning of the band diagram in hypersonic phononic crystals becomes feasible through engineering of polymer chain architecture.
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Femoral Neck Phantom Imaging Using Time Domain Topological Energy Method
P. Rosa, D. Cassereau, W. Pereira, Q. Grimal
[Résumé]
Osteoporosis is a systemic disease that degrades bone quality and leads to fragility fractures with a high morbidity. Ultrasound is an alternative to traditional diagnostic methods which lack specificity and use ionizing radiations. Due to impedance mismatch and attenuation in bone, it is currently impossible to obtain an anatomical image of the internal structure of a bone, e.g., to measure the thickness of the cortical shell, with traditional signal processing in medical imaging.The aim of this work is to evaluate the ability of the time domain topological energy (TDTE) method to reconstruct images of the femoral neck and to evaluate cortical thickness. This method is derived from a topological optimization approach. TDTE uses a combination of theoretical models of the inspected medium and experimental signals. Experiments are conducted with a 128-elements probe with 5-MHz center frequency. The samples are immersed in water and positioned approximately 5 mm from the source. Wave propagation is simulated with Specfem 2D. The space and time discretizations are 30 µm and 1 ns, respectively, selected according to the CFL stability criterion. The method has been tested measuring a plate (thickness = 5 mm) and a femoral neck phantom (thickness = 1 mm) made with a material mimicking bone acoustical properties. The reconstructed images are then used to evaluate the thickness, and the results show an error below 1% for the thickness estimation. These experiments on phantoms pave the way for ex vivo experiments on human femoral neck.
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Constitution d'une base de données physiquement valide pour les approches de localisation de sources par Deep Learning sur antennes microphoniques intelligentes
H. Pujol, É. Bavu, A. Garcia
[Résumé]
Afin de s’affranchir des modèles de sources, d’environnement, de capteurs et d’antennes, nous développons
actuellement une approche de localisation de sources par Deep Learning, basée sur l’utilisation de réseaux
de neurones profonds.
L’explosion de l’efficacité de ces méthodes dans les domaines de la reconnaissance d’image et de
parole repose en partie sur l’architecture du réseau de neurones et des techniques de rétro-propagation
utilisées, mais également sur l’utilisation de bases de données réalistes de très grandes dimensions.
Dans notre cas, la qualité de l’apprentissage pour la localisation de sources sonores repose
également sur la qualité et le réalisme de la base de données d’apprentissage labellée , c’est à dire sur
l’obtention de données mesurées pour un grand nombre de sources, dont on connaît parfaitement la position
(le label ), dans des environnements potentiellement bruités et réverbérants. Pour cela, elle doit
également être acquise sur une antenne réelle de capteurs, avec ses défauts, le plus souvent négligés par les
approches de type modèles .
Nous présenterons la manière dont nous constituons notre base de données grâce à une synthèse de
champ en temps réel par Ambisonie d’ordres élevés sur la sphère de spatialisation SpherBedev du Cnam.
Le champ est reconstruit physiquement avec une grande précision dans le sweet spot contenant
l’antenne microphonique. De plus, nous utilisons un grand nombre de type de signaux émis, grâce à des
bases de données ouvertes, classiquement utilisées pour de la reconnaissance de sons urbains ou de signaux
vocaux. Nous ajoutons également à cette synthèse physique des profils de bruit spatialisés, enregistrés
grâce au microphone ambisonique MemsBedev. L’influence de l’environnement de mesure peut également
être encodé en composantes ambisoniques, ouvrant la voie à l’obtention d’excellents résultats de localisation
de sources par Deep Learning dans un grand nombre de cas expérimentaux.
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Identification de sources acoustiques par réfracto-vibrométrie et problème inverse
P. Lecomte, Q. Leclère, S. Ollivier, T. Lechat
[Résumé]
La réfracto-vibrométrie est une technique d’imagerie acoustique exploitant
l’effet opto-acoustique [1]. En mesurant à l’aide d’un laser la variation de l’indice de réfraction de l’air au passage d’une onde acoustique, il est possible de remonter à la pression acoustique. La mesure étant le résultat d’une intégration le long du trajet du laser, une hypothèse sur le champ acoustique est nécessaire pour retrouver la pression [2]. Le cas échéant, le champ de pression peut eôtre caractérisé en ayant recours a la tomographie [3]. Cependant, cette méthode est longue à mettre en place et n’offre qu’une cartographie en deux dimensions. Les travaux présentés décrivent une méthode de caractérisation de sources acoustiques par utilisation conjointe de refracto-vibrométrie et problème inverse. Le champ acoustique est scanné à l’aide d’un vibromètre laser à balayage visant une surface rigide rétro-réfléchissante. La mesure est répéteé pour plusieurs angles d’incidences. La source acoustique à caractériser est modéliseé comme une somme discrète de monopoles. La résolution du problème inverse exploite l’effet opto-acoustique pour les monopoles et permet de remonter aux débits de ces derniers. Un modèle de source équivalente est ainsi construit. Des résultats expérimentaux sont présentés pour une source à impulsion à arc électrique. [1] L. Zipser and H. H. Franke, ”Refracto-vibrometry-a novel method for visu-
alizing sound waves in transparent media,” Journal of the Acoustical Society
of America, vol. 123, no. 5, p. 3314, 2008.
[2] P. Yuldashev, M. Karzova, V. Khokhlova, S. Ollivier, P. Blanc-Benon,
”Mach-Zehnder interferometry method for acoustic shock wave measure-
ments in air and broadband calibration of microphones,” The Journal of the
Acoustical Society of America, vol. 137, no. 6, pp. 3314-3324, 2015.
[3] A. Torras-Rosell, S. Barrera-Figueroa, F. Jacobsen, ”Sound field recon-
struction using acousto-optic tomography,” The Journal of the Acoustical
Society of America, vol. 131, no. 5, pp. 3786-3793, 2012.
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Méthode alternative d'inversion des ondes de surface
D. Pageot, D. Leparoux, Y. Capdeville, P. Côte
[Résumé]
Dans le contexte actuel du développement des technologies d’éoliennes en mer, l’appréhension géotechnique des fonds marins est cruciale. Concernant le développement d’éoliennes en proche offshore une des questions clés repose sur la qualification des paramètres mécaniques du sous-sol et de leur variabilité spatiale. La vitesse des ondes sismiques de cisaillement (ondes S) est un des paramètres d’intérêt pour le dimensionnement géotechnique des fondations. Cependant, dans certaines zones telles que les 20 miles marins en Bretagne sud, les milieux superficiels du proche offshore présentent une complexité structurale importante. Ainsi, dans les contextes associés à la côte ouest française, où l’hypothèse de milieu stratifié plan (1D) ne peut plus être suivie, les méthodes sismiques reposant sur l’analyse de la dispersion des ondes de surface atteignent leur limite de validité. Face à ces verrous notre approche, inscrite dans le projet régional WeaMEC PROSE (https://www.weamec. fr/blog/recordproject/prose/) vise à définir la faisabilité de techniques d’imagerie de la géologie des sédiments sous-marins à partir de techniques géophysiques adaptées à la reconnaissance de milieux présentant de fortes variabilités spatiales. Pour ce type de contexte, les potentialités de l’Inversion de la forme d’onde démontrés en milieux terrestres par la prise en compte récente des ondes de surface sur des structures complexes ouvre des possibilités pour la reconnaissance du sous-sol lorsque les structures présentent des variabilités latérales. Cependant, l’efficacité de cette approche dépend fortement de l’acquisition (échantillonnage spatial, coupagle), de la redondance de l’information contenue dans les données et de la précision du modèle initial. Comme alternative, nous proposons ici une méthode d’inversion des diagrammes de dispersion d’ondes de surface, s’appuyant sur une méthode d’optimisation globale dite des essaims de particules et sur une discrétisation sparse du milieu, afin de reconstruire des images 2D lisses du sous-sol à partir d’un volume de données limité.
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Comportement acoustique d’un milieu granulaire à double porosité retenu entre deux plaques parallèles métalliques
F.Z. Kachkouch, H. Franklin, A. Tinel, A. Alem, H. Wang
[Résumé]
La majorité des matériaux présents dans la nature, comportent des hétérogénéités. C’est la raison pour laquelle l’étude de la propagation des ondes acoustiques dans de tels matériaux est un sujet d’un grand intérêt, avec pour objectif l’accès à plusieurs caractéristiques physiques et mécaniques. Nous examinons, par conséquent, les modes se propageant dans une couche à double porosité saturée d’eau et comprise entre deux plaques métalliques. Le milieu à double porosité est composé d’un solide élastique comportant deux porosités (microporosité et fractures) complètement connectées. Ce type de milieu obéit au modèle de Berryman et Wang qui prédit la propagation de trois ondes longitudinales et une onde transversale toutes dispersives et atténuées. Afin d’identifier certaines propriétés acoustiques de la couche à double porosité, une étude des coefficients de réflexion et de transmission, et des courbes de dispersion des modes se propageant à travers le milieu est réalisée. Des essais d’injection de particules fines d’argile au sein du milieu à double porosité sont effectués dans le but d’évaluer la réponse acoustique, par des méthodes ultrasonores non destructives, au dépôt de ces particules au sein des pores du milieu. Nous constatons une diminution de l’amplitude des signaux d’ondes transmises à travers le milieu après dépôt de particules fines. Les paramètres affectés par le colmatage ont été estimés par une méthode de minimisation d’écart entre les signaux obtenus à travers le milieu avant et après injection de particules fines.
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A Simplified Three dimensional boundary Element method with subsonic uniform flow
B. Barhoumi
[Résumé]
The presence of the flow in axisymmetric acoustic radiation and propagation
problems shows that the boundary integral
formulation developed in literature becomes signifcantly more complicated than
in the no-flow case because containing
the convection terms of the normal derivative and the flow direction derivative
for the convected modal Green’s function.
To obtain a formulation that is less complicated, we develop in this paper a
new analysis method and numerical
development of the direct boundary element method formulation for axisymmetric
acoustic radiation and propagation
problems in a subsonic uniform flow. This formulation is based on the
axisymmetric convected Helmholtz equation,
the convected modal Green’s function, the Fourier coefficient of the three-
dimensional convected Green’s function in
cylindrical coordinates system, independently of the explicit choice of the
flow direction arising from the Helmholtz
operator by the Prandtl-Glauert transformation and is expressed only in two
new terms, one concerning the particular
normal derivative similar to the particular temporal derivative and the other
concerning the non-standard normal derivative
reduce the convection terms of the convected modal Green’s function adapted to
the analytical resolution method
and classical numerical implementation.
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Caractérisation Acoustique à Haute Fréquence de Céramiques Poreuses pour les Transducteurs Ultrasonores
F. Levassort, J. Bustillo, D. Kuscer, T. Bakaric, M. Lethiecq
[Résumé]
Les céramiques piézoélectriques poreuses sont aujourd’hui souvent intégrées comme matériaux actifs dans
les transducteurs ultrasonores car elles permettent une meilleure adaptation mécanique tout en gardant des
propriétés électromécaniques semblables ou supérieures. Ces matériaux, non polarisés, peuvent aussi être
utilisés comme milieu arrière amortisseur (backing) dans ces transducteurs. Le taux de porosité permet
d’ajuster leur impédance acoustique et influence l’atténuation selon aussi la taille et la géométrie des pores. A
haute fréquence (>20 MHz), les mesures de ces propriétés acoustiques sont souvent difficiles avec les
dispositifs standards. Pour cela, nous proposons dans ce travail un dispositif original pour leurs mesures dans
la bande passante du transducteur utilisé. Pour cela, un film épais piézoélectrique est déposé par sérigraphie
sur le matériau poreux à caractériser. Cette structure est alors immergé devant une cible métallique afin de
mesurer sa réponse électroacoustique. L’écho correspondant est transmis vers le milieu arrière en passant à
travers le film épais. Si la couche de ce matériau est suffisamment fine, un signal sera réfléchi sur sa face
arrière (en contact avec l’air) et reviendra vers le film épais. Le temps de vol de ce signal est alors
suffisamment important pour être séparé de l’impulsion électrique initiale. En diminuant par étapes
successives l’épaisseur du matériau poreux (de 2 mm à moins de 750 µm), les vitesses de groupe, de phase
et des coefficients d’atténuation sont déterminés dans la bande passante de la structure intégrée (fréquence
centrale : 20 MHz ; bande passante -6dB : 50%). Pour cette étude, deux types de backing poreux ont été
fabriqués (PZT et KNN) ayant deux tailles de pores (1,5 et 10 µm) avec une fraction volumique de 15%. Les
valeurs des coefficients d’atténuation varient entre 0,7 et 4 dB/mm/MHz et les vitesses de groupe sont
d’environ 3400 m/s (PZT poreux). Ces résultats montrent clairement que ces matériaux sont adéquats pour la
fabrication de backings millimètriques minimisant l’encombrement de ces dispositifs.
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A Modal Boundary Element Method for Laplace problems
B. Barhoumi
[Résumé]
The boundary element method for three dimensional acoustic propagation and
radiation problems is based on the three dimensional Laplace equation and
its
fundamental solution. It is written in terms of the three dimensional Green
function and its normal derivative. In order to simplify the axisymmetric
acoustic problem, a modal boundary element method can be used. It is based
on
the modal Green function and its modal normal derivative. The modal terms
are
the Fourier coefficient of the three dimensional terms. The modal boundary
element method has two difficulties of the singularity and stability
problems.
In the classical axisymmetric formulation, the singularity problem is
evaluated by a numerical integral. The stability problem is solved by
analytical methods based on the recursive formula and the fast Fourier
transform which contain additionally terms. In this paper, we present a new method for obtaining the conventional modal
boundary element method applied for the axisymmetric radiation and
propagation
problems. In order to reduce the computational burden of the classical BEM,
the singularity problem due to a source point is taken on the generator at
an
observer point is solved by an analytical free term. It is based on the
angle
in the meridian plane. Additionally, the stability problem is solved by a
simple analytical recursive formula based on the Laplace coefficients and
expressed only in terms of complete elliptic integrals. The proposed
formulation is validated by a comparison with analytical solution of the
acoustic sources and with Finite Element Method for rigid duct.
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Effets du bruit sur les performances : Mécanismes psychoacoustiques et cognitifs
W. Ellermeier
[Résumé]
Les effets du bruit sur la mémoire à court terme, mesurés de façon objective, ont
été étudiés dans notre laboratoire au travers d’un grand nombre d’expériences. Le
facteur principal, qui émerge pour expliquer la détérioration de la mémoire en
présence du bruit - surtout la parole (”irrelevant speech effect” - ISE ) -, est
caractérisé comme une interférence par processus, quasi-automatique, qui dépend
de certaines qualités psychoacoustiques du bruit, par exemple sa ”force de
fluctuation”. Mais dans certaines circonstances, dépendant de la tâche et
surtout, quand il y a des éléments de surprise dans le bruit, un deuxième facteur
de distraction par capture attentionnelle entre en jeu. Dans nos expériences, les
conditions psychoacoustiques ont été étudiées en modifiant le détail spectral
(via ”noise vocoding”) et l’intégrité temporelle (via ”locally time-reversed
speech”) ; par contre les effets attentionnels ont été recherchés en
introduisant une coloration émotionnelle dans la parole à ignorer. En outre,
suivant si le signal brouilleur est dérivé de la langue de l’écouteur ou d’une
langue étrangère, il existe des différences significatives - ce qui implique la
contribution d’un mécanisme d’attention. En somme, les résultats - souvent
obtenus en coopération avec des collègues en France et au Japon - montrent que
les deux mécanismes (psychoacoustiques et attentionnels) sont additifs. Il
serait donc possible d’envisager différentes méthodes pour réduire les effets du
bruit sur les performances développées en situation bruyante.
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Transformation Acoustics, Phononic Stuctures and Applications
A. Norris
[Résumé]
Transformation acoustics (TA) offers the acoustical designer the potential to alter sound propagation in an exact manner that satisfies the wave equation regardless of frequency, high or low. This is the reason why TA is the foundation for exotic effects such as acoustic cloaking. Cloaking however requires acoustic properties that are anisotropic and difficult to realize in practice. After a review of the physical foundations of TA and its extension to elastic waves, the talk will concentrate on the special case of isotropic TA and its applications. The motivation for focusing on isotropic TA is that materials with the required properties can be readily realized by a wide variety of homogenized structures. We concentrate on underwater acoustic devices and show that quasi-phononic structures with unit cells comprising circular, square and other shaped cylinders in water provide the range of required properties. We will show that isotropic TA devices require only a change in effective bulk modulus, but not density. Several implications are explored: first, the ability of conformal mappings to yield highly accurate focusing lenses is described. These devices can act, by reciprocity, as monopole to highly one-way-wave radiators. The boundary of the TA region places constraints on the ability to properly match the impedance to the exterior acoustic medium. A class of focusing devices is described that are optimally matched in both impedance and focusing. Numerical examples and data from experimental measurements will demonstrate these ideas.
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Vibrations : de Helmholtz à Kupka
J.-L. Izbicki, G. Zissis, L. Baridon
[Résumé]
A partir du personnage d’Helmholtz, il s’agit de montrer la concomitance d’approches d’une partie de la science et de la peinture ”moderne” du début du vingtième siècle. Ainsi le mot abstraction désigne à la fois un type de peinture et une nécessité pour les scientifiques, et en particulier les physiciens et les chimistes, de ne plus se limiter à une description et à une visualisation du réel. Mais la résistance conservatrice sera rude en particulier en France!
Différents exemples seront donnés et en particulier la question courant électrique/ lumière électrique sera abordée. Quelles sont les réponses du début du vingtième siècle à c’est quoi le courant électrique, comment représente-t-on en peinture la lumière électrique ?
En définitive il s’agit aussi de montrer qu’une approche hybride mêlant science, histoire des sciences, histoire de l’art ne peut être que bénéfique intellectuellement à la ”lecture” des peintures.
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L’acoustique musicale, le son et l’oreille humaine : un parcours pluridisciplinaire
M. Castellengo
[Résumé]
Au carrefour des sciences exactes, des sciences humaines et de l’art musical,
l’acoustique musicale - qui s’est considérablement développée au cours de la
deuxième moitié du XXe siècle - tient aujourd’hui une place complexe au sein de
la galaxie acoustique. Parallèlement aux recherches théoriques et expérimentales qui visent à analyser
et modéliser le fonctionnement des instruments de musique, les techniques du son
- et singulièrement celles du traitement numérique - offrent la possibilité de
travailler avec les sons réels complexes de ces instruments, ceux à partir
desquels un musicien construit son expertise sonore. Nous évoquerons quelques
spécificités de l’écoute musicale par comparaison à celle des sons de
l’environnement ou de la parole. À l’aide de quelques exemples sonores et de leur analyse spectrographique nous
montrerons aussi l’intérêt d’une approche globale inspirée de la Gestalttheorie
ainsi que l’importance de la dimension temporelle à toutes les étapes de
l’écoute.
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Propagation du son dans l'atmosphère : simulations expérimentale et numérique
P. Blanc-Benon
[Résumé]
Les problèmes de propagation du son en extérieur sont dans la plupart des cas
complexes, car ils impliquent des phénomènes multi-physiques liés aux
inhomogénéités de l’atmosphère ou à l’interaction des ondes acoustiques avec le
sol. La caractérisation expérimentale de ces effets soulève
des difficultés majeures. Ainsi les caractéristiques de l’onde et les
fluctuations atmosphériques ne peuvent pas être mesurées simultanément le long
du trajet de propagation. En plus des effets de la turbulence atmosphérique,
les autres effets environnementaux doivent également être pris en compte, tels
que ceux dus à la réflexion au sol, à la topographie du site et à la
stratification atmosphérique.
Pour étudier expérimentalement la propagation des ondes acoustiques en
environnement complexe, une alternative aux mesures extérieures consiste à
effectuer des expériences à échelle réduite dans des conditions de laboratoire
bien contrôlées. Les expériences de laboratoire permettent d’étudier la
propagation avec ou sans turbulence, et d’identifier par exemple les effets
purement liés à la propagation en milieu turbulent.
Les expériences sont aussi complétées par des considérations théoriques, qui
fournissent une évaluation idéalisée mais contrôlée et reproductible de la
physique mise en en jeu. Enfin des simulations numériques sont nécessaires pour
prédire avec précision la propagation acoustique au-dessus d’un site réaliste
et les approches temporelles constituent un champ de recherche actif.
Nous confronterons les résultats obtenus à partir de simulations numériques à
des données expérimentales obtenues à la fois en laboratoire et en milieu
extérieur montrant qu’il est possible de considérer des problèmes réalistes
de propagation du son en extérieur avec des conditions météorologiques et
topographiques complexes.
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Chair(s) : |
F. Silva, Aix Marseille Univ., CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, 13453, Marseille Cedex 13, France |
L. Bailly |
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Mise en évidence des différents régimes de production des fricatives du français
B. Elie, Y. Laprie
[Résumé]
Les fricatives sont une classe de consonnes caractérisée par l’apparition d’un bruit de friction en aval de la constriction supraglottique. Certaines langues, dont le français, distinguent les fricatives sourdes des fricatives voisées, ces dernières se distinguant des premières par la présence des contributions périodiques de la source glottique due aux vibrations des plis vocaux. La présence simultanée des deux sources acoustiques d’origines et de natures différentes (au niveau de la glotte et périodique pour la source voisée, en aval de constriction supraglottique et apériodique pour le bruit de friction) requiert des ajustements fins aux niveaux glottique et supraglottique. Nous montrons en premier lieu des simulations acoustiques, effectuées à partir de géométries du conduit vocal correspondant aux fricatives du français, qui révèlent l’existence de trois régimes différents de production des fricatives en fonction de l’ouverture glottique. La présence d’un régime instable, correspondant à celui requis pour produire les fricatives voisées, apporte des éléments pour analyser et comprendre les stratégies articulatoires du locuteur lors de la production de fricatives. En effet, nous montrons ensuite que des analyses de signaux de parole mettent en évidence les différentes stratégies articulatoires employées par les locuteurs pour produire les fricatives voisées. Nous analyserons enfin les situations dans lesquelles apparaissent ces différentes stratégies.
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Modélisation de l’arbre bronchique
M. Hartenstein, F. Silva
[Résumé]
La phonation est un processus physique visant à la production d’ondes sonores porteuses, le plus souvent, d’une information. Elle résulte de l’interaction entre
l’écoulement d’air expulsé par les poumons, les vibrations des plis vocaux et les ondes acoustiques présentent dans le larynx. Au-delà de la théorie source-filtre, les
modèles actuels ne prennent pas en compte l’acoustique en amont du plan glottique et considèrent un contrôle direct de la pression subglottique supposée varier
de manière quasi-statique. Pourtant Titze (JASA 123(5), p. 2733-2749, 2008) démontre comment le comportement dynamique des voies aériennes inférieures peut
influer sur les seuils d’oscillation et d’éventuels sauts de fréquence lors de la production de glissando.
Des travaux récents ont modélisé de manière très simpliste ce résonateur structurellement complexe, par exemple avec un simple cylindre ou un pavillon
exponentiel. Nous proposons ici une lecture critique de ces modèles en étudiant l’impédance d’entrée de l’arbre bronchique obtenue à partir des caractéristiques
géométriques de la trachée et des bronches à la manière de Jackson et coll (ANN. Biomed. Eng. 23, p.740-749, 1995). L’approche retenue est celle d’un réseau
hiérarchique de guides d’ondes acoustiques, traité en implémentant le formalisme en ligne de transmission dans le langage Python orienté objet. Une attention
particulière est apportée aux phénomènes dissipatifs du fait de l’importance des surfaces en jeu dans les fonctions respiratoires. Ainsi nous comparons les effets
des pertes visco-thermiques et de l’élasticité des parois sur les résonances subglottiques.
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Impact acoustique des configurations articulatoires sur la production des trilles alvéolaires
B. Elie, Y. Laprie
[Résumé]
Les trilles se caractérisent par la modulation en amplitude quasi-périodique du signal de parole. Cette modulation est le résultat d’oscillations d’un organe articulateur, qui va modifier de manière cyclique l’aire de la constriction au point d’articulation du trille considéré. Ces sons requièrent généralement des conditions et des configurations articulatoires très précises qui peuvent rendre leur production difficile à maitriser pour certains locuteurs. Cependant, peu d’investigations ont permis de définir clairement ces conditions particulières du fait d’un manque de modélisation physique suffisamment réaliste pour étudier l’impact des configurations articulatoires et phonatoires sur la production des trilles. L’étude présentée ici propose un moyen de répondre à ces questions à l’aide d’un paradigme de simulation de la parole par modèle physique incluant un modèle auto-oscillant d’organes articulateurs responsable de trilles couplé à une géometrie réaliste du conduit vocal. Nous nous intéresserons dans cette étude au cas des trilles alvéolaires, qui font intervenir la pointe de la langue comme organe articulateur et la région alvéolaire comme point d’articulation. Nos simulations permettent de donner un aperçu des paramètres articulatoires et phonatoires qui favorisent ou non l’oscillation de la pointe de la langue. Nous verrons que ce paradigme de simulation peut également être utilisé pour synthétiser de la parole continue.
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Expressive Singing Synthesis using an Extended Source Filter Model
A. Roebel, L. Ardaillon, N. Obin
[Résumé]
We will describe Ircam’s concatenative Singing Synthesis system ISiS putting the focus on the following two aspects. First, we will describe the semi-parametric speech signal model that is used to adapt pitch and duration of the recorded singing database. The model consists of an extended source filter model using a deterministic and stochastic decomposition ( a pulse and noise model, PaN) including a parametric representation of the glottal source. Here we will notably discuss the underlying analysis of the glottal pulse parameters and we will discuss and demonstrate the improved signal transformation quality compared to more traditional approaches. Moreover we will discuss some recent approaches to establish high level control of the singing voice quality. Second, we will describe the recent evolutions of the singing style model that is used to generate the control parameters (f0, intensity contour and phoneme durations). The system initially presented at CFA2016 that is used to learn singing style models from historic recordings of popular French artists has been modified to take into account dependencies between different parameters and has been extended to include the intensity contours of the singing voice.
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Séparation périodique/apériodique robuste de signaux de parole
G. Chardon, B. Elie
[Résumé]
Le signal de parole est généralement constitué de la somme de diverses sources acoustiques situées à l’intérieur du conduit vocal. Il peut être alors intéressant dans certains cas de les analyser séparément. Par exemple, de nombreuses méthodes de séparation périodique/apériodique permettent d’analyser le taux d’apériodicité dans la production de voyelles. En revanche, il existe peu de méthodes permettant de séparer la source voisée des autres sources, généralement bruitées, lorsque ces dernières sont prédominantes, comme cela peut l’être lors de la production de consonnes. Nous proposons ici une méthode de séparation robuste au bruit et aux fluctuations locales de la fréquence fondamentale (jitter) du signal de parole. La méthode s’appuie sur la reconstruction de la base du sous-espace signal périodique qu’engendrent les sinusoïdes des différents harmoniques de la source voisée. Nous montrons à partir de signaux de synthèse que la prise en compte d’un modèle non-stationnaire permet de réduire fortement la sensibilité au jitter de la performance. Enfin, des applications sur des signaux réels de parole démontrent l’intérêt de telles méthodes pour analyser les signaux de parole.
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Optimisation d'un critère d'Intelligibilité de la Parole dans un Contexte Bruité Automobile
E. Gentet, B. David, S. Denjean, G. Richard, V. Roussarie
[Résumé]
Ce travail s’inscrit dans le cadre de
l’amélioration de l’intelligibilité des
signaux de parole en contexte bruité
automobile. Contrairement aux approches de
rehaussement il s’agit ici de réallouer
l’énergie de la parole pour améliorer sa
compréhension, mais sans modifier le RSB
(Rapport Signal sur Bruit) global.
L’approche étudiée consiste à effectuer
cette réallocation en maximisant une
fonction objectif basée sur le SII (Speech
Intelligibility Index). Ce critère est
calculé à partir d’une somme pondérée de RSB
sur différents canaux fréquentiels et il est
alors possible d’appliquer un égaliseur
dynamique aux signaux de parole sous la
contrainte donnée. À la différence d’autres
méthodes, nous proposons une résolution
exacte du problème d’optimisation du SII
avec adaptation dynamique aux signaux
(parole et bruit). Elle prend en compte la
sensibilité acoustique de l’utilisateur et
utilise une échelle de puissance adaptée au
contexte de manière à ne pas augmenter
l’intensité perçue. Des résultats
préliminaires montrent une nette
amélioration de l’intelligibilité et des
tests d’écoute subjectifs viendront valider
la méthode. L’influence des différents
paramètres d’ajustement de la méthode sera
détaillée pour d’une part, mettre en
évidence des aspects importants liés à
l’égalisation et d’autre part, relever
certaines limitations d’une approche basée
sur le SII.
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Chair(s) : |
J. Defrance, CSTB, 38400, Saint-Martin-D'Heres, France |
B. Gauvreau, Ifsttar, Cerema, UMRAE, 44344, Bouguenais, France |
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Modélisation de l’Impact du Bruit du Transport Routier sur la Santé Humaine pour son Intégration dans l'Analyse du Cycle de Vie
R. Meyer, C. Lavandier, E. Benetto
[Résumé]
Pour intégrer l’impact du bruit de trafic routier sur la santé humaine dans l’analyse du cycle de vie (ACV), une estimation de l’impact marginal et/ou moyen de ce trafic routier par unité de trafic est nécessaire. Cette unité de trafic peut être reliée soit à la distance parcourue pour un véhicule (véhicule-kilomètre), soit à son énergie émise (joule). La quantification en énergie sonore du trafic routier est plus pertinente dans le cadre de l’ACV mais demande de passer par un modèle d’émission acoustique. Les logiciels de modélisation du bruit du transport routier qui s’appuient sur des modèles d’émission et de propagation acoustique sont donc indispensables pour estimer cet impact. Ce dernier a été calculé en suivant une méthode originale, appliquée sur un nombre limité de zones géographiques (67 différents IRIS) de la région lyonnaise. L’impact moyen du bruit sur la santé humaine, trouvé dans ce travail, est du même ordre de grandeur que tous les autres impacts environnementaux du transport routier (pollution de l’air, changement climatique...). L’analyse de la variabilité spatiale des résultats a mis en évidence une disparité relativement faible et a permis d’établir des modèles simplifiés pour estimer l’impact marginal et moyen du trafic routier quantifié en termes d’énergie sonore. Ces modèles de régressions établissent une relation de puissance entre l’impact d’un joule d’énergie sonore dû au trafic routier et deux variables explicatives : la densité de population et la densité d’énergie sonore dans la zone. Ces relations simplifiées ont ensuite été appliquées sur des zones beaucoup plus larges, découpées en mailles, pour obtenir une idée de la variabilité spatiale à un coût de calcul beaucoup plus faible que les simulations correspondantes dans des logiciels de modélisation.
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Exposition environnementale au bruit et à la pollution de l’air au cours de la grossesse avec comorbidités associées : un sur risque d’accouchement prématuré ? Résultats de l’étude PrémaBquA
F. Mauny, S. Pujol, A. Barbier, D. Riethmuller, P. Sagot, G. Thiriez, M. Barba-Vasseur, H. Houot, J. Defrance, A.-S. Mariet, Q. Tenailleau, E. Benzenine, N. Bernard
[Résumé]
L’objectif était d’analyser le lien entre l’exposition environnementale au bruit et à la pollution de l’air en milieu urbain et la prématurité chez les femmes dont le risque d’accouchement prématuré était augmenté par la présence d’une ou plusieurs comorbidités.
Méthode.
Une étude cas-témoins a été conduite sur les grossesses uniques accompagnées d’au moins une comorbidité. Les accouchements ont eu au CHU de Besançon ou de Dijon entre 2005 et 2009. Le niveau sonore de nuit (Lnight en façade du bâtiment d’habitation) et la concentration en dioxyde d’azote (NO2) dans les 50 m autour de l’habitation ont été modélisés à l’adresse déclarée au moment de l’accouchement. Une régression logistique conditionnelle a été conduite. Résultats Au total, 507 cas et 1 996 témoins ont été inclus. Les expositions résidentielles moyennes au bruit (Lnight) et au NO2 étaient respectivement de 52,3 dB(A) et de 25,0 µg.m-3. Le nombre moyen de comorbidités par femme était de 1,7 (étendue=1-6) ; L’odds ratio associé à la prématurité était, pour 2 comorbités, de 1,17 (IC95%:1,34-2,18) et, pour 5 à 6, de 12,57 (IC95%: 4,29-36,80). Les odds ratios associés à la prématurité étaient de 1,23 (IC95%:0.97-1.56) pour une valeur de Lnight ≥ 55 dB(A) et de 0,83 (IC95 %: 0,61-1,13) pour une concentration environnementale en NO2 ≥ 40 µg.m-3.
Discussion.
Les résultats sont en faveur d’une relation de type dose-réponse entre le nombre de comorbidités et le risque de prématurité. Chez les femmes enceintes dont le risque de base est augmenté du fait de la présence d’une ou plusieurs comorbidités, le risque d’accouchement prématuré ne semble pas être augmenté par une exposition à de faible concentration de NO2. En revanche, les résultats sont compatibles avec un effet modéré de l’exposition environnementale au bruit sur le risque de prématurité.
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De la mesure à l'estimation de gêne sonore induite par le trafic routier en milieu urbain
R. Leiba, F. Ollivier, R. Marchiano, N. Misdariis, J. Marchal
[Résumé]
Le bruit, en particulier celui dû au trafic routier, est une préoccupation
sociétale majeure. Il influe sur notre qualité de vie mais aussi sur notre santé.
Pour quantifier l’exposition au bruit, les approches réglementaires se focalisent
sur l’utilisation d’indices énergétiques, principalement le Lden et le
LA,eq. Or ces indices ne rendent compte que partiellement de la gêne
effectivement perçue et exprimée. De nombreuses études récentes cherchent alors à
estimer le caractère gênant des sources de bruit avec d’autres indices que le
LA,eq. Dans cette étude, nous présentons une preuve de concept d’un
outil permettant d’estimer la gêne sonore associée à chaque véhicule du trafic
routier via l’extraction de son signal audio et de modèles de gêne sonore issus
de la littérature et adaptés à notre cas d’étude. Pour ce faire, le signal audio
du véhicule est isolé de l’ensemble du trafic routier urbain grâce à
l’utilisation de méthodes inverses et de grands réseaux de microphones ainsi que
du traitement d’images pour obtenir sa trajectoire. Grâce à la connaissance de la
trajectoire ainsi que du signal, le véhicule est classifié par une méthode de
machine learning suivant la taxonomie de Morel et al. Une fois sa
catégorie obtenue, la gêne spécifique du véhicule est estimée grâce à un modèle
de gêne sonore utilisant des indices psychoacoustiques et énergétiques. Cela
permet l’estimation des gênes sonores spécifiques à chaque véhicule au sein du
trafic routier. L’application de cette méthode est faite lors d’une journée de
mesure sur une grande artère parisienne.
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La qualité acoustique entre tradition et modernité
S. Debache-Benzagouta, Y.N. Benzagouta
[Résumé]
Au cours des 50 dernières années, la plupart des pays islamiques ont perdu
de leur patrimoine urbain et architectural ; Ils ont opté pour une structure
urbaine contemporaine importée des pays occidentaux et en conséquence, ont
perdu leur identité et ont raté l’occasion de préserver la valeur de leur
patrimoine architectural. Nos villes ont perdu leurs styles historiques et
l’impact de la modernisation a entraîné une rupture de la continuité entre
la morphologie urbaine traditionnelle et la structure urbaine contemporaine.
En revanche, les concepteurs occidentaux sont impressionnés par les médinas
et les villes anciennes. Ils recherchent et enquêtent sur les techniques et
les modes de construction anciens qui ont prouvés leur efficacité et leur
succès dans la réduction du bruit, de la chaleur, du froid et de
l’humidité, à l’intérieur des bâtiments. Ceci étant un message important pour les concepteurs modernes. Notre
patrimoine architectural est une force qui devrait relier et connecter
passé, présent et future.
Cette étude examine le confort acoustique et les intentions conceptuelles de
la maison traditionnelle ; elle compare les techniques utilisées pour
réduire le bruit dans les bâtiments traditionnels et les appartements
modernes et identifie comment intégrer la qualité sonore à la conception
architecturale. Le but étant de fournir une approche alternative pour les
concepteurs pour la création d’une architecture qui sera le patrimoine de
demain. Notre recherche vise l’interprétation des niveaux sonores objectifs
dans les espaces intérieurs et extérieurs des bâtiments d’habitation.
Parallèlement à ces mesures, nous établirons une corrélation entre
utilisation des différents espaces et zones des bâtiments et l’effet du
bruit sur les habitants. Notre intention est de présenter une étude
multidisciplinaire sur la qualité sonore dans les espaces habités et de
promouvoir les modes traditionnels de construction.
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Optimisation du bruit des installations de production électrique par une approche de design sonore
I. Schmich-Yamane, L. Brocolini, C. Lavandier, M. Alayrac
[Résumé]
Le bruit des installations de production électrique résulte d’une combinaison de nombreuses sources sonores dont la composition spectrale varie en fonction des équipements : bruits large bande principalement liés aux tours de refroidissement, bruits à émergence tonale issus par exemple des transformateurs et d’autres bruits dont le spectre est situé dans les fréquences moyennes. Afin d’étudier le désagrément du bruit industriel selon une approche ”design sonore”, 16 stimuli ont été créés en combinant un bruit de tours de refroidissement, un bruit de transformateur et une autre source de bruit industriel, mixés avec deux types de bruit de fond ( bruit routier et nature ). Via une interface informatique, 32 personnes ont joué sur la composition des stimuli industriels tout en gardant le niveau global constant à 40 dB(A) pour concevoir des stimuli ”optimisés. Trois types de stratégies ont été partagés par les participants. La stratégie la plus utilisée est de masquer les émergences tonales par du bruit large bande de tour de refroidissement. Pour ce groupe de participants, le stimulus optimisé moyen est alors perçu ”un peu plus agréable” que le son original (échelle continue allant de ”Beaucoup plus désagréable” à ”Beaucoup plus agréable”) et l’augmentation d’agrément ressentie à l’écoute du stimulus optimisé est équivalente à une réduction de niveau sonore du son original d’environ 3 dB(A). Un second groupe ne modifie que très peu le son original et de ce fait le gain d’agrément est quasi nul. Enfin, 3 personnes ont tendance à diminuer le bruit large bande. Ce nombre de participants est bien trop réduit pour conclure statistiquement à une vraie stratégie d’optimisation.
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Modélisation stochastique pour la production de cartes de bruit multi-sources
P. Aumond, A. Can, L. Jacquesson, C. Lavandier
[Résumé]
La méthodologie de création des cartes sonores réglementaires est maintenant standardisée, notamment dans le cadre d’application de la directive européenne de 2002. Cette approche cartographique souffre néanmoins de limites, mises en exergue lors de sa confrontation à l’expérience terrain. Il a été démontré que la dynamique des environnements sonores ainsi que la présence de sources de type naturelles (par exemple les oiseaux) ou humaines (les voix) jouent un rôle important sur la qualité des environnements sonores perçus. Cependant, l’indicateur de niveau sonore équivalent Leq ne donne pas d’information sur la distribution des niveaux sonores et seules les sources de transport (principalement la circulation routière) sont intégrées dans le modèle standard. Pour pallier à ces limites, une approche stochastique et multi-source a été utilisée dans cette étude pour modéliser les environnements sonores urbains. Une comparaison des résultats avec les mesures acoustiques et perceptives, issues d’une campagne de terrain sur les XIIIe et XIVe arrondissements de Paris, permet de démontrer l’intérêt de l’usage de ce type de modélisation. Les cartes sonores multi-sources sont produites à l’aide du plugin de calcul NoiseModelling intégré au SIG open source OrbisGis.
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Outil d’aide à la décision pour la réalisation de mobiliers urbains acoustiques (Projet RÉMUS)
J. Defrance, J. Maillard, J.-D. Laforgue, S. Bouakil, B. Brunet
[Résumé]
L’objectif du projet RÉMUS est de créer et de mettre à disposition, notamment des maîtres d’ouvrage, un outil d’aide à la décision pour la réalisation de mobiliers urbains innovants de type écran antibruit de faible hauteur (1 mètre) et visant la réduction de l’impact acoustique des transports terrestres dans les lieux de vie urbains. Pour ce faire, il a été proposé d’élaborer un guide interactif permettant de juger, en amont d’un projet d’aménagement urbain, de la pertinence d’intégrer une protection sonore de ce type dans un contexte donné. Cet outil d’aide à la décision vise à prendre en compte conjointement les aspects de performances et d’intégration.
Dans une première phase, nous avons défini les paramètres architecturaux, environnementaux et acoustiques à faire varier (morphologie urbaine, type de trafic,...), afin de créer un ensemble complet de scénarios urbains réalistes, ceci en zoomant sur le cœur de ville. Parallèlement, nous avons choisi des indicateurs permettant d’évaluer a priori les performances du mobilier antibruit. Ces indicateurs sont de trois types : acoustiques, urbains et routiers. Dans une deuxième phase, des simulations ont été réalisées pour chaque scénario de manière à obtenir, d’une part, une évaluation quantitative de l’intégration basée sur les indicateurs proposées et, d’autre part, une évaluation perceptive de l’apport du dispositif de protection à partir de séquences sonores pour différents points d’écoute. Dans une dernière phase, l’ensemble de ces résultats ont été réunis dans un guide d’aide à la décision sous la forme de contenu interactif disponible en ligne sur internet. Le but est que le rendu des simulations soit clair et réutilisable.
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Méthode de mesurage in situ de la performance acoustique d'un dispositif antibruit urbain : essais préliminaires et retour d'expérience
A. Jolibois, P. Guittat, P. Ducruet, J. Defrance
[Résumé]
Suite à un intérêt croissant de l’ensemble des parties prenantes de la ville
pour améliorer la qualité sonore urbaine, la question de l’implantation de
dispositifs antibruit urbains est devenue de plus en plus prégnante. Grâce au
soutien de l’Ademe et du Cerema, le groupe de travail CNEA-U (rattaché à la
CNEA) a mené plusieurs actions de recherche et développement concernant les
écrans acoustiques urbains, notamment le prototypage de nouveaux produits et
le développement d’une nouvelle méthode de mesurage de la performance
acoustique in situ. La méthode, développée et préfigurée par le CSTB, est
dérivée des méthodes normalisées EN 1793-5 et -6 de mesures de performances
d’écrans en champ direct (dites méthodes Quiesst). Cette nouvelle méthode
propose plusieurs indicateurs de performance traduisant l’effet de réduction
du bruit pour un dispositif antibruit urbain particulier, en s’affranchissant
le plus possible des conditions environnementales du site d’implantation.
Suite à la réalisation de trois prototypes différents et leur installation sur
un site industriel début 2017, la méthode a pu être testée et analysée par un
ensemble d’acteurs. Des écarts-types de reproductibilité ont pu être mesurés
et un premier retour d’expérience a pu être mené. Les conclusions de ces
travaux seront présentées et discutées.
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Chair(s) : |
B. Gauvreau, Ifsttar, Cerema, UMRAE, 44344, Bouguenais, France |
J. Defrance, CSTB, 38400, Saint-Martin-D'Heres, France |
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Suivi des performances acoustiques de revêtements de chaussées peu bruyants
C. Ribeiro, J. Lefebvre, K. Ibtaten, F. Mietlicki, M. Sineau
[Résumé]
En 2012, la Ville de Paris a démarré une expérimentation sur un tronçon de 200 m du boulevard périphérique parisien afin de tester l’utilisation de revêtements de chaussées peu bruyants et leur pérennité acoustique et mécanique au cours du temps, dans un contexte de fort trafic routier. Au terme du projet HARMONICA soutenu par le projet européen LIFE +, Bruitparif a maintenu une station permanente de mesure du bruit au niveau du terre-plein central afin de suivre l’efficacité acoustique du produit testé sur plusieurs années.
En collaboration avec la DIRIF, des suivis similaires ont été mis en œuvre récemment par Bruitparif à proximité d’habitations riveraines de grandes infrastructures routières traversant le territoire francilien, telles que les autoroutes A4 et A6. L’exploitation des données de mesure a permis de dresser un bilan détaillé de l’exposition au bruit des riverains préalablement au remplacement du revêtement de chaussées, mais également d’affiner la carte de bruit stratégique produite dans le cadre de la directive européenne 2002/49/CE. L’exploitation des stations de mesures permanentes permettra de suivre l’évolution des performances acoustiques des nouveaux revêtements de chaussées au cours du temps.
Bruitparif est partenaire du projet européen LIFE COOL AND LOW NOISE ASPHALT piloté par la Ville de Paris et dont le but est de tester, sur trois sites parisiens fortement exposés au bruit routier, trois formules innovantes de revêtement bitumeux pour lutter contre la pollution sonore et le réchauffement climatique. Les enrobés combinent des propriétés phoniques, thermiques et mécaniques, en particulier durabilité.
Les résultats de ces expériences seront présentés et discutés dans ce document. Pour la présentation orale, les résultats seront mis à jour au cours de l’année 2018, soit presque six ans après le début de l’expérience pour le boulevard périphérique et un an pour les autoroutes A4 et A6.
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Évolution de l’environnement sonore suite à la fermeture à la circulation de la voie sur berge rive droite à Paris
M. Sineau, F. Mietlicki, T. Montagnon
[Résumé]
Depuis septembre 2016, la voie sur berge rive droite de la Seine est fermée à la circulation sur 3,3 km. Bruitparif a mis en place un système d’évaluation des modifications sur l’environnement sonore apportées par cette fermeture. Ce système a reposé sur la mise en place de mesures de bruit sur 90 sites dans et autour de Paris ainsi que sur la réalisation de modélisations. Au terme d’une année de suivi, il a été possible d’établir les constatations suivantes : 1. Le report de trafic de la voie sur berge vers les quais hauts a entraîné une augmentation du bruit de la circulation pour les riverains des quais hauts. Ceci est plus prononcé la nuit (jusqu’à 4 dB (A) d’augmentation en façade de certaines habitations) que le jour (augmentation inférieure à 2 dB (A)). Cependant, pendant la période diurne, une augmentation des pics de bruit (klaxons, sirènes des véhicules d’urgence ...) en lien avec une congestion renforcée a été également observée. 2. D’autres axes parisiens ont également subi une légère hausse de bruit vraisemblablement en lien avec des reports de trafic, mais de manière plus limitée (de l’ordre de 1 dB (A)). 3. En dehors de Paris, en particulier sur le périphérique et sur les voiries principales, aucun changement significatif n’a pu être noté. 4. Le bruit de la circulation a par contre nettement diminué sur les berges désormais piétonnisées, ainsi que sur les façades des premiers bâtiments situés sur l’île de la Cité et l’Île Saint Louis, en face de la rive droite de la Seine. Cependant, avec les beaux jours et les aménagements réalisés sur les berges (restaurants, terrasses, loisirs...), de nouvelles sonorités (musique, voix humaines) sont apparues en lien avec les activités récréatives, compensant ainsi, pour partie, la baisse du bruit de la circulation.
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Estimation du niveau sonore du trafic routier au sein de mixtures sonores urbaines par la Factorisation en Matrices Non négatives
J.-R. Gloaguen, A. Can, M. Lagrange, J.-F. Petiot
[Résumé]
La création de cartes de bruit de trafic en ville, imposée par la directive européenne 2002/49/EC, est issue d’un processus de simulation basé sur un modèle du tissu urbain et des outils de propagation acoustiques. Ces cartes sont purement prédictives et ne sont disponibles que pour des échelles de temps très larges, ce qui ne permet pas de rendre compte correctement de l’évolution permanente du trafic routier. Le déploiement actuel de réseaux de capteurs acoustiques en ville, dans le cadre des Smart Cities , est l’opportunité d’améliorer ces cartes en complétant les données simulées par des données mesurées in situ. L’utilisation d’une méthode de séparation de sources est néanmoins nécessaire pour extraire des enregistrements la composante signal trafic des autres sources sonores présentes en ville. La méthode retenue ici pour ce faire est la Factorisation en Matrices Non négatives (NMF) qui présente l’avantage de prendre en compte naturellement le recouvrement des nombreuses sources sonores qui composent l’environnement sonore urbain. Une fois ce signal trafic extrait, son niveau sonore peut être estimé. La méthode est testée sur un ensemble de scènes sonores simulées générées à partir d’annotations d’enregistrements faits en ville. Cette approche permet de disposer d’une mesure étalon qui est comparée aux estimations générées par différentes configurations de la NMF. Les résultats obtenus montrent que la méthode NMF offre de meilleurs résultats que des approches de références basées sur des filtres et peut faire l’objet d’une implantation future au sein de réseaux de capteurs intelligents.
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Calibrage Acoustique de Smartphones pour la Mesure du Bruit dans l’Environnement
J. Picaut, N. Fortin, P. Aumond
[Résumé]
L’utilisation de smartphones pour la mesure du bruit dans l’environnement est
en constante augmentation, notamment en raison de la diffusion récente
d’applications spécifiques. Une des principales critiques, est l’absence
quasi-systématique de calibrage des smartphones par leurs utilisateurs et qui
amplifie la moindre qualité métrologique de ce type de dispositif. Si, par
exemple dans les approches de mesure collaborative du bruit (comme le projet
NoiseCapture), cette absence de calibrage peut éventuellement être compensée a
posteriori, un calibrage préalable des smartphones permettrait d’apporter une
plus grande confiance aux mesures réalisées. Pour les besoins de l’application
NoiseCapture, une méthode de calibrage a donc été spécifiquement développée,
et fait l’objet de la présente communication. Le principe repose sur
l’utilisation d’un smartphone de référence, préalablement calibré,
communiquant de manière automatique avec d’autres smartphones, à calibrer, par
le biais d’un protocole de communication acoustique. Le calibrage est
prioritairement réalisé dans un dispositif fermé, générant un champ sonore
diffus et de référence, ce qui permet de calibrer plusieurs appareils
simultanément. L’opération de calibrage peut également être réalisée avec un
signal sonore quelconque, synthétique ou réel, ce qui permet potentiellement à
tout utilisateur d’un smartphone calibré, de calibrer à son tour d’autres
appareils, sans dispositif particulier.
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Identification des sources dans un problème inverse d’Helmholtz par algorithme génétique
B. Goujard, A. El Hamidi, A. Sakout
[Résumé]
On s’intéresse au problème inverse d’Helmholtz dans le cas bidimensionnel. Un certain nombre de sources acoustiques ponctuelles sont supposées disposées dans un domaine homogène entouré d’une frontière fermée.
À partir de la seule donnée de la pression complexe sur la frontière, un algorithme génétique est mis en œuvre pour identifier la position et l’intensité de chacune des sources successivement grâce au produit scalaire de leur trace sur la frontière.
L’algorithme est notamment testé sur un domaine carré, de côté égal à dix fois la longueur d’onde, pour des configurations aléatoires d’un nombre donné de sources d’intensités égales ou étagées. La position de l’ensemble des sources est correctement détectée pour 5 sources dans plus 80 % des cas. L’analyse des résultats montre toutefois que, pour un nombre de sources donné, la détection se révèle, selon les configurations, systématiquement exhaustive et correcte ou nettement plus difficile dans les conditions fixées.
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Chair(s) : |
B. Gauvreau, Ifsttar, Cerema, UMRAE, 44344, Bouguenais, France |
J. Defrance, CSTB, 38400, Saint-Martin-D'Heres, France |
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Un outil de comparaison pour les modèles numériques de propagation en acoustique environnementale
P. Chobeau, J. Picaut
[Résumé]
Les méthodes numériques appliquées à la propagation acoustique dans l’environnement bénéficient de puissances de calcul de plus en plus conséquentes. Celles-ci permettent de simuler des domaines de tailles importantes avec la prise en compte de conditions aux limites proches de la réalité du terrain. Avant d’être appliqué à des scènes acoustiques réalistes, le modèle numérique, durant sa phase de développement, doit être vérifié et validé. L’étape de vérification consiste à comparer les résultats numériques aux solutions analytiques disponibles pour des scènes académiques simplifiées. L’étape de validation consiste, quant à elle, à confronter les résultats numériques aux résultats de mesures effectuées sur le terrain.
Ces deux étapes permettent de déterminer les limites (fréquentielles, spatiales) du modèle numérique, ainsi que d’estimer le pourcentage d’erreur sur les résultats renvoyés par les simulations.
L’outil de comparaison proposé s’attache plus particulièrement à fournir un moyen de vérification pour des applications en acoustique environnementale. Ces vérifications se font à partir de scènes géométriques simplifiées de dimension deux. Cinq cas tests (scènes acoustiques) sont proposés. L’utilisateur définit le placement de la source et des récepteurs, ainsi que la plage fréquentielle d’intérêt. Le code développé en langage Python version 2.7 renvoie l’erreur relative à la solution de référence (analytique), ainsi que sa représentation dans la norme spatiale (2 ou max) sélectionnée afin d’observer le taux de convergence sur un minimum de quatre grilles spatiales. Des exemples de comparaisons sont fournis pour des méthodes numériques temporelle et fréquentielle.
Ce code est accessible via une interface web développée au sein de l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (Ifsttar). Cet outil est ouvert à contribution en vue de son extension à d’autres scènes académiques, mais également pour partie la vérification des codes à partir de campagnes de mesures.
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Résultats expérimentaux sur la propagation de sons impulsionnels en extérieur
S. Cheinet, M. Cosnefroy, L. Ehrhardt, A. Dagallier
[Résumé]
Même sans obstacles ou relief, la signature des sons impulsionnels en environnement extérieur est fortement altérée par les effets de propagation (réflexion sur le sol, réfraction moyenne par l’atmosphère, impact de la turbulence). L’ISL, en coopération avec des instituts allemand et américains, a récemment mené une campagne expérimentale pour caractériser ces effets. L’expérience ADVISE (Atmospheric-Driven Variability of Impulse Sounds Experiment), réalisée pendant une semaine sur un terrain plat, exploite 14 capteurs synchrones et deux sources impulsionnelles reproductibles. Les configurations intègrent la propagation en amont, en aval, et en transverse du vent, à des distances atteignant 450 m. Des mesures atmosphériques in-situ et du sol sont mises en œuvre pour caractériser l’environnement. L’analyse montre comment les différents processus de propagation (sol, réfraction, turbulence) se combinent pour expliquer la diversité et la variabilité stochastique des signatures mesurées. L’impact de cette physique sur la perception et la surveillance des sons impulsionnels est discuté.
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Modélisation temporelle de la propagation à longue distance des sons impulsionnels en trois dimensions
M. Cosnefroy, S. Cheinet, L. Ehrhardt, A. Dagallier, D. Dragna, D. Juvé
[Résumé]
Les propriétés des sons impulsionnels se propageant proche du sol dépendent fortement de l’atmosphère et du sol en ce qui concerne l’amplitude, le contenu fréquentiel et le temps d’arrivée. La simulation numérique dans le domaine temporel permet de décrire fidèlement ces aspects de la propagation en milieu extérieur pour des sons large bande et permet d’étudier les interactions entre les effets de sol, de réfraction dus aux gradients atmosphériques verticaux et de diffusion par la turbulence. De tels calculs nécessitent cependant de grandes ressources informatiques pour la propagation à longue distance tridimensionnelle. Un modèle de différences finies d’ordre élevé dans le domaine temporel est présenté, auquel est associé une méthode de fenêtre glissante qui permet de réduire significativement les dimensions du domaine de calcul. Les distances de propagation rendues ainsi possibles sont néanmoins très contraignantes pour les conditions d’absorption sur les bords du domaine, nécessaires pour simuler un milieu semi-infini : les ondes acoustiques deviennent rasantes à longue distance et peuvent engendrer des réflexions indésirables susceptibles de détériorer la solution. Une formulation très performante de couches absorbantes parfaitement adaptées est introduite, dont les paramètres sont automatiquement choisis de telle sorte à optimiser l’absorption des ondes à incidence rasante. Les résultats numériques sont comparés à des mesures expérimentales pour des impulsions se propageant sur une distance de 100 mètres au-dessus d’un champ d’herbe, en considérant un gradient vertical de vent favorable puis défavorable.
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Chair(s) : |
T. Hélie, Equipe S3AM, IRCAM-CNRS-Sorbonne Université, UMR9912, 75004, Paris, France |
J.-L. Le Carrou, Sorbonne Université, F-75005, Paris, France |
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The Secret Life of the Monstre Acoustique: Factors Affecting Intonation and Timbre of Serpents
M. Campbell, A. Myers
[Résumé]
In 1972 Emile Leipp published an article in which the musical wind instrument called the serpent was described as a ’monstre acoustique’. It is true that some features of the construction of serpents, most significantly the diameter and spacing of the side holes, are inconsistent with generally accepted acoustical design principles for successful wind instruments. Nevertheless, the serpent continued in regular use in church music for more than two centuries after its invention in the late sixteenth century, and appeared in numerous orchestral scores in the first decades of the nineteenth century. Recently several virtuoso performers have demonstrated that the monstrous reputation of the serpent’s acoustics is perhaps undeserved, and requires some reconsideration. The present paper reports input impedance measurements on a number of serpents and related side-hole labrosones. Analysis is carried out on the relationship between fingering patterns, resonance frequencies, and the pitches and timbres of playable notes.
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L’effet acoustique des cordes mortes du clavicorde
J.-T. Jiolat, C. d'Alessandro, J.-L. Le Carrou
[Résumé]
Le clavicorde est un instrument à clavier dont l’origine date du XIVème siècle. Lorsqu’une des touches du
clavier est enfoncée, un élément de métal (appelé tangente) rentre en contact avec la corde, jouant le rôle
à la fois d’excitateur et de sillet, mettant en vibration celle-ci mais aussi la portion des cordes entre
chevalet et chevilles d’accord qui est laissée libre. Dès lors, ces cordes, dites mortes, se mettent à vibrer par
sympathie, venant ajouter une impression de réverbération et un renforcement du son. Le but de ce travail
est d’étudier et de quantifier l’effet des cordes mortes. Pour ceci, des mesures vibratoires et acoustiques
sont menées sur un clavicorde lié (copie de Hubert, 1787). Deux micros mesurent le son et 4
accéléromètres disposés le long du chevalet, et un sur la touche jouée, mesurent la réponse vibratoire à
diverses excitations : marteau d’impact, jeu de plusieurs touches au clavier par un doigt robotique. Les
mesures sont conduites sous 8 conditions, combinant cavité sous la table d’harmonie libre/étouffée, cordes
chevalet/chevilles libre/étouffées, cordes sillet/chevalet en état normal/sur-étouffées. L’analyse des
signaux permet de tester une hypothèse de linéarité de l’effet des cordes mortes, de la cavité et des cordes
de jeu et de quantifier le renforcement spectral de chacun de ces éléments vibrants.
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Reconstitution Virtuelle des Trompes (cornua) de Pompéi par la Synthèse dite par Modélisation Physique
R. Caussé, R. Piechaud
[Résumé]
Ce projet multidisciplinaire (sciences humaines, acoustique, science des matériaux, facture instrumentale, synthèse sonore et musique) s’inscrit dans le programme Paysages sonores et espaces urbains de la Méditerranée ancienne porté par les trois Écoles de l’étranger (EFR Rome ; EFA Athènes et IFAO Le Caire). La présentation insistera principalement sur l’étude acoustique et la réalisation de copies virtuelles de ces trompes antiques découvertes en 1852 et 1884.
Dans les réserves du Musée Archéologique de Naples, cinq reconstitutions incomplètes de cornu ont été analysées. Issues d’une dérestauration de 1979, ces reconstitutions sont composées de différents fragments montés sur un tube en plexiglass fixé sur une planche, rendant l’étude difficile en particulier pour le relevé de la perce. Deux embouchures aux dimensions légèrement différentes ont complété l’ensemble analysé.
L’objectif de cette facette de l’étude était de répondre à de nombreuses interrogations dont certaines sont listées à la suite :
- peut-on considérer que la reconstitution actuelle est correcte étant donné l’état de conservation des cornua ?
- existe-t-il des différences entre les cinq instruments ?
- quelles notes pouvaient-ils émettre ? Avec quelle justesse, quel timbre, quelle facilité, quelle puissance, etc. ? Pour quel diapason ?
Pour y répondre, nous nous sommes appuyés en outre sur nos connaissances actuelles sur les instruments à vent de type cuivres et sur les outils de CAO comme le logiciel Resonans, permettant de calculer les résonances de l’instrument pour une perce donnée. Pour la synthèse sonore, nous avons utilisé le logiciel Modalys qui exploite la décomposition modale des reconstitutions calculées. Les travaux des collaborateurs de ce projet concernant les matériaux, la fabrication, l’histoire, les écrits de l’époque mais aussi les copies réalisées à la fin du XIXe siècle par le facteur V.-Ch. Mahillon ont été d’une aide précieuse pour cette étude.
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Effet des jalousies du récit d’orgue comme moyen d’expressivité musicale
P. Luizard, C. d'Alessandro
[Résumé]
La boîte expressive de l’orgue permet de moduler le son rayonné par l’instrument, en ouvrant ou fermant des volets du buffet qui contient les tuyaux. Le but de la présente étude est de mesurer l’effet acoustique de la boite expressive, afin de comprendre quel type d’expression est possible. Des enregistrements calibrés simultanés ont été réalisés dans le buffet et en plusieurs points hors du buffet pour diverses combinaisons de jeux et diverses positions des jalousies. l’instrument étudié est le grand orgue de l’église Sainte Élisabeth (3 claviers manuels et pédalier, 39 jeux, 16’ en montre, récit expressif, 1853, Louis Suret, restauration 1999, Giroud) à Paris. Toutes les notes de tous les jeux du récit ainsi que des tutti et des clusters ont été mesurés. Les analyses montrent une atténuation d’environ 10 dB SPL dans la salle lorsqu’on ferme les jalousies, correspondant à un effet d’éloignement de la source sonore. Un autre effet majeur est le changement de timbre entre les conditions fermé/ouvert. Une atténuation spectrale d’environ 6 dB/oct apparaît au dessus de 800 Hz lorsque l’on ferme la boite. L’effet de la fermeture est donc d’atténuer les hautes fréquences, ce qui est particulièrement pertinent pour les registrations utilisant des jeux d’anches ou des gambes, riches en harmoniques d’ordre élevé. Les effets (niveau et spectre) semblent analogues à ceux d’un changement d’effort vocal, ce qui contribue à justifier le terme de ” boite expressive ”.
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Acoustique des harpes d’Afrique centrale : étude préliminaire
J.-L. Le Carrou, D. Bedoya, M.-F. Mifune, S. Le Bomin
[Résumé]
S’inscrivant dans le cadre d’une recherche pluridisciplinaire consacrée à l’histoire évolutive des
harpes d’Afrique centrale, cette étude porte sur la comparaison des propriétés acoustiques de
trois harpes collectées au Gabon chez les ethnies Fang, Tsogho et Massango. Les harpes du Gabon sont pratiquées en contexte rituel (confrérie initiatique, rituel thérapeutique)
et leur diffusion au sein des populations qui en jouent (Tsogho, Massango, Apindji, Myéné, Fang)
s’est faite conjointement avec la l’emprunt des pratiques rituelles, notamment le culte du bwiti.
De tradition orale, la pratique musicale est apprise de manière implicite par imprégnation et
imitation. Il en est de même pour la transmission des connaissances et savoir-faire de la
fabrication des instruments. La grande diversité et variabilité de l’instrument observée au niveau
morphologique, esthétique, musical et symbolique aussi bien entre les populations qu’au sein de
chaque population nous amène à étudier les processus évolutifs de l’instrument au niveau de ses
paramètres constitutifs notamment déterminer et définir les descripteurs acoustiques en
complément des descripteurs iconographiques et ethnomusicologiques. Le comportement vibratoire des trois harpes a été analysé. De forme triangulaire, elles sont
munies de 8 cordes en nylon attachées, d’une part, aux chevilles fixées au manche, et de l’autre, à
un cordier en bois fixé en-dessous de la table d’harmonie faite à partir d’une peau d’animal
(antilope ou céphalophe). Les méthodes classiquement utilisées pour les instruments occidentaux (mesure de mobilité,
analyse modale) ont été mises en place mais se sont avérées limitées du fait du comportement
non-linéaire de la peau constituant la table d’harmonie. Les résultats montrent que la manière dont
cette peau est préparée revêt un élément essentiel dans le comportement vibratoire de
l’instrument. L’élaboration d’une méthodologie d’analyse systématique va permettre d’effectuer
des mesures sur le terrain et dans les collections muséales afin d’enrichir le corpus d’étude
comparative des harpes.
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Développement d’un logiciel pour la visualisation temps réel des sons dans un contexte musical
T. Hélie, C. Picasso
[Résumé]
On s’intéresse à visualiser le spectre des sons sous une forme adaptée à des tâches musicales:
organisation naturelle par notes, précision suffisante pour accorder des instruments, travailler
l’intonation, lire des intervalles ou micro-intervalles, etc. Pour cela, on propose une application logicielle temps réel (The Snail) qui combine un analyseur
spectral raffiné et un affichage sur une représentation en spirale : le centre correspond aux
fréquences les plus basses, l’extérieur aux fréquences les plus hautes, et chaque tour correspond à
une octave de sorte qu’un chroma correspond à un angle. L’amplitude du spectre est affichée selon
une échelle perceptive simple : la sonie est mise en correspondance de façon redondante avec
l’épaisseur et la luminosité du tracé sur l’abaque en spirale. Pour atteindre une précision fréquentielle exploitable dans un contexte musical, l’utilisation brute du
spectre de Fourier (ou par transformée en ondelettes, à Q constant, etc) ne convient pas, du fait du
principe d’incertitude temps-fréquence. Ici, l’analyseur est complété par une méthode simple mais
efficace (brevet) qui inclut un post-traitement de la phase démodulée du spectre. Nous présentons
les principes scientifiques, quelques aspects techniques du développement logiciel, les principaux
modes d’affichage de l’application avec des exemples de cas d’utilisation.
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Chair(s) : |
J.-L. Le Carrou, Sorbonne Université, F-75005, Paris, France |
T. Hélie, Equipe S3AM, IRCAM-CNRS-Sorbonne Université, UMR9912, 75004, Paris, France |
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Modèle de Propagation Acoustique dans un Tuyau Cylindrique à Paroi Poreuse
H. Boutin, S. Le Conte, J.-L. Le Carrou, B. Fabre
[Résumé]
Pour les instruments de musique à vent, les fréquences de jeu se situent à proximité des pics d’impédance d’entrée. Pour les instruments en bois, le choix de l’essence ainsi que le polissage et l’huilage de la paroi interne tendent à réduire la dissipation acoustique dans la perce et par conséquent la largeur de pics d’impédance et celle des intervalles de fréquences pouvant être jouées.
Afin de mieux comprendre les choix et étapes de traitement effectués par le facteur d’instruments, nous proposons un modèle de propagation acoustique guidée dans un résonateur cylindrique en bois. La dissipation acoustique est engendrée d’une part par les pertes visco-thermiques dans la perce, et d’autre part par une impédance de paroi finie, due à la porosité ouverte du bois. Dans ce modèle, l’impédance de paroi s’exprime en fonction du nombre d’onde et de l’impédance caractéristique.
Une méthode récemment publiée [Boutin et al., 2017] permet d’estimer ces deux caractéristiques sur des tuyaux cylindriques à partir de mesures d’impédance d’entrée. Elle est appliquée à des tuyaux en bois de mêmes dimensions, et de différentes essences couramment utilisées en facture d’instrumentale : Grenadille du Mozambique, Dalbergia Melanoxylon, utilisée pour les clarinettes et hautbois modernes, érable, Acer Pseudoplatanus, buis, Buxus Sempervirens, et poirier, Pyrus Communis L., fréquemment utilisés pour des instruments plus anciens, comme les flûtes et hautbois baroques, les serpents, les cornets à bouquin et cors de basset.
Ces estimations nous permettent de déduire l’impédance de paroi dans les tuyaux, et ainsi de quantifier les différences entre les essences de bois considérées avant et après polissage de la perce puis après huilage, trois étapes essentielles du processus de facture.
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Simulation de l'impédance d'entrée de cuivres par éléments finis à une dimension - Comparaison avec les matrices de transfert
R. Tournemenne, J. Chabassier
[Résumé]
La modélisation de l’impédance d’entrée des instruments à vent est d’une importance capitale
pour nombre d’activités telles que la synthèse sonore ou la détermination des qualités de
l’instrument.
Nous étudions cette modélisation par la méthode des éléments finis à une dimension (MEF1D)
et par la méthode classique des matrices de transfert (MMT).
La MMT permet d’obtenir une formule analytique de l’impédance d’entrée en fonction de
perces (géométrie interne de l’instrument) définies par une concaténation d’éléments simples:
cylindres, cônes, etc. .
La MEF1D permet d’obtenir l’impédance d’entrée numériquement pour des géométries
d’instruments quelconques.
Les objectifs principaux de ce travail sont de déterminer la viabilité de la MEF1D et d’étudier les
approximations en milieu dissipatif de la MMT.
Dans un premier temps, l’équation de Webster à une dimension sans amortissement est étudiée
avec une fonction de radiation arbitraire.
Dans ce contexte et pour des cylindres ou des cônes, la MMT est exacte.
Nous vérifions alors que l’erreur commise par la MEF1D pour des éléments suffisamment
raffinés est aussi petite que désirée.
Lorsqu’on inclue les pertes visco-thermiques, la MMT ne résout pas le modèle classique de
Kirchhoff car elle doit supposer deux termes constants.
Afin de palier à cette approximation de modèle, les éléments simples sur lesquels la MMT est
appliquée sont décomposés en sous-éléments beaucoup plus fins.
La MEF1D quand à elle ne fait pas de compromis sur le modèle, et on peut en fait démontrer
qu’elle résout l’équation dissipative avec une erreur aussi petite que désirée.
Ceci permet d’étudier l’erreur commise par l’approximation du modèle par la MMT.
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Modélisation et simulation transitoires, dissipant une énergie, d'ondes acoustiques linéaires dans un tuyau rayonnant
M. Bergot, J. Chabassier, R. Tournemenne
[Résumé]
Nous modélisons, dans le domaine temporel, la propagation d’ondes acoustiques linéaires dans un
tuyau rayonnant sans amortissement. Le système d’équations acoustiques est formulé en débit et
pression, ce qui conduit à un système d’équations au premier ordre en espace et en temps. La
condition de rayonnement est écrite également au premier ordre en temps, et est paramétrée par
deux coefficients réels. Par ailleurs, une variable auxiliaire est introduite au niveau de l’extrémité
rayonnante. Le choix de cette variable auxiliaire doit être adapté au type de source considérée afin
d’assurer la stabilité du modèle par une technique d’énergie, sous certaines conditions sur les
coefficients du rayonnement. Nous proposons alors une discrétisation explicite espace-temps stable
qui réalise la dissipation d’une énergie discrète. La nouveauté de la discrétisation réside d’une part
dans le caractère variationnel de l’approximation en espace (qui conduit à des éléments finis d’ordre
arbitraire sans toutefois nécessiter l’inversion d’une matrice), et d’autre part dans la définition de la
variable auxiliaire pour les différents types de sources acoustiques (qui conduit à la décroissance
d’une énergie bien définie). Pour finir, nous quantifions le domaine de validité fréquentiel de la
condition de rayonnement utilisée en la comparant aux modèles théoriques et expérimentaux de la
littérature.
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Continuation de systemes differentiels a retard : Application a un modele d’instrument a anche
L. Guillot, C. Vergez, B. Cochelin
[Résumé]
Nous discuterons d’une méthode originale de continuation des systèmes à retard issue de la
méthode de l’équilibrage harmonique couplée avec la méthode asymptotique numérique. La
continuation consiste à étudier l’évolution d’un système lorsqu’un paramètre de contrôle varie.
Elle a fait ses preuves depuis de nombreuses années dans l’étude des instruments de musique
: [1], [2] et [3] l’appliquent à la clarinette, la flûte et au violon respectivement. La possibilité de traiter au sein d’un même formalisme les systèmes dynamiques avec ou sans
terme retardé permet une comparaison inédite entre des réductions de modèles d’instruments
de musique obtenus selon différentes hypothèses : soit en ne retenant qu’un nombre fini de
degrés de liberté (troncature modale, système sans retard), soit en ne retenant que des
géométries élémentaires comme des cylindres (guides d’onde, système à retard). [1] : Sami Karkar, Christophe Vergez, and Bruno Cochelin. Oscillation threshold of a clarinet
model: A numerical continuation approach. The Journal of the Acoustical Society of America,
131(1):698-707, 2012. [2] : Soizic Terrien, Christophe Vergez, and Benoiôt Fabre. Flute-like musical instruments: a toy
model investigated through numerical continuation. Journal of sound and vibration,
332(15):3833-3848, 2013. [3] : Pierre Vigué, Christophe Vergez, Sami Karkar, and Bruno Cochelin. Regularized friction
and continuation: Comparison with coulomb’s law. Journal of Sound and Vibration, 389:350-
363, 2017.
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Caractérisation expérimentale de becs de saxophone ténor à l’aide d’un musicien artificiel fonctionnant en aspiration
B. Gazengel, L. Descuns, P. Eveno
[Résumé]
Les instruments à anche simple utilisent pour fonctionner un bec qui permet au musicien de positionner l’anche et d’appliquer une surpression dans la bouche, créant ainsi des auto-oscillations pour une pression statique dans la bouche du musicien supérieure à une pression appelée ”pression de seuil”.
Les caractéristiques géométriques du bec ont une influence importante sur les sensations du musicien (facilité de jeu, timbre, homogénéité, ...), elles-mêmes liées à des caractéristiques physiques telles que la pression de seuil, la pression, le centre de gravité spectral. De façon à adapter les becs aux souhaits du musicien, il est aujourd’hui possible de proposer rapidement différentes géométries de bec (externes, internes) grâce à l’impression 3D. La conception de ces becs nécessite de comprendre le lien qui existe entre les paramètres géométriques et les sensations du musicien ou les paramètres objectifs qui peuvent être mesurés en situation de jeu (naturelle ou artificielle). Dans ce travail, un machine à aspirer munie d’une lèvre artificielle et utilisant un résonateur cylindrique est mise en œuvre pour caractériser plusieurs becs de géométries différentes. Pour chacun des becs, la pression de seuil est estimée à l’aide de la mesure du diagramme de bifurcation obtenu en faisant varier la pression d’alimentation. Par ailleurs, le centre de gravité spectral et la fréquence fondamentale sont estimés en fonction de la pression d’alimentation. Dans un premier temps, différentes mesures sont réalisées à l’aide d’un bec et de plusieurs anches de façon à choisir une anche qui présente une faible sensibilité à la position de la lèvre artificielle. Dans un deuxième temps, les paramètres objectifs mesurés sur la machine à aspirer sont comparés aux descripteurs subjectifs (facilité de jeu, timbre) obtenus à l’aide de 3 saxophonistes professionnels.
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Chair(s) : |
S. Naili, Université Paris-Est, Laboratoire MSME, 94000, Créteil, France |
O. Poncelet, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
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Modeling of the reflectance function for multilayered structures with imperfect adherence conditions at interfaces
A. Loukkal, M. Lematre, M. Bavencoffe, M. Lethiecq
[Résumé]
The microelectronics industry is expressing an increased demand for the development of non-destructive tools and methods for health control and diagnostics in multilayered structures, including problems such as delaminations, inclusions, microcracks, etc. In order to obtain a quantitative characterization of the elastic properties and the interfacial adhesion properties in multilayered structures, we will use the principle of the acoustic signature of the materials obtained by means of a focused field probe mounted on an acoustic microscope which is then used in A-scan mode (V(z) method). Since the V(z) method is an indirect measurement of the reflectance function, algorithms modeling non-perfect adhesion conditions between the layers have been implemented for isotropic and anisotropic multilayered structures in order to calculate the reflectance function. In the case of isotropic materials, we model the adhesion conditions by a viscoelastic interfacial layer. This artificial layer has a negligible thickness relative to the effective layers and the longitudinal wavelength in the interface layer. In the case of anisotropic materials, we model the interface conditions by a thin porous virtual material having cylindrical pores parallel to the interface. The post-processing of the V(z) curves will allow on the one hand to characterize the nature and quality of adhesion at the interfaces by optimizing the simulated reflectance function with respect to the measured one. On the other hand, it is also possible to get the elastic properties of buried layers (for known interface conditions) using optimization methods on the reflectance function or on the speed of the guided modes that are generated in the structure.
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Acoustique des mousses membranaires : zoom sur l'atténuation due aux films
C. Derec, C. Gaulon, J. Pierre, F. Elias, V. Leroy
[Résumé]
Des travaux récents ont montré que la propagation d’une onde acoustique dans une mousse liquide présente un comportement complexe qui s’explique en évoquant la dynamique à l’échelle des constituants élémentaires de la mousse, en particulier celle des films de savon qui entourent les bulles. Mais les mécanismes à l’origine de la forte atténuation mesurée restent inexpliqués. Par ailleurs, nous avons observé que des mousses solides présentent sous certaines conditions une absorption fortement amplifiée lorsqu’elles sont à pores fermés, plutôt qu’à pores ouverts. Afin d’identifier l’origine de cette forte atténuation liée à la présence des films, autant dans des mousses liquides que solides, nous nous sommes focalisés sur l’étude de la vibration d’un film isolé. Nous présenterons plusieurs expériences, dans la gamme de fréquences 0.5 - 4 kHz, avec des films de savon liquides ou solides, d’épaisseur de l’ordre de quelques microns. - Un film de savon liquide est formé à l’extrémité d’un tube monté sur un pot vibrant. Nous avons montré que sa dynamique peut être comprise en prenant en compte le rôle du gaz environnant, en particulier pour décrire les processus de dissipation. - Un film plastique élastique (mylar) ou un film de savon liquide sont installés alternativement dans un tube d’impédance et nous mesurons l’absorption acoustique due à la présence du film. Quoique de nature complètement différente, les deux films donnent lieu dans le tube à une absorption acoustique de même ordre de grandeur. Cette atténuation est plus forte que celle décrite dans l’expérience précédente, et par diverses expériences et modélisations, nous cherchons à en comprendre l’origine.
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Détermination Simultanée de la Vitesse de Propagation et de l’Epaisseur dans le cas de Recouvrements Partiels
J. Bustillo, H. Achdjian, A. Arciniegas, L. Blanc
[Résumé]
Les méthodes de caractérisation ultrasonores sont largement utilisées en industrie grâce à leur caractère non invasif. En effet, la variation des paramètres mécaniques dus à un endommagement et/ ou un vieillissement sont directement liés à une variation de la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore. Cependant, le matériau étudié peut avoir une épaisseur variable (cas de la reprise hydrique par exemple) ou inconnue. Dans ce cas, une détermination simultanée de l’épaisseur et de la vitesse de propagation doit être effectuée afin d’obtenir des résultats fiables. Lorsque l’échantillon est mince devant la longueur d’onde, des recouvrements partiels apparaissent et rendent difficiles les mesures simultanées de vitesse et d’épaisseur. Les méthodes fréquentielles sont assez robustes mais demande l’implémentation de modèles et de la résolution de problèmes inverses, ce qui les rendent lentes. Les méthodes temporelles sont plus rapides mais sont limitées lors d’un recouvrement ou lorsque le signal est bruité. Ce travail présente une méthode de déconvolution permettant une détermination simultanée et rapide de la vitesse et de l’épaisseur. Cette méthode s’appuie sur l’algorithme Forward-Backward pour calculer la fonction d’excitation du signal et donc mesurer les temps de vol, même dans le cas de recouvrement partiels.
Afin de valider la méthode, une simulation numérique a été effectuée sur des ondelettes de Ricker, proches des signaux ultrasonores couramment rencontrés. Cette simulation a montré que la mesure simultanée de vitesse reste sous une précision de 1% jusqu’à un recouvrement de 80% des signaux. Suite à cela des mesures ont été effectués sur des échantillons d’aluminium de trois épaisseurs différentes afin de voir apparaitre des recouvrements allant jusqu’à 65 %. Les résultats confirment la capacité de la méthode à estimer simultanément la vitesse et l’épaisseur dans le cas de recouvrement avec une erreur relative inférieure à 1 %.
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Comment augmenter la précision du tenseur d’élasticité lors de la caractérisation par ultrasons d’aciers anisotropes : points clé pour l’évaluation de la partie réelle du tenseur
B. Mascaro, P. Guy
[Résumé]
La caractérisation d’aciers à caractère anisotrope par des techniques de propagation d’ondes ultrasonores, présente un intérêt important pour évaluer la résistance de pièces métalliques utilisées dans l’industrie nucléaire pour la production d’énergie. Une méthode provenant de travaux antérieurs consiste à réaliser une inversion grâce à un processus d’optimisation à partir de mesures des vitesses d’ondes ultrasonores se propageant dans un ensemble de directions différentes. Il est possible, grâce à cette méthode, d’obtenir de manière non destructive le tenseur orthotrope du matériau ainsi que son orientation dans l’échantillon selon trois angles d’Euler. Néanmoins, la mise en œuvre expérimentale ainsi que le traitement des données dans les différentes directions de l’espace, incluant l’identification des modes de polarisation (longitudinal, transverse horizontal, transverse vertical) sur un grand nombre de directions de propagation, sont des facteurs qui influent sur la détermination des constantes du tenseur. Le travail présenté s’inclut dans un projet ayant pour objectif d’augmenter la fiabilité de cette méthode et de réduire l’incertitude des constantes obtenues, afin de pouvoir caractériser les matériaux anisotropes de façon la plus précise possible. A ce titre, nous proposons d’examiner les points importants concernant la méthode expérimentale, la visualisation des données ainsi que la sélection des modes à partir des signaux mesurés en transmission à travers le matériau.
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Étude de la Réverbération dans un Milieu Solide : Application à l’Étude du Niveau d’Adhésion et de la Transition de Phase d’un sol-gel
H. Achdjian, J. Bustillo, A. Arciniegas, N. Doumit, L. Blanc
[Résumé]
La prédiction des performances en vieillissement des assemblages collés (niveau d’adhésion) et/ou le suivi de l’état d’un matériau au cours de sa transformation (transition de phase) sont des enjeux importants pour les entreprises, surtout dans les domaines de fabrications industrielles et l’agroalimentaire. Actuellement, il existe des méthodes acoustiques classiques basées sur l’étude de la vitesse de propagation des ondes et leurs atténuations pour étudier les changements des milieux. Cependant ces méthodes ne permettent une étude que sur le chemin de propagation, et restent donc locales.
La propagation des ondes acoustiques dans un milieu fini avec une faible atténuation donne lieu à des signaux de longue durée (réverbération). Ces signaux complexes contiennent des informations quantitatives et qualitatives sur les propriétés globales et locales du milieu. Par conséquent, des techniques d’extraction de données appropriées peuvent être avantageusement exploitées pour la caractérisation structurale. Un exemple bien connu dans l’acoustique des salles (formule de Sabine) est le fait que le temps de réverbération (TR) est directement lié à l’absorption des parois. Toutefois, cette méthode n’est pas couramment utilisée dans le CND des milieux solides.
Ce travail présente une méthode complémentaire, basée sur l’étude du TR des moyennes des signaux réverbérés afin de déterminer les changements dans un milieu. Ainsi, la formule de l’acoustique des salles est adoptée et adaptée pour des structures solides. Afin de valider la méthode, des études expérimentales ont été menées sur une plaque et un moule d’aluminium. Ces études consistent à coller neuf transducteurs piézoélectriques à une des faces de l’aluminium. Un des transducteurs est utilisé comme une source acoustique et les autres comme des récepteurs. Les signaux récupérés sont traités et le TR est calculé pour estimer le niveau d’adhésion à l’interface polymère-aluminium et la température de transition de phase (solide-liquide) d’une solution placée dans un moule en aluminium.
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Détection de formation/élimination de dépôt sur substrat solide par interférométrie de coda ultrasonore (CWI)
B. Chen, P. Debreyne, M. Abdallah, O. Khelissa, N.-E. Chihib, D. Callens, P. Campistron, G. Delaplace, E. Moulin
[Résumé]
Dans les industries agroalimentaires, l’encrassement des parois d’équipement
de transformation au contact de produits alimentaires induit des problèmes
de sécurité de transformations. Des nettoyages fréquents sont nécessaires
pour limiter ces contaminations de surface. Un contrôle précis de
l’encrassement est nécessaire afin d’appliquer des protocoles de nettoyage
éco-efficients.
Actuellement, cette inspection ne peut se faire visuellement car les
équipements sont fermés et peu de techniques de contrôle non-destructives
sont adaptées au suivi de formation ou d’élimination d’un dépôt. Afin de
résoudre cette problématique l’utilisation d’une technique de CWI
ultrasonores a été tentée. La CWI est une technique largement utilisée pour détecter des fluctuations
de propriétés d’un milieu. La coda est une onde qui résulte d’interférences
complexes suite à de multiples réflexions/ diffusions. Une onde de coda est
reproductive, si aucun changement ne se produit dans le milieu, les signaux
de coda sont identiques, sinon certains trajets d’ondes sont modifiés, et
les signaux de coda se révèlent différents. Jusqu’ici, malgré son intérêt,
la coda n’a pas encore été testée et analysée pour détecter la formation ou
l’élimination d’un dépôt sur une paroi solide. Dans cette étude, le système à sonder est un milieu liquide limité par des
surfaces solides, sur l’une desquelles un encrassement est en cours de
formation ou d’élimination. Le coefficient de décorrélation des CWI est
utilisé comme indicateur de changement de propriétés du système. Ce
coefficient représente le niveau de ressemblance entre le signal enregistré
à instant t, et celui enregistré à instant initial. Expérimentalement, nous avons testé la méthode sur i) un processus de
nettoyage d’un dépôt de cire, dans un canal de section rectangulaire
parcouru par de l’eau chaude en écoulement. ii) une contamination d’acier
inox par un biofilm bactérien.
Les résultats obtenus montrent que la méthode CWI est performante pour
effectuer le suivi des processus.
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Origine de la dissipation acoustique dans les mousses liquides
C. Gaulon, J. Pierre, C. Derec, F. Elias, V. Leroy
[Résumé]
Bien qu’une majorité des isolants phoniques soient des matériaux à porosité ouverte, des études récentes ont montré les propriétés prometteuses des mousses liquides. Leur squelette est constitué de fines membranes (les films de savon) et de canaux liquides à la jonction entre les films, ces structures enfermant des bulles de gaz. Les mousses liquides sont ainsi des matériaux à porosité fermée, mais ce n’est pas un handicap pour l’isolation phonique : en effet, les films déformables créent un fort couplage entre les vibrations de l’air et celles du liquide, conduisant à des phénomènes extraordinaires. La densité effective de la mousse, qui dépend de la fréquence et de la taille des bulles, peut par exemple devenir négative [1]. Une application industrielle des mousses liquides concerne également l’atténuation d’ondes de choc et de souffle [2]. Dans une étude récente, dont les principaux résultats seront présentés, nous avons réalisé des mesures à basse fréquence (0.5 - 4 kHz) à l’aide d’un tube d’impédance, sur des mousses liquides bien caractérisées (fraction de liquide et taille des bulles connues). Nous avons montré qu’en plus d’une dissipation liée au dispositif expérimental (frottements sur les parois du tube), deux sources de dissipation intrinsèque existent [3]. L’une est d’origine thermique, l’autre visqueuse, cette dernière dépendant de la taille des bulles et de la densité du gaz. Une loi phénoménologique a été obtenue pour décrire cette atténuation, mais le mécanisme physique à l’origine reste toutefois à identifier. [1] J. Pierre et al. Phys. Rev. Lett. 112, 48307 (2014) [2] M. Monloubou et al. Soft Matter 12, 8015 (2016) [3] J. Pierre et al. Eur. Phys. J. E 40: 73 (2017)
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FEM Simulation on Elastic Constants of Porous Silicon for Acoustic Propagation Investigation
X. Gong, J. Bustillo, L. Blanc, G. Gautier
[Résumé]
Porous silicon (PSi) is currently a promising material for surface acoustic wave (SAW) sensors. Nevertheless, wave propagation in this kind of material is not well known, in particular attenuation and wave velocity according to porosity. Wave velocity is highly dependent on elastic constant of the matrix, as explained by Biots theory. In addition, elastic constants are highly affected by the porosity as well as the pore geometry.
In previous work, PSi has been characterized using ultrasonic methods and it was shown that thickness and porosity can be retrieved using a simple geometry model (cylindrical pores). In the case of complex pore geometries, the evolution of elastic constants becomes too complex to be analytically calculated.
The main objective of this work is the elastic constants determination for PSi which have complex morphologies in order to predict the ultrasonic wave propagation in the porous medium. To this end, Young’s and shear modulus of porous silicon are determined using finite element method for five typical pore geometries and a porosity up to 65%.
The results are in good agreement with experimental data given in the literature. In particular, the trends of Young’s and shear modulus as a function of porosity are comparable. These elastic parameters (X) are estimated using a power law (X(φ)= X0(1−φ)m, where φ is porosity and m is fitting number). It can be observed that these elastic parameters are highly depend on pore geometry. As an example, the fitting parameter for Young’s modulus changes from 1.57 for cylindrical case to 2.11 for branched pores.
In further works, these elastic constants will be used to precisely calculate the parameters of the Biot’s theory for complex pore geometries and thus to predict the wave propagation in a SAW sensor that uses PS as an active layer.
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Chair(s) : |
N. Wilkie-Chancellier, SATIE - UMR 8029, 95031, Neuville Sur Oise, France |
T. Valier-Brasier, Institut Jean le Rond d'Alembert, 75005, Paris, France |
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Mesure Optimale des Vitesses Ultrasonores et de l’Epaisseur d’un Matériau Isotrope à partir de deux Mesures en Incidence Oblique
A. Arciniegas, J. Bustillo, H. Achdjian
[Résumé]
Dans le cadre de la caractérisation ultrasonore des matériaux isotropes, les paramètres élastiques (modules d’Young et de cisaillement) peuvent être déduits à partir de la mesure des vitesses ultrasonores en transmission. Pour cela, des ondes ultrasonores de compression et de cisaillement doivent être générées dans le matériau à étudier. Un des protocoles classiquement utilisés consiste en l’étude d’un échantillon immergé dans un liquide et effectuer deux mesures : une mesure en incidence normale et une à l’angle critique. La mesure en incidence normale permet de déterminer la vitesse des ondes de compression, tandis que la mesure à l’angle critique permet de déterminer la vitesse des ondes de cisaillement. Cependant cette configuration demande souvent d’effectuer un réglage angulaire très rigoureux et de connaître l’épaisseur de l’échantillon. Afin de s’affranchir de ces contraintes expérimentales et d’optimiser la mesure des différents paramètres, nous proposons une méthode basée sur deux mesures en incidence oblique à des angles arbitraires inférieurs à l’angle critique. Dans cette configuration, les ondes de compression et de cisaillement sont générées de manière simultanée. La détermination des temps de vol des échos et une procédure d’optimisation permettent ainsi de retrouver de manière simultanée l’épaisseur de l’échantillon, les vitesses ultrasonores et les angles d’incidence. Pour illustrer la faisabilité de la méthode, des mesures en immersion ont été effectuées sur un échantillon en aluminium et la longueur d’onde a été choisie petite devant l’épaisseur de l’échantillon. La méthode a pour but de réduire le temps d’expérimentation et les incertitudes associées, et pourrait être utilisée plus largement pour la calibration de systèmes instrumentaux où l’angle d’incidence doit être estimé par rapport à un référentiel.
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Méthode de Faisceaux Gaussiens pour la Modélisation de Champs Ultrasonores Transitoires en Contrôle Non-Destructif
O. Jacquet, N. Leymarie, D. Cassereau
[Résumé]
Les ondes de volume acoustiques et/ou élastodynamiques sont largement
utilisées à des fins de contrôle non-destructif par ultrasons.
Leur modélisation répond à un besoin quantitatif dans le
développement de méthodes d’inspection avancées. Classiquement,
les méthodes asymptotiques sont adaptées pour décrire la
propagation sur un grand nombre de longueurs d’onde tandis que les
méthodes numériques sont privilégiées pour traiter la
diffraction à l’échelle de la longueur d’onde. Ce constat motive le
développement récent de méthodes hybrides, tirant profit de
chacune des deux approches selon l’échelle d’intérêt [1].
On s’intéresse aux solutions asymptotiques de type "faisceaux gaussiens" [2].
Un moyen d’initialiser de façon univoque une famille de faisceaux
consiste à calculer la transformée rapide en paquets d’onde
gaussiens d’un champ ultrasonore, connu à un instant donné [3].
L’approximation paraxiale permet de propager chaque faisceau gaussien de
façon analytique ou semi-analytique, et le champ ultrasonore propagé
à un instant ultérieur est déduit par superposition de la
famille de faisceaux. Cette approche est mise en œuvre et validée
pour des configurations acoustiques en deux dimensions, caractéristiques
du contrôle non-destructif par ultrasons.
Références[1] A. Imperiale, et al., Simulation of Embedded
Parametric Defects Using a Hybrid Model Based upon Spectral Finite Elements
and Domain
Decomposition Methods, 19th WCNDT (2016).
[2] O. Jacquet, et al., A Gaussian Beam Method for
Ultrasonic Non-Destructive Evaluation Modeling, J. Phys. Conf. Ser. (in
press).
[3] J. Qian, et al., Fast Multiscale Gaussian Wavepacket
Transforms and Multiscale Gaussian Geams for the Wave Equation, Multiscale
Model. Simul. (2010).
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Études théorique et numérique du streaming généré par un vortex acoustique
R. Marchiano, J.-L. Thomas
[Résumé]
Les vortex acoustiques sont des faisceaux particuliers. La structure hélicoïdale de leur phase induit
des interférences destructives le long de leur axe de propagation. Il en résulte un zéro d’amplitude
entouré par une zone insonifiée s’enroulant autour de l’axe de propagation. Ainsi, ces faisceaux ont
une structure intrinsèquement 3D. Cela leur confère des propriétés intéressantes pour la
transmission d’information, ou la manipulation d’objet sans contact par une pince acoustique. A forte
intensité, ces faisceaux peuvent aussi induire des écoulements dus à un transfert de quantité de
mouvement au fluide. La dynamique et la structure de ces écoulements sont encore mal comprises.
Dans ce travail, nous proposons d’étudier en détail le couplage entre le champ acoustique et le
champ hydrodynamique en faisant l’hypothèse classique de la séparation des échelles entre les
ondes acoustiques et les écoulements. Dans ce cadre, l’acoustique peut être vue comme un terme
source pour la partie mécanique des fluides via un terme proportionnel à la divergence d’un tenseur
de Reynolds acoustique. Dans la plupart des études existantes, seules des ondes planes sont
considérées et ce terme source peut être simplifié, ce n’est pas la cas pour un vortex acoustique. Le
champ acoustique est calculé dans un premier temps à l’aide d’un code de calcul had-hoc. A partir
de ce calcul, les différentes composantes du terme source sont calculées et examinées. Elles sont
ensuite utilisées en entrée d’un code pour simuler l’écoulement induit par un vortex acoustique.
L’écoulement induit a aussi une structure tri-dimensionnelle dont les caractéristiques principales
seront présentées.
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Explosive instabilities in antiferromagnetic crystals due to the 3-phonon interaction mechanism
V. Aleshin, V. Preobrazhensky
[Résumé]
It is well known that periodic modulation of sound velocity in a material can lead to an exponential increase in amplitude (parametric instability). At the same time, periodic modulation of a nonlinear material parameter can result in an even more powerful instability having the character of a mathematical singularity. In the phonon representation, this mechanism corresponds to the three-phonon interaction instead of interaction of two phonons in the ordinary parametric process. Here we suggest a system in which the explosive scenario is theoretically described. Our case study concerns magnetoelasic Lamb waves in a magnetic plate subject to the electromagnetic modulation of the third order elastic modulus. In addition to the Lamb wave and the modulated magnetic field, a shear resonant mode is excited in the plate. We show that even a weak Lamb wave launched in such a plate will induce a backward propagating Lamb wave, with amplitudes of the both waves rapidly increasing. At the same time, the shear resonance amplitude is also enormously boosted, so that all three phonons (two of the Lamb waves and one of the shear mode) experience a sort of a positive feedback. The process requires the fulfillment of some resonance conditions easily interpreted as a phonon interaction diagram. However, even if the magnetic pumping is never depleted, there exist factors limiting the amplitude in practice. Here we study a mechanisms based on the fact that resonant frequencies depends on amplitudes in a nonlinear material thus introducing a resonance detuning that increases with growing amplitude. As a result, the mathematical singularity in the time dependency of the amplitudes does not appear, whereas the amplification factors still remains huge. We also suggest a method of further enhancing the amplification by introducing a time-dependent phase in the magnetic field modulation.
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GypsiLab, un nouvel outil de calcul FEM/BEM pour l'acoustique numérique
M. Aussal, F. Alouges
[Résumé]
Gypsilab est un nouvel environnement de prototypage rapide pour la résolution de problèmes variationels 3D, issus de formulations type éléments finis (FEM) ou équations intégrales (BEM). Entièrement codé en langage Matlab, et disponible en open-source sous licence GPL 3.0, il affiche des performances suffisantes pour résoudre des problèmes numériques de taille raisonnable (< 10^6 inconnues en FEM et 10^5 inconnues en BEM). Pour ce faire, l’ensemble des calculs à été vectorisé, et une librairie de compression hiérarchique a été implémentée avec une algèbre complète (openHmx). Ainsi, un nouveau type de matrice est disponible (H-Matrix), surchargeant les matrices usuelles et leurs opérateurs associés (’,+,*,/,etc.). De plus, une interface simple permet à l’utilisateur d’écrire des formulations variationnelles ”à la freefem++”, et de résoudre des problèmes complexes sans rentrer dans l’architecture du logiciel. Aujourd’hui, cet outil résout des problèmes en acoustique, vibro-acoustique, électro-magnétisme, mécanique des fluides, etc... En guise d’application FEM, un calcul de valeurs propres du Laplacien sera détaillé pour une géométrie volumique (modes de résonance d’une salle vide). Pour une application BEM, un calcul numérique de Head-Related Transfert Function sera présenté. Gypsilab est disponible en téléchargement libre à l’adresse suivante : http://www.cmap.polytechnique.fr/∼aussal/gypsilab/
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Radiation pressure for ultrasonic diode and switch effects
T. Devaux, A. Cebrecos, O. Richoux, V. Pagneux, V. Tournat
[Résumé]
A new strategy to break the transmission symmetry of a system is presented in this work. We make use of the quasi-static deformation of part of a propagation medium originating from the acoustic radiation pressure effect. This deformation, which can occur only for one incidence direction of the ultrasonic waves, leads to a reversible reconfiguration of a multilayer system within several states showing drastic differences in successive impedance mismatches and thus is able to alter drastically the total transmission properties. While most of the existing architectures used to break the symmetry of a system use complex wave phenomena to reach non-reciprocity, such as nonlinear frequency conversion effects, or coupling with time-dependent properties that require the use of external energy, our design and the associated processes do not. The performance of the proposed architecture is studied experimentally, and we demonstrate a giant asymmetric ratio together with a high transmission of acoustic energy in the forward direction, without significant distortion of the signal. Moreover, the proposed architecture is based on a relatively simple design and can operate over a wide range of frequencies. In view of its performance, the concept is also extended to realize and validate experimentally an acoustical switch which demonstrates a transistor effect. This concept and the tested device overcome the identified current limitations of acoustic asymmetric devices and thus creates new possibilities for the further development of original wave-control devices.
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Chair(s) : |
O. Poncelet, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
N. Wilkie-Chancellier, SATIE - UMR 8029, 95031, Neuville Sur Oise, France |
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Interferometric reconstruction of plate waves from cross correlation of a diffuse field on a thin aluminum plate
A. Hejazi Nooghabi, J. De Rosny, L. Boschi, P. Roux
[Résumé]
This study contributes to evaluating the robustness and accuracy of Green’s function (GF) reconstruction by cross-correlation of noise, disentangling the respective roles of ballistic and reverberated (”coda”) signals.
We conduct a suite of experiments on a highly reverberating thin aluminum plate, where we generate an approximately diffuse flexural wave field. We validate ambient-noise theory by comparing cross correlation to the directly measured Green’s function. We develop analytically a theoretical model, predicting the dependence of the symmetry of the cross correlations on the number of sources and signal-to-noise ratio. We validate this model against experimental results.
We next study the effects of cross-correlating our data over time windows of variable length, possibly very short, and taken at different points in the coda of recordings. We find that, even so, a relatively dense/uniform source distribution could result in a good estimate of the GF; we demonstrate that this window does not have to include the direct-arrival signal for the estimated GF to be a good approximation of the exact one.
Afterwards, we explicitly study the role of non-deterministic noise on cross correlations and establish a model which confirms that the relative effect of noise is stronger when the late coda is cross-correlated.
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Approche matricielle de la correction d'aberration en imagerie ultrasonore
L. Cobus, W. Lambert, M. Fink, A. Aubry
[Résumé]
En échographie conventionnelle, les réseaux de transducteurs utilisent la
formation de voies (l’application des délais appropriés en émission et en
réception) pour réaliser une image du milieu insonifié. Généralement, on
suppose le milieu homogène. Cependant, la vitesse du son présente souvent
des variations spatiales, ce qui provoque le déphasage des ondes lors de
leur propagation dans le milieu; de tels effets d’aberration dégradent la
résolution et le contraste de l’image. Par ailleurs, ces distorsions du
front d’onde ne sont pas invariantes spatialement : une image échographique
contient de multiples aires d’isoplanétisme. La plupart des techniques de
correction d’aberration nécessitent une focalisation itérative, une
optimisation basée sur la qualité d’image ou la présence de diffuseurs
dominants ( guidestars ), et aucune ne peut corriger simultanément les
aberrations sur plusieurs zones isoplanétiques. Dans cet exposé, nous
présentons une approche matricielle de la correction des aberrations pour
l’imagerie ultrasonore. Expérimentalement, les réseaux ultrasonores peuvent
acquérir une matrice de réflexion , composée des réponses entre chaque
source et détecteur du réseau. Cette matrice contient toute l’information
disponible sur le milieu. Alors que l’échographie conventionnelle n’utilise
qu’une petite partie de cette matrice pour former une image, nous montrons
qu’il est important de considérer la matrice entière pour quantifier et
corriger les effets d’aberration. Notre méthode utilise une analyse
statistique de la matrice de réflexion pour identifier chaque aire
d’isoplanétisme et la loi d’aberration associée. Nous sommes ensuite
capables de corriger la matrice de réflexion de ces effets d’aberration.
Notre correction se traduit par un bien meilleur contraste et une résolution
proche de la limite de diffraction pour l’image échographique, même en
présence de fortes aberrations.
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Impact de la diffusion résonante sur les vitesses des ultrasons en milieux désordonnés
B. Tallon, T. Brunet, J. Page
[Résumé]
L’impact de la diffusion résonante sur le transport des ondes est démontré ici à l’aide d’expériences aux fréquences ultrasonores dans des systèmes dilués de gouttes d’huile fluorée suspendues dans un gel aqueux. Les constituants de ce système modèle sont choisis pour leur fort contraste de vitesse du son accentuant les résonances de forme des inclusions fluides.
La mesure de la partie cohérente du champ acoustique ainsi que les prédictions de l’approximation de diffusion indépendante révèlent le lien entre ces résonances et la forte dépendance fréquentielle de l’atténuation et de la vitesse de groupe de l’onde cohérente. Ces effets de diffusion résonante sont également responsables du ralentissement du transport diffusif des ondes incohérentes. Ce phénomène est alors modélisé à l’aide d’une théorie incluant l’énergie acoustique stockée dans les diffuseurs lents . Ces mesures simultanées de l’onde cohérente et du champ diffus révèlent une différence significative entre la vitesse de groupe et la vitesse de transport de l’énergie dans ce système [1].
[1] B. Tallon, T. Brunet and J.H. Page, Physical Review Letters 119, 164301 (2017).
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Modélisation Biphasique de la Propagation d'Ondes Elastiques dans un Métamatériau Composite à Particules Sphériques Rigides
A. Simon, T. Valier-Brasier, R. Wunenburger
[Résumé]
On s’intéresse à la modélisation de la propagation d’ondes élastiques dans un
matériau formé d’une matrice solide contenant une distribution aléatoire de
particules sphériques rigides. La modélisation retenue est basée sur une
approche
biphasique développée initialement pour des matrices fluides. Il s’agit ici
d’adapter le modèle aux matrices solides. Cette approche repose sur la
résolution
des équations de conservation dans la phase de la matrice et dans la phase des
particules, qui sont couplées par les forces de la matrice agissant sur les
particules. Le travail consiste alors à prendre en compte la propagation des
ondes transverses inhérente aux matériaux solides. L’interaction d’une onde
transverse avec une particule sphérique donne naissance à deux mouvement
découplés : un mouvement de translation colinéaire à la polarisation des ondes
transverses et un mouvement de rotation. Ces deux mouvements présentent alors
deux résonances dipolaires, une en translation et une en rotation, qui affectent
les ondes transverses, mais également les ondes longitudinales pour la
résonance
en translation.
Les résultats obtenus par le modèle biphasique sont ensuite comparés aux
fréquences voisines de la résonance en translation à des résultats obtenus par
des modèles issus de la théorie de la diffusion multiple, ainsi qu’avec des
résultats expérimentaux dans le cas des ondes longitudinales. Ces résultats
sont
en très bon accord avec les données expérimentales pour les ondes
longitudinales,
pour des concentrations allant jusqu’à 10 % de particules. En revanche,
l’influence de la résonance en translation sur les ondes transverses cohérentes
est nettement moins prononcée pour la modélisation biphasique que pour les
modèles de diffusion multiple. La prise en compte des mouvements de rotation
dans
la matrice est alors une perspective forte d’amélioration du modèle.
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Imagerie ultrasonore d'un milieu hétérogène périodique
H. Alaoui Hafidi, S. Rodriguez, E. Ducasse, M. Deschamps
[Résumé]
Ce travail porte sur la détection et la localisation expérimentales de défauts dans un milieu fortement hétérogène. Le milieu étudié ici est constitué d’un arrangement périodique de tiges d’acier immergées dans l’eau. Il est étudié avec une barrette ultrasonore utilisée en mode émission-réception. Les interactions multiples entre les nombreux objets impliquent des signaux mesurés complexes. L’application directe de méthodes basées sur le retard-sommation sur ce type de signaux ne permet pas de détecter d’éventuels défauts. Dans ce travail, l’imagerie topologique est appliquée pour s’affranchir de la difficulté posée par la nature hétérogène du milieu. Il est également étudié si la méthode profite de la complexité de la propagation dans ce milieu en terme de localisation de défauts et de résolution, comme cela a été démontré dans les milieux réverbérants.
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Chair(s) : |
S. Naili, Université Paris-Est, Laboratoire MSME, 94000, Créteil, France |
O. Poncelet, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
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Les propriétés acoustiques surprenantes des mousses solides membranaires
J. Pierre, C. Gaulon, C. Derec, F. Elias, L. Jaouen, F. Chevillotte, F.-X. Bécot, W. Drenckhan, V. Leroy
[Résumé]
Le comportement des ondes acoustiques dans les mousses solides à cellules ouvertes est aujourd’hui bien compris. Dans les poreux ouverts, l’énergie acoustique est dissipée principalement par effets visco-thermiques dans le réseau continu de pores. Comment est modifiée la propagation lorsque les cellules sont fermées par des membranes minces (∼ µm) ? Nous avons pu explorer cette question en comparant les propriétés acoustiques de mousses de polyuréthane ouvertes ou fermées ayant les mêmes tailles de pores. Bien que la densité de masse ajoutée par les membranes soit négligeable, nous avons constaté que la propagation du son était drastiquement modifiée. Pour des tailles de pores habituellement trop grandes pour une application dans l’acoustique audible (∼ 0.5 à 3.0 mm), le coefficient d’absorption augmente considérablement quand les pores sont clos par de fines membranes. Compte tenu de la finesse des membranes, les ondes peuvent toujours traverser la structure sans être fortement réfléchies. Notons également que la compressibilité effective du milieu reste comparable à celle des mousses ouvertes. En revanche, la présence des membranes augmente fortement le couplage entre les ondes et la structure, et la densité acoustique effective s’en trouve affectée. Les mousses solides membranaires ouvrent ainsi une nouvelle perspective à la problématique de l’absorption acoustique.
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Approche matricielle de la propagation des ondes en milieu hétérogène appliquée à la quantification ultrasonore
W. Lambert, L. Cobus, M. Fink, A. Aubry
[Résumé]
La quantification ultrasonore a pour objectif de fournir un indicateur
quantitatif local lié à un paramètre mécanique du milieu de propagation afin
de le caractériser. Dans le domaine de l’acoustique médical, un tel
indicateur est modifié sous l’action d’une maladie, celui-ci devient un
biomarqueur pertinent pour la détection et la caractérisation de cette
maladie. Par exemple, la mesure de la vitesse du son est un indicateur
approprié pour le diagnostic et le suivit des maladies non alcooliques du
foie (NAFLD) qui se caractérisent dans un premier temps par l’accumulation
de gouttelettes de gras dans les cellules du foie. Les tissus graisseux
possèdent une vitesse du son différente de celle des tissus de foie
(cgras=1460 m/s contre cfoie=1620
m/s). Le degré d’avancement de cette maladie impacte donc indirectement la
vitesse moyenne des ondes de compression. De même, le libre parcours moyen
de diffusion est lié à la microstructure des tissus et plus précisément, il
est inversement proportionnel à la concentration des diffuseurs et à leur
pouvoir diffusant. Dans cette présentation j’expose une analyse matricielle de la propagation
des ondes entre le réseau de transducteurs et le milieu afin de quantifier
les aberrations subies par les fronts d’onde et de discriminer les signaux
provenant de phénomènes de diffusion multiple de ceux issus d’un chemin
balistique. Cette méthode se base sur l’étude de la matrice de réflexion
associée au milieu, qui contient les fronts d’onde réfléchis pour un
ensemble d’ondes incidentes focalisées en chaque point du milieu à imager.
Par construction, cette matrice contient toute l’information acoustique sur
le milieu et est donc particulièrement indiquée au domaine de l’imagerie
quantitative. A partir de cette approche, je montrerai comment il est
possible d’en déduire une estimation locale de la vitesse du son du milieu
ainsi qu’une mesure du taux de diffusion multiple.
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A numerical study on the ultrasound propagation in a 3D gyroid-shaped scaffold
I. Scala, G. Rosi, S. Naili
[Résumé]
Bone substitutes can be used for pre-implant surgery in presence of volumetric bone defects. In this context, the ultrasound characterization of the bone substitute is a key issue. To this end we model the implant as a 3D porous structure and we study its ultrasonic behavior.
In the framework of artificial bone substitutes, scaffolds are widely used. Their features must fulfill strict biomechanical specifications. The scaffold must match the elastic properties of the bone, in terms of stiffness, density and strength, but have the correct value of porosity to allow for cell migration and bone regeneration. In literature, several geometrical configurations have been tested: among them the gyroid-shaped scaffold turns out to be an excellent choice, thanks to its ability to reproduce the behavior and the porous structure of trabecular bone.
This study is focused on the numerical simulations of wave propagation in a porous implant substitute. In particular, 3D finite-difference time-domain (FTDT) simulations were performed on a gyroid-shaped scaffold of 5 x 5 x 5 mm3 saturated with water. The choice of the gyroid microstructure allows for an easy manipulation of the geometry, in term of pore size, strut size and/or porosity. Indeed, in this study, we take into account variations of porosity and pore size. Moreover, ultrasound excitations ranging from 500 kHz to 5 MHz were tested in order to investigate the frequency-dependent behavior phase velocity. Furthermore, the dependence on frequency of reflection coefficient and attenuation will be shown, for different values of porosity and pore size.
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Ultrasound transmission through model liquid foams generated by microfluidics
L. Champougny, J. Pierre, V. Leroy, M.-C. Jullien
[Résumé]
While the acoustic properties of solid foams, which are frequently used for soundproofing purposes, have been abundantly characterized, sound propagation in liquid foams remains poorly understood. J. Pierre and collaborators have recently investigated the transmission of ultrasound through polydisperse liquid foam samples [Pierre et al. Ultrasonics 2013 ; Pierre et al. Phys. Rev. E 2015]. Their study showed that the mechanical coupling between the liquid network in the foam and the thin liquid films separating the bubbles could result in a large attenuation, associated to a resonant behavior [Pierre et al. PRL 2014].
The acoustic propagation in a foam strongly depends on its structural parameters, all of which were not well characterized in previous experiments. Further progress thus requires to investigate the acoustic response of well-controlled foam structures. We introduce a new experimental setup designed to study the transmission of ultrasound (frequencies in the range 70 - 1000 kHz) through model monodisperse liquid foam samples generated by microfluidics. We will present measurements of the acoustic transmission trough monodisperse bubble monolayers of various liquid fractions and bubble sizes. The analysis of these measurements will allow us to retrieve the sound velocity and attenuation in bubble monolayers as functions of their structural parameters.
Additionally, preliminary results on bubble bilayers already show a qualitative difference between the transmission through bubble monolayers and bilayers. This is likely a signature of the free liquid films separating the top and bottom bubbles in the bilayer. This discrete approach, allowing to isolate the signature of a single layer of free films in the acoustic response, will contribute to a better understanding of the dissipation in liquid foams. On the long term, this work could contribute to the design of optimized acoustic metamaterials created by solidification of liquid foams.
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Chair(s) : |
N. Wilkie-Chancellier, SATIE - UMR 8029, 95031, Neuville Sur Oise, France |
T. Valier-Brasier, Institut Jean le Rond d'Alembert, 75005, Paris, France |
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Microstreaming induit par les oscillations non sphériques d’une bulle micrométrique
S. Cleve, M. Guédra, C. Mauger, C. Inserra, P. Blanc-Benon
[Résumé]
Des microbulles, soumises à des champs ultrasonores suffisamment intenses, peuvent éventuellement présenter des oscillations non sphériques, appelées modes de surface. Ces oscillations génèrent un écoulement moyen lent au voisinage immédiat de sa surface, le microstreaming. Ces micro-écoulements jouent un rôle fondamental en ingénierie pour la santé (sonoporation cellulaire par exemple) ou en microfluidique (mélange de fluides). Une meilleure connaissance de ces écoulements est donc primordiale pour de nombreuses applications. Les études expérimentales les plus récentes portent essentiellement sur le microstreaming induit par des bulles posées sur un substrat [1], et la structure des écoulements observés n’est en général pas corrélée à la dynamique temporelle de la bulle à l’échelle acoustique. Étudier les écoulements induits par des bulles libres dans un volume fluide est plus complexe car il faut s’assurer de leur stabilité, notamment si excitées sur des modes de surface. Une technique récente [2] basée sur la coalescence de bulles a permis de stabiliser l’apparition d’oscillations surfaciques et ainsi de permettre leur étude sur des temps longs. Cette technique est ici utilisée pour étudier les structures de microstreaming de bulles libres en fonction des modes de surface générés. Une comparaison numérique prenant en compte la dynamique des oscillations non sphériques de la bulle est présentée. [Ce travail a été effectué dans le cadre du Labex CeLyA de l’Université de Lyon, avec le programme ’Investissements d’Avenir’ (ANR-10-LABX-0060/ANR-11-IDEX-0007) opéré par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).] [1] P. Tho, R. Manasseh and A. Ooi. Journal of Fluid Mechanics 576, 191 (2007). [2] S. Cleve, M. Guédra, C. Mauger, C. Inserra, P. Blanc-Benon, J. Acoust. Soc. Am.141, 3736 (2017).
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Simulation du champ proche généré par une source impulsionnelle à arcs électriques
T. Lechat, D. Dragna, S. Ollivier
[Résumé]
Des arcs électriques impulsionnels sont utilisés comme sources ponctuelles dans des maquettes d’acoustique des salles ou urbaine, et plus récemment pour caractériser des antennes microphoniques.
Avec un écart interélectrodes plus grand qu’un centimètre, ces sources peuvent être utilisées pour étudier la propagation non linéaire d’ondes de chocs faibles sur des distances de quelques décimètres.
Pour comparer simulations numériques et expériences, la modélisation de la source est déterminante.
Dans le cadre de la création d’un code de propagation 3D, une simulation en champ proche de la source est réalisée afin de se rapprocher au mieux des expérimentations.
Cependant, les processus physiques de génération du choc sont complexes (physique des plasmas, chocs forts...), difficiles à caractériser expérimentalement,
et se déroulent à des échelles de temps et d’espace très faibles (nano-seconde, micro-mètre) par rapport aux échelles caractéristiques de la propagation acoustique.
Nous proposons une modélisation simplifiée de la source sous la forme d’un dépôt impulsionnel linéique d’énergie.
La propagation de l’onde de choc générée est calculée dans le domaine temporel via une résolution numérique des équations d’Euler axi-symétriques.
La directivité de la source, le contenu fréquentiel et l’influence des électrodes sont discutés en fonction de la distance à l’arc.
Afin de valider l’approche, une comparaison à des mesures de chocs par visualisation Schlieren et à des formes d’ondes par mesure interférométrique
est réalisée dans les cas de la propagation en champ libre et de la réflexion sur une paroi rigide. Une attention particulière est portée sur l’estimation correcte des
niveaux de pression aux différentes distances, ainsi qu’à la trajectoire du point triple lorsque la réflexion est irrégulière. Les résultats montrent que le
modèle de source simplifié s’avère suffisant pour reproduire numériquement les phénomènes observés expérimentalement.
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Analyse Expérimentale du Comportement des Modes de Vibration d'une Sphère solide Soumise à une Force Axiale
M. De Billy, F. Cohen Ténoudji
[Résumé]
Au cours de cette étude, nous nous proposons d’analyser l’évolution de la
fréquence des premiers modes propres d’une sphère excitée par une impulsion, en
fonction de la force appliquée selon un axe de la sphère. Le dispositif
expérimental est composé d’un transducteur large bande, de polarisation
longitudinale ou transversale, fonctionnant en émission/réception et de fréquence
centrale voisine de 1.25MHz. L’utilisation de tels capteurs permet d’obtenir - par
une simple transformée de Fourier du signal acoustique reçu - le contenu
fréquentiel de la vibration détectée par le récepteur. L’échantillon est constitué
par une bille isotrope en acier de 8mm de diamètre. La force appliquée varie entre
2 et 40N par pas de 2N avec une précision de 0.2N. L’analyse spectrale est limitée
à l’intervalle 0 - 1MHz.
L’analyse des spectres de fréquence révèle l’existence de pics correspondant à
des modes de torsion et sphéroïdaux dont l’amplitude dépend de la polarisation de
la vibration incidente. On note également que, quel que soit le type d’excitation,
ces divers modes peuvent présenter une légère dispersion (quelques kHz), fonction
de la force appliquée sur la sphère. L’objectif de ce travail consistera donc,
dans une première étape à rechercher, pour chaque mode identifié,une loi de
puissance rendant compte des variations fréquence (force appliquée) et dans une
deuxième étape, à suggérer des arguments permettant de rendre compte de cette
dispersion.
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Mesure de la force de pression de radiation exercée par une pince acoustique
D. Zhao
[Résumé]
La pince acoustique est un dispositif permettant de déplacer une sphère élastique dans les trois directions de l’espace à partir d’un faisceau ultrasonore unique. Le mécanisme physique utilisé est la pression de radiation qui est une interaction non linéaire entre le champ ondulatoire et l’objet insonifié. Une difficulté majeure est l’évaluation des composantes de cette force tri-dimensionnelle et notamment de la composante axiale qui est faible comparée aux composantes transverses. Une étude récente a montré que le force peut être reliée au champ acoustique incident seul si on connaît sa décomposition dans une base d’harmoniques sphériques. Dans ce travail nous proposons d’évaluer la force à partir de la mesure du champ acoustique incident. Pour cela plusieurs méthodes sont présentées et comparées. La première consiste à mesurer le champ sur des surfaces sphériques centrées sur la position théorique de l’objet et à calculer la décomposition en harmoniques sphériques par des quadratures adaptées. La seconde repose sur la mesure du champ en des points aléatoires et la résolution du problème inverse par une méthode parcimonieuse avec l’algorithme d’orthogonal matching pursuit.
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Input impedance analysis on a capillary pipe with a longitudinal thermal gradient
A. Zaker, S. Guilain, V. Gibiat
[Résumé]
Input impedance primarily used in the analysis of musical instruments, has shown to be an asset in
the car manufacturing industries to improve the engine intake efficiencies. Air to liquid charge-air
coolers used in new internal combustion engines impose a steep longitudinal thermal gradient on the
intake air contained in its capillary passages. Therefore, the effect of a tapered rectangular
longitudinal thermal gradient and its shape on the input impedance and the reflection function of a
semi-infinite capillary pipe and an open-ended capillary pipe is numerically studied. The FE method
incorporated utilizes the low reduced frequency model to calculate the acoustic pressure. Besides,
one of the cases is compared with the corresponding linearized Navier-Stokes method . The
results show that the shape of gradient and its intensity impact the input impedance and that the
acoustic response related to the open-end condition is considerably more important than the one
caused by the thermal gradient. This study will be accompanied by an experimental analysis in a
future paper.
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Chair(s) : |
C. Prada-Julia, Institut Langevin, ESPCI Paris, UMR CNRS 7587, F-75005, Paris, France |
T. Valier-Brasier, Institut Jean le Rond d'Alembert, 75005, Paris, France |
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Adaptation de la fréquence critique de Schroeder à la propagation acoustique guidée
R. Boucheron
[Résumé]
Pour pouvoir satisfaire les exigences de réduction de bruit des bateaux actuellement en forte croissance, il est nécessaire de développer des moyens de mesures de plus en plus performant. DGA Techniques hydrodynamiques effectue ses mesures acoustiques dans le Grand Tunnel Hydrodynamique (GTH) de Val-de-Reuil. L’environnement confiné d’une veine d’essai modifie les conditions de propagation acoustique rencontrées au réel (quasi-champ libre) en une propagation guidée. La connaissance de cette propagation guidée est nécessaire pour pouvoir corriger les mesures entachées d’artefact dus à ce type de propagation ou pour concevoir de nouveaux moyens (matériels ou post-traitement) permettant de s’affranchir de ces disparités. La propagation acoustique en guide d’onde peut être décrite à basse fréquence par une propagation modale. Lorsque la fréquence d’intérêt augmente, le nombre de mode également et l’acoustique de la veine devient alors statistique. La
séparation fréquentielle entre ces deux propagations (modale et statistique) a été décrite par Schroeder en 1954 pour les applications de l’acoustique en espace clos. La formule dérivée alors a été complétée et modifiée quelques années plus tard en confrontant la théorie à l’expérience et les simulations. En suivant la même démarche entreprise par Schroeder, la première partie de la communication dérive la fréquence limite pour les applications en guide d’onde. Moyennant quelques ajustements dus aux particularités de la propagation en veine, ces fréquences sont obtenues pour les conduites à section rectangulaire et circulaire. La deuxième partie de la communication confronte les résultats théoriques avec des mesures expérimentales effectuées sur une veine du GTH et permet de discuter sur la propagation acoustique en veine.
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Modélisation numérique par approche modale de la propagation et de la diffraction des ondes dans un guide élastique ouvert et localement endommagé
M. Gallezot, F. Treyssède, L. Laguerre
[Résumé]
Les ondes élastiques guidées sont intéressantes pour le contrôle non destructif (CND) des structures, car elles peuvent se propager sur de longues distances. Cependant, lorsque le guide est enfoui dans un milieu solide infini (guide élastique ouvert), la plupart des modes d’ondes sont atténués selon l’axe du guide par rayonnement dans le milieu environnant. Le calcul numérique de ces modes est complexe car il nécessite alors la résolution d’un problème spectral non-borné. Une technique consiste à combiner la méthode des éléments finis semi-analytiques (SAFE) et la méthode des couches parfaitement adaptées (PML). Cette dernière permet de borner le problème spectral. Avec la méthode SAFE-PML, trois types de modes sont calculés : les modes piégés, les modes à fuite et les modes de PML. Les deux premiers types de modes sont intrinsèques à la physique tandis que le troisième type dépend principalement des paramètres de la PML. Nous nous intéressons ici à la propagation des ondes dans un guide ouvert (pour une excitation quelconque) et à leurs interactions avec des endommagements locaux (défauts). Dans un premier temps, la réponse forcée d’un guide ouvert est obtenue par superposition modale sur les trois types de modes calculés avec la méthode SAFE-PML. Dans un second temps, une méthode hybride combinant éléments finis et approche modale est mise en œuvre pour modéliser la diffraction des modes à fuite par des défauts locaux, sur la base de conditions transparentes. Le couplage de ces deux approches permet d’obtenir la propagation et la diffraction des ondes pour différents types de défauts et d’excitations. Des résultats numériques sont présentés dans le cas d’un guide d’onde cylindrique. L’utilisation de ce modèle global de diffraction sera envisagée pour les problèmes inverses appliqués à l’imagerie des guides d’ondes, en particulier en tant que solver du problème direct.
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Modélisation multimodale du rayonnement à l'extrémité ouverte d'un guide d'onde
S. Félix, J.-B. Doc
[Résumé]
À l’aide d’un formalisme multimodal de la propagation acoustique guidée et au moyen de changements de variables complexes (Perfectly Matched Layers, PML), des solutions algébriques sont établies pour l’impédance de rayonnement multimodale d’un guide d’ondes acoustique à son extrémité ouverte sur l’espace libre. Le principe de la méthode est de transformer le problème original, non borné, en un problème de raccordement entre le guide cylindrique considéré et, entourant celui-ci, un guide d’onde infini avec une PML annulaire sur sa paroi. Aucune hypothèse restrictive n’est faite sur la longueur d’onde ou l’épaisseur de la paroi du guide, au contraire de beaucoup des solutions existantes, et la méthode proposée est applicable quelque soit la géométrie du guide ou la condition sur la paroi, rigide ou absorbante (liner).
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Détermination des courbes de dispersion des ondes guidées dans des plaques constituées d’un matériau à gradient fonctionnel
S.-E. Hebaz, F. Benmeddour, E. Moulin, J. Assaad
[Résumé]
Dans ce travail, la méthode de Galerkin discontinue combinée avec une approche analytique est développée.
Celle-ci permet de réduire l’étude des guides d’ondes ultrasonores de deux à une dimension.
La discrétisation de la structure aboutit à un problème aux valeurs propres quadratique. Après linéarisation,
les modes propres des ondes guidées sont calculés. Dans un premier temps, les courbes de dispersion des
nombres d’onde en fonction de la fréquence d’une plaque isotrope sont obtenues.
Les résultats numériques sont comparés avec succès aux solutions analytiques. Ceci constitue une première
validation de la méthode. Dans un deuxième temps, une plaque constituée d’un matériau à gradient
fonctionnel est étudiée en utilisant deux approches. La première consiste à considérer une évolution discrète
des propriétés du matériau, ce qui représente un système multi-couches dont chacune d’elles est homogène.
Dans la deuxième approche, la variation des propriétés à travers l’épaisseur est exprimée par une fonction
polynomiale continue. Les résultats numériques sont en bon accord avec ceux trouvés dans la littérature.
Ceci représente une deuxième valida- tion de la méthode. Lors des calculs numériques, la méthode
développée dans ce travail a montré une stabilité numérique tant pour les petites que pour les grandes
longueurs d’ondes. En plus de l’utilisation d’éléments finis d’ordre faible (1, 2), la formulation discontinue
permet d’exploiter efficacement des éléments d’ordre élevé (≥ 3). Enfin, la méthode a un potentiel
encourageant notamment en gain de temps, en précision et en flexibilité de modélisation des matériaux
hétérogènes et multi-couches.
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Modélisation numérique des guides d'onde tridimensionnels à section symétrique par rotation
F. Treyssède
[Résumé]
Les ondes guidées élastiques interviennent dans l’analyse des structures allongées (comportement vibratoire, évaluation non destructive...). Ces ondes sont multimodales et dispersives, ce qui oblige à disposer d’outils de modélisation pour comprendre les mécanismes de propagation.
Pour des guides à section de forme quelconque, le recours à des méthodes numériques est nécessaire. Une méthode répandue (souvent appelée SAFE ) consiste à tenir compte de l’invariance par translation du guide en appliquant une transformée de Fourier dans la direction axiale avant discrétisation par éléments finis. Cela conduit à un problème modal bidimensionnel discret écrit sur la section. Malgré cela, la résolution du problème aux valeurs propres peut rester exigeante (cas de problèmes haute fréquence par exemple).
Pour réduire davantage le coût de calcul, nous présentons une extension de cette méthode prenant en compte la symétrie de rotation de la section. Ce type de symétrie est courant (polygones réguliers par exemple) et s’avère primordial à intégrer lorsque l’ordre de symétrie devient important.
L’un des contextes applicatifs de ce travail concerne la modélisation des câbles en vue de leur évaluation non destructive. Les câbles sont généralement constitués de brins hélicoïdaux. La transformée de Fourier à appliquer pour tenir compte de l’invariance par translation axiale doit être écrite dans un système de coordonnées non trivial (système hélicoïdal). Les brins sont couplés par des contacts mécaniques, ce qui donne lieu à des problèmes de grande taille en raison du raffinement de maillage près des contacts.
Deux types de câbles seront considérés : les torons à sept fils et les câbles ombilicaux de transport d’électricité. Le premier est constitué par un fil cylindrique central et six fils hélicoïdaux périphériques et est utilisé dans le génie civil (ponts). Le second a une architecture plus complexe (ordre de symétrie élevé) et est notamment utilisé pour les éoliennes offshore.
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Etude de la réfraction négative d’ondes de Lamb
F. Legrand
[Résumé]
La réfraction négative a fait l’objet d’intenses recherches ces 15 dernières années, dans le but de manipuler les ondes de façon inhabituelle. Alors qu’elle est souvent recherchée dans des matériaux complexes (méta-matériaux, cristaux phononiques) la réfraction négative a été observée expérimentalement pour les ondes de Lamb dans une plaque homogène : par conversion d’un mode à vitesse de phase positive (S2) en mode à vitesse de phase négative (S2b) au passage d’une marche [Philippe et al. Scientific Report 11112 (2015)].
Afin d’optimiser ce phénomène une modélisation est proposée pour une marche symétrique. La conversion entre les modes S2 et S2b est étudiée en fonction de la hauteur de la marche, de l’angle d’incidence et de la fréquence. L’étude de la réfraction négative en incidence oblique nécessite la prise en compte de l’ensemble des modes de Lamb et de cisaillement transverse horizontaux (SH). En exprimant leurs champs de déplacement et de contrainte, on établit un système d’équations vérifiant les conditions limites dans le plan de la marche. A cette fin, il est nécessaire de prendre en compte les modes propagatifs plus un grand nombre de modes de Lamb inhomogènes et de modes SH évanescents. En résolvant le système par une pseudo-inversion, on détermine les coefficients de transmission et de réflexion de tous les modes.
Ce modèle permet de trouver, pour une plaque de Duralumin, un coefficient de transmission du mode S2 en S2b T (en amplitude) optimal pour un ratio d’épaisseur de 0.92 (T=0.94), sur une large bande de fréquences (T>0.9 sur 0.15MHz) et sur une large gamme angulaire (T>0.8 jusqu’à 50∘).
Par un modèle semi-analytique, les propriétés de focalisation d’une lentille plate sont vérifiées, et s’avèrent en bon accord avec l’expérience réalisée au moyen des techniques ultrasons-lasers et avec les simulations numériques effectuées avec le code en différences finies Simsonic.
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Utilisation de la Symétrie dans les Guides d'Onde Désordonnés pour la Transmission au Travers de Barrières opaques
E. Cheron, S. Félix, V. Pagneux
[Résumé]
On montre dans les guides d’ondes en régime multimodal que des effets d’interférences constructives engendrés par l’ajout de deux systèmes désordonnés symétriques peuvent être utilisés comme moyens de transmission efficaces au travers de barrières opaques.
Dans un premier temps, des simulations numériques basées sur la résolution de l’équation d’onde à partir de la Méthode Multimodale sont présentées. Elles révèlent une augmentation significative et large bande de la transmission comparée à celle de la barrière seule. Puis, un modèle simple basé sur la théorie semi-classique du transport pour les cavités chaotiques est présenté afin d’optimiser ce gain en transmission à partir des paramètres d’échelles des milieux considérés. En raison de leur forte sensibilité aux défauts de symétrie, ces systèmes appellent à de nouvelles solutions de contrôle non destructif ou de décryptage dans les milieux diffusants.
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Phénomènes transitoires associés à l’onde de Lamb à vitesse de groupe nulle
M. Renier, M. Deschamps
[Résumé]
Pour une plaque dans le vide, pour certaines vitesses de phase et associée à une certaine fréquence, on observe que des modes de Lamb présentent une à vitesse de groupe nulle. On les appelle modes ZGV (Zero Group Velocity). Pour des plaques immergées, ce phénomène est également observé, bien que dans cas, la notion de vitesse de groupe soit difficile à appréhender. Durant ces dernières années, tout ceci a donné lieu à de nombreuses publications, devant l’intérêt que représentent ces ondes en contrôle non destructif par exemple. Généralement, la détermination des courbes de dispersion des ondes de Lamb, se fait par une approche spatiale, c.a.d les solutions sont cherchées pour une lenteur complexe, i.e. fréquence réelle et nombre d’onde complexe. Ce sont les bien connues Leaky Lamb Waves . Une approche, moins souvent utilisée, consiste à chercher les solutions pour des fréquences complexes. Elles correspondent à des résonances de plaques et traduisent des phénomènes transitoires. L’objet de ce travail est d’analyser les modes ZGV à travers ces ondes transitoires. Ces ondes à fréquences complexes sont caractérisées par une décroissance exponentielle en fonction du temps. S’appuyant sur des calculs de champs à la surface de la plaque, réalisé dans un domaine fréquence-épaisseur situé au voisinage des modes ZGV, on observe que les ondes ZGV correspondent à une résonnance dont l’énergie est concentrée dans l’épaisseur de la plaque, qui, par rayonnement, forme une décroissance exponentielle temporelle du signal associé à l’onde rayonnée. Pour les conditions ZGV, mais pas seulement, ceci peut être interprété comme le résultat de multiples réflexions. Des expériences confirment ces résultats.
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Modélisation numérique de la propagation des ondes guidées dans des milieux périodiques multi-hélicoïdaux
C. Zhou, F. Treyssède, P. Cartraud
[Résumé]
La compréhension des mécanismes de propagation des ondes guidées dans un milieu est capitale dans de
nombreux domaines liés à l’acoustique, aux vibrations et au bruit. Les ondes guidées étant multimodales et
dispersives, des outils de modélisation sont indispensables pour comprendre ces mécanismes. Dans ce
travail, nous nous intéressons à la propagation des ondes dans des milieux périodiques multi-hélicoïdaux. Un exemple typique de ce type de milieu se présente dans les armures des câbles de transport d’électricité.
Ces armures, destinées à préserver l’intégrité mécanique de la partie conductrice, sont généralement
constituées d’une ou de deux couches de brins hélicoïdaux. Dans ce dernier cas, chacune des deux couches
a ses propres caractéristiques hélicoïdales : elles tournent en sens opposés, si bien que les symétries du
milieu ne sont plus continues mais deviennent discrètes. Ceci implique de tenir compte des périodicités du
problème sous la forme de conditions de type Bloch-Floquet, l’objectif étant de minimiser la taille de la cellule
unitaire à considérer. Pour cela, il faut définir un système de coordonnées curvilignes ayant deux directions hélicoïdales. On montre
dans ce travail que le tenseur métrique associé à ce système est indépendant des deux coordonnées
hélicoïdales. Ceci permet de définir des bases de projection, pour les champs de déplacement et de
contrainte, dans lesquelles les conditions de Bloch-Floquet s’appliquent. Ensuite, il faut définir la géométrie
de la cellule unitaire. Le système précédemment construit donne naturellement les surfaces de coupe de la
cellule, qui est ainsi délimitée par deux surfaces non planes correspondant à des hélicoïdes (propres à
chaque couche). La cellule unitaire ainsi obtenue, tridimensionnelle, est discrétisée par éléments finis. La
démarche de résolution adoptée ensuite est celle de la méthode des éléments finis ondulatoires (WFEM pour
Wave Finite Element Method) et aboutit au calcul des modes guidés dans le milieu.
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Chair(s) : |
C. Bailly, LMFA, 69134, Ecully, France |
G. Serre |
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On the presence and feedback role of upstream-propagating waves in supersonic screeching jets
R. Gojon, C. Bogey, M. Mihaescu
[Résumé]
In screeching non-ideally expanded jets, the origin of the oscillation modes of the jet is still unclear. In this paper, it is assumed that the feedback loop responsible for screech noise is closed by acoustic waves belonging to the family of the upstream-propagating wave modes of the equivalent ideally expanded jets. The dispersion relations of these modes are obtained from an analysis using a vortex sheet model of the jets. In order to demonstrate this hypothesis, results from several large-eddy simulations of screeching jets are examined. In particular, frequency-wavenumber decompositions of density fluctuations and pressure fluctuations are carried out and the results are compared, in the frequency-wavenumber space, with the analytical dispersion relations of the neutral acoustic wave modes of the equivalent ideally expanded jets. High-amplitude patterns following the dispersion relations are observed in the spectra obtained inside the jet, for the first time to the best of our knowledge in screeching jets. The screech tones are also observed on the spectra. They are located very near the lower limits of the dispersion relations of the neutral acoustic wave modes, indicating the presence in the jet of upstream-propagating waves whose both group and phase velocities are close to the ambient speed of sound.
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Aéro-acoustique des diaphragmes : de l’anéchoïcité au sifflement
T. Humbert, Y. Aurégan
[Résumé]
En conditions résonnantes, le champ tourbillonnaire produit par un diaphragme dans un conduit en présence d’écoulement amplifie les fluctuations acoustiques jusqu’à l’apparition, par un processus non linéaire de saturation, d’auto-oscillations prenant la forme d’un sifflement. De manière générale et plus forcément en présence de réflexions acoustiques, le diaphragme peut ainsi être vu comme un module de gain dont les propriétés sont contrôlées par la vitesse de l’écoulement moyen et la géométrie du diaphragme. En ajustant le gain apporté à l’acoustique avec les pertes produites par la dissipation naturelle ayant lieu dans le tube ou par une chambre accentuant les pertes dans une certaine gamme de fréquences, un système à facteur de qualité infini peut être construit. Une autre application de ce gain peut être appréhendée par la mesure du coefficient de réflexion du diaphragme, supérieur à 1 pour certaines géométries de ce dernier, certaines vitesses d’écoulement, et certaines fréquences. Un exemple simple, permettant d’étudier le phénomène d’ over-reflexion pouvant être observé quand une onde se propage au travers d’une couche de cisaillement, est alors obtenu. Finalement, d’autres jeux de paramètres peuvent entrainer l’effet opposé en provoquant l’annulation du coefficient de réflexion, rendant le conduit complètement anéchoïque.
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Adjoint solution to the linearized Euler equations computed from the direct problem
É. Spieser, C. Bailly
[Résumé]
Acoustic analogies remain the most affordable mean of assessing jet noise prediction for new complex designs. Furthermore Green’s functions taylored to the propagation problem under consideration can be deduced from the solution of an adjoint problem with the source and observation points interchanged. Milestone contribution has been done by Tam and Auriault (1998) who derived the Adjoint Linearized Euler Equations (ALEE), and solved numerically the problem in the time domain. However ALEE solver are still scarce and are subject to the same issues as for the direct problem including instability waves and the design of proper non-reflecting boundary conditions. This work presents to which extent the adjoint solution can be recovered using a LEE solver. After reformulating Tam and Auriault’s adjoint system in a general coordinate frame, a representation theorem for a generalized source definition is given, following Afsar et al. (2007). A discussion on the symmetry, and the quasi-symmetry properties of some LEE subsets is then provided. While Helmholtz’s problem is symmetric, and convected Helmholtz’s problem is quasi-symmetric - i.e. symmetric when considering a reverse mean flow -, Lilley’s problem loses its quasi-symmetry in presence of velocity gradients. Theoretical developments are validated using a new in-house high-order finite difference LEE-ALEE direct frequency solver.
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Génération de chocs dans le champ proche de jets supersoniques
P. Pineau, C. Bogey
[Résumé]
Des simulations numériques de jets supersoniques chauds et isothermes à des nombres de Mach acoustique de 2 et à des nombres de Reynolds de 12500 et 50000 sont réalisées dans le but d’étudier le bruit de mélange rayonné en aval du jet. Plus particulièrement, la génération de chocs faibles, associés à la perception du bruit de crackle dans le champ proche acoustique de ces jets, est approfondie. Les jets considérés sont parfaitement détendus et leurs couches de mélange sont initialement dans un état laminaire. Les équations de Navier-Stokes compressibles et instationnaires sont résolues en coordonnées cylindriques sur des maillages contenant de l’ordre de 300 millions de points par simulation des grandes échelles. Pour cela, des schémas aux différences finies optimisés à faible dissipation et dispersion sont utilisés et une méthode de filtrage adaptatif est employée dans le but de dissiper les oscillations de Gibbs qui se forment au voisinage des chocs. Les propriétés des champs aérodynamiques et acoustiques des jets sont caractérisées à l’aide de représentations instantanées et de résultats statistiques incluant des champs moyens et des spectres de fluctuations de pression. La génération de chocs au niveau des couches de mélange du jet est quant à elle décrite par une méthode de moyennes conditionnelles. Cette méthode consiste à synchroniser les champs acoustiques et aérodynamiques associés à des événements extrêmes détectés dans le champ proche du jet.
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Analyse acoustique et infrasonore du tonnerre
A. Lacroix, F. Coulouvrat, R. Marchiano, T. Farges
[Résumé]
Le tonnerre, composé d’un mélange complexe d’ondes acoustiques (infrasonores et
audibles), demeure encore mal compris. Cette complexité est notamment due aux
effets conjoints de la source, de la géométrie tortueuse du canal de foudre et de
la propagation. C’est pourquoi l’objectif de notre étude, basée sur une campagne de
mesures électromagnétiques et acoustiques réalisées dans les Cévennes en automne
2012 (campagne HyMeX : Defer et Al. [2015]), est de fournir
de nouveaux résultats expérimentaux et théoriques afin de mieux comprendre les
mécanismes d’émissions acoustiques du tonnerre. Pendant plus de deux mois, le
passage d’une dizaine d’orages très près de la station a permis l’enregistrement
d’une centaine de décharge acoustiquement significatives et d’un grand nombre de
détections électromagnétiques. Sur la base d’une vingtaine de décharges
sélectionnées, un ensemble de reconstructions 3D a été effectué avec un nouvel
outil original permettant l’identification et la séparation des différentes
composantes de la décharge au sein des signaux acoustiques. Cela permet, pour la
première fois, d’étudier sans ambiguïté les spectres associés uniquement aux arcs
en retour (partie de la décharge reliant le sol au nuage). Nous mettons en évidence
que ceux-ci produisent la majorité de l’énergie acoustique d’une décharge, qu’ils
sont larges bandes et possèdent un fort contenu infrasonore : ils semblent même en
être la principale source. Ces observations sont compatibles avec un mécanisme
source associé à l’expansion brutale du canal d’éclair. D’autre part un modèle basé
sur la théorie en chaîne de perles de Few [1969] est en
développement. Les premières simulations tendent à montrer que la tortuosité et
l’extension verticale de l’arc en retour sont en cause dans la production des
basses fréquences mesurées.
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Contribution à l’Optimisation de Forme pour le Bruit d’Origine Aérodynamique
F. Margnat, W. Gonçalves Da Silva Pinto
[Résumé]
Une procédure d’optimisation de forme est présentée. Elle est dédiée au bruit généré par les écoulements d’obstacle. La fonctionnelle coût est la puissance acoustique, qui est déduite directement des fluctuations d’effort aérodynamiques par une formule analytique en hypothèse de bruit tonal. Ces derniers sont estimés à partir de la résolution numérique directe de l’écoulement instationnaire en régime laminaire incompressible 2D sur un obstacle convexe symétrique sans incidence. La condition d’adhérence en paroi est assurée par une méthode de frontières immergées, qui permet d’utiliser le même maillage pour toutes les géométries. La forme de l’obstacle est définie à l’aide de 4 arcs de Bézier, dont les contraintes de continuité à l’ordre 2 conduisent à une paramétrisation à 4 degrés de liberté, pilotant le rapport d’aspect, la frontalité et les profilages amont et aval. L’optimisation est obtenue par un algorithme d’essaim particulaire (Particle Swarm Optimisation), qui offre un bon compromis entre le nombre d’évaluations de la fonctionnelle nécessaires pour trouver l’optimum et le risque d’optima locaux. Plusieurs optimisations sont présentées en augmentant progressivement la dimension de l’espace des paramètres afin d’affiner la perception de la surface de réponse et de la dynamique de l’essaim. On obtient notamment jusqu’à une différence d’efficacité en puissance d’au moins 15 dB entre les configurations extrêmes pour un rapport d’aspect fixé, et d’au moins 3.5 dB sous contrainte de surface ou de périmètre. Les premiers résultats montrent que les formes minimisant la fluctuation de portance sont relativement différentes de celles minimisant la trainée moyenne.
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Calcul de la réponse vibro-acoustique des vitrages automobiles à l’excitation aérodynamique par la méthode des éléments finis
F. Van Herpe, D. Binet
[Résumé]
À haute vitesse, le confort acoustique dans une voiture dépend principalement du bruit d’origine aérodynamique. Ce bruit est perçu à l’intérieur d’une automobile dans le domaine des moyennes et hautes fréquences. Il est principalement rayonné par les vitrages. Sa prédiction numérique peut être réalisée en couplant un code de mécanique des fluides compressibles et transitoire à un code vibro-acoustique. La simulation de l’écoulement d’air autour de l’enveloppe extérieure du véhicule fournit le chargement pariétal qui s’applique ses vitrages. Ce chargement aérodynamique est ensuite utilisé comme excitation dans un code vibro-acoustique pour calculer le bruit rayonné dans l’habitacle. Dans le domaine des hautes fréquences, on peut utiliser un code basé sur la méthode énergétique SEA (Statistical Energy Analysis). Cependant les hypothèses fondatrices de cette méthode ne sont plus respectées en moyennes fréquences. C’est pourquoi nous proposons dans ce travail de repousser les limites de la méthode des éléments finis, classiquement utilisée en basses fréquences, pour estimer la réponse vibro-acoustique des vitrages automobiles en moyennes fréquences. Pour optimiser les temps de calcul, un remaillage adaptatif de l’habitacle en fonction de la fréquence sera utilisé. La méthode des modes pelliculaires sera utilisée pour le calcul de l’excitation de la surface extérieure des vitrages et pour l’interprétation des résultats. Cette méthode permet notamment de séparer les composantes acoustique et aérodynamique du champ de fluctuations de pression pariétale. Enfin les prédictions numériques seront comparées à des mesures expérimentales réalisées sur véhicule en soufflerie.
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Etude numérique d'un phénomène de sifflement de rétroviseur
F. Margnat, R. Vicente Cruz, W. Gonçalves Da Silva Pinto, H. Lazure
[Résumé]
La problématique du sifflement généré par l’écoulement sur un rétroviseur automobile est abordée par une approche numérique. La modélisation consiste en la sélection d’un profil géométrique pour lequel la dynamique est majoritairement bidimensionnelle. Egalement, le choix d’un régime incompressible à bas nombre de Reynolds représente bien les aspects qualitatifs du phénomène tout en permettant de changer de configuration avec un temps de simulation non-prohibitif. Des tests réalisés pour des écoulements de cavité montrent que le mécanisme de sélection fréquentielle par verrouillage de phase est correctement décrit par la présente approche, sous hypothèse de nombre de Mach tendant vers zéro. Pour cette configuration modèle, l’obtention d’une rétroaction dans le cas du rétroviseur nécessite d’introduire une excitation des instabilités de couche cisaillée. Ceci est opéré par soufflage ponctuel au niveau de la paroi, dont la mise en œuvre est facilitée par l’utilisation d’une méthode de frontières immergées. Le sifflement apparait alors, à une fréquence d’environ 25 fois supérieure à celle de l’instabilité de sillage. Cette dernière apporte une modulation d’amplitude au sifflement, laquelle se traduit par l’apparition de pics secondaires autour de la fréquence de sifflement. L’analyse de l’écoulement sifflant et des conditions d’apparition du sifflement permettent de compléter la description des phénomènes observés lors des études expérimentales antérieures.
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Champs acoustiques en viviers ou aquariums : localisation de sources mobiles
A. Novak, M. Bruneau, P. Lotton, L. Simon
[Résumé]
Les études comportementales des petits animaux aquatiques par analyse acoustique dans les
viviers ou aquariums se heurtent aux propriétés particulières des champs de pression et de
vitesse particulaire dans ces espaces clos. Dans le domaine de fréquences d’émissions
privilégiées par ces petits animaux (fréquences en générale inférieures au kHz) le niveau des
champs est très faible en raison des réflexions en parois pratiquement en opposition de phase
avec le champ direct (ce qui a pour effet en particulier de ”gommer” les premières résonances
dues aux modes axiaux et tangentiels), alors que les niveaux d’émissions de ces petits animaux
aux fréquences supérieures, habituellement beaucoup plus faibles, sont là amplifiés de façon
sélective par les résonances des premiers modes obliques du réservoir. Une modélisation
réaliste permet de répondre à certaines exigences des études menées dans ces conditions en
aquariums : elle permet notamment de résoudre le problème de la localisation de petits
animaux aquatiques mobiles par procédé acoustique. Ainsi cette étude a-t-elle pour objectif de
présenter la méthode de localisation ”en temps réel” et la modélisation analytique sur laquelle
elle repose. Les résultats analytiques sont finalement discutés en regard des résultats
d’expériences mises en œuvre dans le cadre de l’étude.
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Impact de la morphologie de la tête et de postures naturelles sur les indices de localisation des sons chez les crocodiliens
L. Papet, N. Grimault, N. Mathevon
[Résumé]
En tant que super-prédateurs, les crocodiliens sont munis d’une vision excellente dans l’air, d’un odorat très développé et de facultés remarquables pour percevoir les vibrations. Leur perception auditive très fine dans l’air et probablement dans l’eau leur permet de localiser précisément leurs proies et leurs congénères dans leur environnement. Afin d’étudier les phénomènes de localisation chez les crocodiliens, les HRTF (Head-Related Transfer Functions) de différents spécimens sont mesurées en plaçant des microphones dans les oreilles d’animaux vivants. L’une des spécificités des crocodiliens demeure la présence d’un canal interaural reliant par voie aérienne les deux oreilles, une attention particulière est portée à l’influence de ce canal. Cette expérience est menée sur différents matériels inertes (crânes, animaux taxidermisés) et sur quelques jeunes animaux en captivité car elle demeure compliquée à réaliser sur des spécimens adultes. Cette étude met en évidence la présence d’indices de localisation dans deux positions naturelles des crocodiliens à savoir sur le sol et à la surface de l’eau. Ces indices dépendent de la taille et semblent adaptés à un environnement "amphibie". Les mesures sur crânes ont permis de modéliser l’influence du canal interaural sur les indices de HRTF. Associées à une technologie de réalité virtuelle, ces données permettront de réaliser des expériences comportementales sur des animaux évoluant dans leur environnement naturel.
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La bioacoustique comme aide à la gestion de la biodiversité : approche innovante sur le Butor étoilé et des Grenouilles vertes (Pélophylax) dans la Réserve naturelle nationale de l'estuaire de la Seine
O. Swift, C. Dutilleul, É. Rémond, F. Simon
[Résumé]
Parmi les espèces d’intérêt communautaire occupant la Réserve naturelle nationale de l’estuaire de la Seine,
deux d’entre elles ont fait l’objet d’un suivi basé sur la bioacoustique : la Grenouille de Lessona et le Butor
étoilé. La première appartient à un complexe d’espèces menacé par deux facteurs : l’introduction d’une
espèce proche, pouvant s’hybrider, la Grenouille rieuse ; la banalisation du milieu naturel. Or, la principale
difficulté est de déterminer les espèces et les hybrides afin de pouvoir suivre l’évolution de la composition
des populations et éventuellement intervenir à titre conservatoire. La seconde espèce, le Butor étoilé, connait
depuis plusieurs décennies un déclin prononcé à l’échelle nationale. Sur l’aire d’étude, la population, après
une phase d’augmentation des mâles chanteurs, affiche depuis quinze ans une inquiétante réduction. Des
comptages méthodiques sont effectués. Malheureusement, ils ne traduisent pas les stratégies d’occupation
de l’espace par individu, les déplacements ou encore la fidélité intra-annuelle aux sites. Cette année, 170
chants ont été enregistrés et 121 ont pu être analysés. Il s’ensuit une identification de trois individus. Ce
résultat réduit l’estimation initiale par la simple écoute qui est de cinq à huit individus. Par ailleurs, nous
confirmons pour la première fois l’existence de déplacements des chanteurs. Côté Pélophylax, les 350
séquences enregistrées ont permis une nette différenciation des taxons et apportent une nouvelle lecture de
l’occupation de l’espace : les roselières comme élément primordial pour la Grenouille de Lessona. Cette
approche novatrice présente de nombreux atouts : elle apporte un témoignage biohistorique d’un existant
localisé et daté par dépôt des sons dans des institutions officielles ; elle produit une matière qui pourra être
revisitée au regard des avancées de la science ; enfin, elle procure une aide précieuse à la réflexion sur la
conservation des espèces par le biais d’une méthode non-intrusive.
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Chair(s) : |
E. Sadoulet-Reboul, Univ. Bourgogne Franche Compté FEMTO-ST, 25000, Besançon, France |
P. Leclaire, DRIVE, Univ. Bourgogne Franche Comté, 58027, Nevers, France |
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Absorption acoustique de murs végétalisés constitués de feuillages et de substrats
E. Attal, N. Côté, T. Shimizu, B. Dubus
[Résumé]
De nombreux travaux récents ont montré que les murs végétalisés peuvent absorber efficacement les ondes acoustiques et ainsi contribuer à la réduction du bruit et à l’amélioration du paysage sonore dans des environnements urbains. En particulier, il a été observé que l’absorption acoustique d’une couche de substrat peut être augmentée significativement sur une large bande de fréquences lorsqu’elle est recouverte d’une couche de feuillage. Cet effet est influencé par les paramètres caractéristiques du feuillage (densité surfacique, orientation) mais le mécanisme physique mis en jeu reste inexpliqué.
Pour étudier ce problème, des mesures sont réalisées en tube d’impédance sur des échantillons de feuillage et de substrat entre 100 et 1000 Hz. L’utilisation de la méthode à trois microphones et deux cavités permet ainsi de déterminer : i) le coefficient d’absorption acoustique et l’impédance spécifique de surface en condition arrière de mur rigide ; ii) la vitesse du son et l’impédance caractéristique du fluide homogène équivalent. L’absorption acoustique d’échantillons composées de couches superposées de feuillage et de substrat est également mesurée en condition arrière de mur rigide. Pour ces échantillons composites, les coefficients d’absorption simulés à partir des propriétés équivalentes des feuillages et des substrats sont en bon accord avec ceux mesurés en tube d’impédance. Plus généralement, les résultats obtenus pour les différents échantillons composites indiquent que la modification de l’absorption apportée par la couche de feuillage résulte d’une part, des résonances en épaisseur de l’échantillon et, d’autre part, de l’adaptation d’impédance acoustique entre l’air et le substrat apportée par le feuillage qui se comporte comme une adaptateur quart-d’onde.
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Propagation acoustique à basses fréquences et forts niveaux dans les guides d’ondes : couplage vibroacoustique entre une tuyauterie coudée et la colonne de gaz
R. Beauvais, J. Gilbert, F. Gautier, A. Pelat, V. Florquin, G. Vandenbossche
[Résumé]
Dans les sites industriels relevant du domaine de la production d’énergie, les
procédés de fabrication induisent l’utilisation de réseaux de tuyauterie
soumis à de fortes contraintes environnementales (transport de gaz dangereux à
haute pression et haute température). Les compresseurs alternatifs connectés à
ces réseaux se comportent comme des sources acoustiques dont les pulsations
induisent des vibrations de structures par couplage entre la colonne da gaz et
la tuyauterie. Ce couplage vibro-acoustique apparait notamment lorsque deux
coudes sont séparés par un tronçon de tuyauterie. L’objectif est donc
d’estimer numériquement en basses fréquences, le champ vibratoire d’une
tuyauterie coudée associé à un champ de pression acoustique à partir d’une
simple variable d’entrée qu’est la source acoustique. Or, bien que peu décrit
dans la littérature, un modèle acoustique basé sur l’hypothèse d’onde plane
est généralement admis dans l’industrie afin d’estimer la résultante des
forces appliquée sur un coude. Il convient donc dans un premier temps
d’étudier expérimentalement le couplage afin de relever un ensemble de
fonctions de transfert vibratoires et acoustiques. Puis dans un second temps,
un modèle FDTD (Finite Difference Time Domain) est proposé de manière simuler
l’évolution du champ de pression acoustique à faible et fort niveau. En effet,
lorsque ce niveau est important, les modèles analytiques en régime harmonique
classiquement utilisés peuvent parfois dévier de la réalité du fait de
l’apparition de phénomènes non linéaires aussi bien le long de la tuyauterie
qu’au niveau des discontinuités (orifice, changement de section). Ainsi, en
connaissant la réponse vibratoire de la structure dans les coudes et la
pression acoustique associée obtenue numériquement ou expérimentalement, il
devient possible d’estimer à travers le modèle industriel en onde plane, un
niveau vibratoire pouvant être comparé à la mesure afin d’en étudier la
validité.
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Correction de longueur pour des discontinuités ou perforations 2D aux grandeurs longueurs d'ondes et en régime linéaire
L. Jaouen, F. Chevillotte
[Résumé]
L’objet de ce travail concerne la correction de longueur due aux effets de rayonnement acoustique à une discontinuité entre deux conduits ou à la surface d’une plaque perforée dans le domaine linéaire et aux grandes longueur d’onde.
Deux résultats sont obtenus à partir de la comparaison de modèles utilisés dans la littérature pour différentes géométries de discontinuités ou de perforations.
Premièrement, le couplage de mode à la discontinuité entre deux conduits ou une plaque perforée et l’air est négligeable pour les basses fréquences. Deuxièmement, tous les modèles de correction de longueur proposés jusqu’à aujourd’hui, pour toutes géométries à l’exception des fentes, sont similaires lorsqu’elles sont étudiées en fonction de la racine carrée du taux de perforation (le rapport des aires des sections pour les conduits). Ces deux résultats impliquent que l’influence de l’épaisseur des plaques perforées ou des discontinuités peut être pris en compte dans la correction de longueur de manière indépendante par rapport aux autres considérations géométriques. Une expression de la correction de longueur commune à toutes les géométries de perforations ou de discontinuités, à l’exception des géométries de type fentes, est proposée pour des applications pratiques.
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Contrôle Actif Harmonique Multimodal du Bruit Rayonné en Conduit via l’Utilisation d’une Loi de Rétroaction Locale
J. Drant, P. Micheau, A. Berry
[Résumé]
Le contrôle actif d’un champ acoustique multimodal en conduit demande un
réseau de sources secondaires et de capteurs d’erreur distribués. Des
travaux précédents en contrôle actif vibro-acoustique harmonique sur la
commande par impédances mécaniques virtuelles ont démontré expérimentalement
qu’on peut mettre en œuvre des lois locales vibratoires (force-vitesse) pour
minimiser une grandeur acoustique globale, la puissance acoustique rayonnée. Le problème abordé dans cette étude est la transposition de ce formalisme au
calcul de lois de rétroaction locales acoustiques en régime harmonique dans
un conduit. Ce concept, basé sur le principe de placer les capteurs d’erreur
en champ proche des sources d’anti-bruit, est testé à l’aide de simulations
numériques. Pour illustrer l’approche, on considère un bruit harmonique
multimodal dans un conduit annulaire-cylindrique de longueur finie. Les
sources secondaires et les microphones d’erreur sont disposés en double
anneau, en paroi externe du conduit, en amont et en aval de la source de
bruit à atténuer. L’objectif est de minimiser la puissance acoustique
rayonnée aux deux extrémités du conduit. Les résultats montrent que ni l’annulation de la pression acoustique aux
points de contrôle ni la minimisation de l’intensité acoustique active
axiale en paroi aux points de contrôle ne sont des solutions optimales. Pour
minimiser la puissance acoustique rayonnée, la loi de contrôle locale doit
imposer un ratio complexe entre le débit des sources secondaires et la
pression pariétale mesurée en champ proche.
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Atténuation Acoustique en Cavité Résonante par Absorbeur Vibro-Acoustique Non-Linéaire à Double Port
R. Côte, S. Bellizzi, B. Cochelin, P. Herzog, P.-O. Mattei, M. Pachebat, C. Pinhede
[Résumé]
De nombreux travaux ont mis en évidence l’intérêt des absorbeurs non linéaires pour la réduction des vibrations. En particulier, il a été montré qu’une membrane en grande déformation s’apparente à un système à raideur cubique à 1 degré de liberté qui peut être couplé à un système acoustique linéaire primaire et donner lieu à un transfert d’énergie irréversible (Targeted Energy Transfer) appelé pompage acoustique. Ce dispositif présente un potentiel d’application à basse fréquence mais l’intérêt pratique pour la réduction du bruit dans une pièce résonante était jusqu’à présent limité. En effet, dans cette configuration la face arrière de la membrane, placée en paroi, réémet un bruit indésirable vers l’extérieur. Nous présentons un système basé sur les mêmes principes mais qui s’affranchit de ces difficultés pratiques. Il s’agit d’un absorbeur non linéaire de type membrane, à raideur cubique, doublement couplé au système primaire. Pour une excitation harmonique, l’idée consiste à appliquer des pressions déphasées de chaque côté de la membrane. Ainsi la membrane est isolée de l’extérieur et la somme des pressions appliquées sur les deux faces de la membrane peut être différente de la pression dans la pièce résonante, avec un impact sur le seuil de déclenchement. L’analyse du système couplé se fait avec les outils classiques de la dynamique non-linéaire (équilibrage harmonique). Nous présentons un modèle et des résultats expérimentaux montrant une atténuation significative pour la première résonance d’une salle, dans une configuration représentative d’une application industrielle.
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Dissipation vibratoire ajoutée à une structure modale creuse par ajout d’un matériau granulaire
A. Sternberger, A. Pelat, J.-M. Génevaux
[Résumé]
Le contrôle des niveaux vibratoires dans les structures industrielles constitue
un
enjeu concurrentiel pour des raisons de fiabilité et de confort. L’utilisation
d’un
matériau granulaire, par nature plus léger que la matière pleine, peut induire
des
effets d’amortissement dans des structures creuses. Lorsque les niveaux
d’accélération vibratoire sont suffisants (>1g), les mouvements relatifs inter-
grains et grains-structure conduisent à des mécanismes de dissipation d’énergie
de
différentes natures (a priori chocs et frottements). Cette étude vise à
quantifier
l’amortissement ajouté à une structure vibrante, en lien avec différents
paramètres
de contrôle du matériau granulaire (taille et matériau des grains, compacité,
polydispersité, ...). L’étude préalable de la vibration d’une cavité rigide partiellement remplie de
grains met en évidence la pertinence du matériau granulaire par rapport à une
même
masse indéformable. En effet, des mécanismes dissipatifs, propres à la matière
en
grains, conduisent à augmenter l’amortissement modal du système jusqu’à un
facteur
10. Ces mécanismes sont induits pour des niveaux d’accélération supérieurs à 1g,
qui ne sont pas toujours atteints dans le domaine du transport. Pour une
accélération inférieure à 1g, seule la propagation d’ondes au sein de ce milieu
est
source d’une dissipation de faible niveau si les grains sont indéformables. Par contre, le mécanisme dissipatif de friction inter-grains est ainsi favorisé
par
la déformation de la structure modale contenant les grains. L’étude de l’ajout
du
matériau granulaire dans un cylindre creux compartimenté permet d’identifier les
zones pertinentes à traiter entraînant un amortissement vibratoire adéquat.
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Comportement Vibratoire Non Linéaire des Composites Stratifiés Viscoélastiques
H. Daoud, A. El Mahi, J.-L. Rebiere, M. Taktak, M. Haddar
[Résumé]
Le but de ce travail est d’évaluer le comportement non linéaire d’un composite
stratifié viscoélastique. Ces composites sont biosourcés, ils sont constitués
d’une couche viscoélastique naturelle confinée entre deux couches élastiques
de composites en fibres de lin. Les composites ont été préparés à l’aide du
moulage par compression en faisant varier les séquences d’empilement.
La couche viscoélastique en caoutchouc naturel a été introduite au niveau de
la couche intermédiaire dans le composite stratifié pour améliorer ses
propriétés modales. L’effet de cette couche sur les fréquences propres et sur
les facteurs d’amortissement en vibration linéaire a été étudié.
Suite à une série d’essais avec des amplitudes de résonances croissantes, les
variations des fréquences de résonance et des facteurs d’amortissement en
vibration non linéaire ont été évaluées. Les variations de la fréquence de
résonance et les facteurs d’amortissement ont été étudiés en fonction de
différents niveaux d’excitation. Ainsi, les paramètres élastiques et
dissipatifs non linéaires liés respectivement à la fréquence et à
l’amortissement ont été déterminés pour différents modes de flexion. L’analyse
de la variation de ces paramètres en fonction de l’amplitude à la résonance a
été effectuée.
Ces paramètres non linéaires obtenus ont été comparés avec ceux en vibration
linéaire. Les résultats montrent que les paramètres non linéaires sont plus
sensibles à la présence de la couche viscoélastique.
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Analyse du comportement vibratoire d’un éco-composite à différents niveau d’endommagement
M. Haggui, A. El Mahi, Z. Jendli, A. Akrout, M. Haddar
[Résumé]
Cette étude présente la caractérisation vibratoire d’un matériau éco-composite
stratifié composée des fibres de lin et d’une résine thermoplastique. Dans un
premier temps, des essais d’analyse modale ont été effectués sur des
éprouvettes unidirectionnelles saines pour différentes orientation des fibres.
Ensuite, l’étude a été établie sur des échantillons sollicités en traction à
différentes niveau de chargement. Enfin, une interprétation des résultats a
permis de mettre en évidence l’influence d’endommagement sur le comportement
vibratoire du composite. L’étude expérimental a été réalisé à l’aide d’un
marteau d’impact dans le cas d’une configuration encastrée/ libre. Les
résultats obtenus pour les différentes éprouvettes permettent de décrire
l’évolution de l’amortissement ainsi que le module d’Young en fonction de la
fréquence. Ce travail a permis de montrer que l’utilisation de matrice
thermoplastique renforcé de fibres de lin augmente les propriétés
d’amortissement des composites qui ont montrés une sensibilité à
l’introduction d’endommagement.
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Chair(s) : |
C. Guianvarc’H, Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM, 93210, La Plaine Saint-Denis, France |
E. Brasseur |
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Contributions of Bram Wijnands to Experimental Aeroacoustics, part I: from supersonic jet screech to human voiced sounds production
A. Hirschberg, Y. Aurégan, X. Pelorson
[Résumé]
From 1956 until 1998, A.P.J. (Bram) Wijnands (1934-2017) has designed, build and run many experimental
facilities at TUEindhoven (TU/e) in collaboration with a.o. L. Poldervaart, G. Vossers, M.E.H. van Dongen and
A. Hirschberg. Initially the research on aeroacoustics was inspired by the development of the Concorde
supersonic aircraft. Bram carried out spectacular flow visualization on supersonic free jets with rectangular
cross-section. This provided unique insight into the jet screech phenomenon (www.youtube.com/watch?
v=dJp5m1SDN5c). Around 1980 the work shifted to the study of instabilities in natural gas transport
systems at low Mach numbers. The role of closed side branches in the drive of self-sustained pulsations was
modeled on the basis of his experiments. Quantitative measurements on the aeroacoustic response of pipe
discontinuities (pipe termination, expansion of cross section and diaphragms) were carried out. Starting
around 1988 the study of human snoring at the LAUM and of voiced sound production (TU/e, G-INP) lead
to new insights. Both the work on the aeroacoustics of internal flows (LAUM) and human voiced sound
production (G-INP) is ongoing, using set-ups designed/build or directly inspired by Bram. The paper will
present a few highlights of original and recent work.
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Contributions of Bram Wijnands to Experimental Aeroacoustics, part II: woodwind musical instruments
A. Hirschberg, J. Gilbert, B. Fabre, M.-P. Verge
[Résumé]
A.P.J. (Bram) Wijnands (1934-2017) was a skilled musician and instrument builder. He was mostly involved
with renaissance music with the group Au Joly Bois. Around 1980 Bram initiated a study on the geometry of
the recorder mouthpiece, based on flow visualization. He was seeking for the optimization of the
flue/labium combination. Collaboration was initiated with the LAM, where physical models were developed
for sound synthesis. The flow visualization of Bram was primordial; in particular it allowed a study of the
complex flow during the attack transient, which had been ignored in the literature (www.flute-a-
bec.com/miko-fluit.html). This is an ongoing research. The physical models have been incorporated in
sound synthesis by AAS. In parallel, work was carried out in collaboration with the LAUM on the clarinet and
trombone. Experiments of Bram provided quantitative relationship between flow and pressure difference in
the mouthpiece of reed instruments. They also demonstrated the relationship between brassy sounds of
copper instruments and the formation of shock waves. Research on those subjects is still ongoing and will
be described in the paper.
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Transmission des fluctuations de bruit dans un modèle d’habitacle automobile générées par un écoulement instationnaire : étude en soufflerie
C. Zumu Doli, H. Lazure, V. Valeau, L.-E. Brizzi, J.-C. Valière, F. Van Herpe
[Résumé]
Lors de son déplacement, un véhicule automobile interagit avec un écoulement turbulent instationnaire qui module en amplitude le bruit à l’intérieur de l’habitacle. Ainsi les variations temporelles de l’écoulement incident dégradent la qualité de l’ambiance acoustique. Cette étude vise à décrire et comprendre les mécanismes aéro-vibro-acoustiques afin de pouvoir en tirer des règles de conception pour les futurs véhicules. Un banc d’essai est conçu en soufflerie anéchoïque BETI afin d’étudier la génération puis la transmission de ces fluctuations de bruit. L’écoulement de marche montante est choisi comme source de bruit aéroacoustique rayonnant dans un caisson anéchoïque, lequel sert de modèle d’habitacle automobile. Une vitre est utilisée afin de modéliser la transmission de ces fluctuations de bruit dans ce volume d’écoute placé juste en-dessous de la marche. Un dispositif actif (volet) fixé au niveau du convergent de la veine d’essai est utilisé afin de générer une variation temporelle contrôlée de la vitesse de l’écoulement incident. L’approche retenue consiste, pendant le temps de maniement du volet, à mesurer et relier le champ de vitesse externe à la pression pariétale d’une part, puis au champ acoustique interne obtenu par transmission d’autre part. La technique de vélocimétrie laser par images de particules à haute cadence d’échantillonnage (TR-PIV à 20 kHz) est utilisée pour effectuer la mesure du champ de vitesse. L’analyse des données est basée sur le calcul d’indicateurs de la fluctuation énergétique des différentes quantités. Des outils de corrélation spatio-temporelle sont alors développés pour mettre en évidence les zones de l’écoulement les plus corrélées avec les fluctuations de pression pariétale et le bruit intérieur. Des pistes de compréhension de la génération des phénomènes de fluctuation de bruit sont alors formulées.
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Analyse expérimentale du sifflement d’un riser industriel
P.-O. Mattei, M. Amielh, J.-P. Roques, A. Karnikian, G. Galeron, M. Décuupère, D. Charliac
[Résumé]
Le champ acoustique induit par un écoulement dans un tuyau corrugué est étudié depuis longtemps. Un regain d’intérêt s’est manifesté en lien avec le développement de l’exploitation de gisements de gaz en haute mer utilisant de grandes longueurs de riser pour le transport gazier. Sur de telles installations, le phénomène peut entraîner une défaillance de l’équipement adjacent aux risers. Dans ce cadre, un test conjoint impliquant TOTAL E&P, l’Institut de Recherche des Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE), le Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique (LMA) et TechnipFMC a été réalisé fin 2016 au CESAME de Poitiers (France). Ce test a été effectué dans un tuyau flexible TechnipFMC de 6 ” de diamètre interne et de 18 mètres de longueur. Les deux sens d’écoulement ont été testés afin d’évaluer l’influence des bords arrondis de la carcasse. Ce riser était équipé de manchettes en amont et en aval sur lesquelles étaient fixés des capteurs de vitesse par fil chaud, des capteurs de température, des capteurs de pression ainsi que des microphones. Une série d’essais a été conduite pour des pressions internes et des vitesses d’écoulements variées. Nous présentons une analyse temps-fréquence des signaux issus de ces essais ainsi qu’une étude de corrélation entre les divers capteurs. Nous avons observé que les signaux mesurés en condition de sifflement présentaient des fluctuations significatives tant temporelles que fréquentielles. Nous avons pu montrer que les fluctuations fréquentielles étaient liées à la géométrie du riser. En outre, ces analyses ont permis de montrer que le sifflement observé existait aux fréquences acoustiques transverses du riser tout en se propageant à la vitesse de convection de l’écoulement.
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Measure of the angular dynamic stiffness of a pressurized ball joint
G.-D. Leguet, J.-F. Roche, M.A. Hamdi, M. Rachik, F. Foucart, H. Lafiti
[Résumé]
This work deals with a pneumatic Aero-duct under internal pressure, which must
withstand the severe thermal and vibration environment of aircraft engines.
The air inside the duct is extracted at high temperature (400 to 700∘C) and
high pressure (5 to 30 bars) from motor compressors and then distributed to
the airplane to ensure defrosting of the wings, pressurization of the cab and
engine starting aid.The pneumatic ducts integrate flexible elements, said
”ball joints” to balance thermal dilatation, mechanical displacements and
provide damping. Vibration tests have exhibited nonlinear behavior of the
pneumatic ducts regarding the excitation amplitude and/ or the direction of
the frequency sweep. The nonlinear phenomena might be mostly attributed to the
ball joint connecting ducts. In fact, the design of the ”ball joint” induces a
complex behavior by the presence of several nonlinearities (contacts, dry
frictions, etc...) due to kinematic interactions between the different parts of
the ball joint. In a previous study [1], the dynamic behavior of the ball
joint has been investigated through an experimental campaign allowing the
measurement of the dynamic stiffness of the ball joint at different level of
excitations and relative angle offsets. However due to some restrictions, the
effect of the internal pressure could not be studied. The paper describes the
results of an experimental procedure conducted on a vibration test bench to
measure the influence of internal pressure levels on the angular dynamic
stiffness of a ball joint. [1] Investigation of ball joints under static and dynamic loads, DOI:
10.13009/EUCASS 2017
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Chair(s) : |
F. Foucart, UTC, 60203, Compiegne, France |
S. Letourneur |
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Caractérisation expérimentale de la déformée statique d’anches simples par méthodes optiques
F. Ablitzer, B. Gazengel
[Résumé]
Dans le cadre d’un travail visant à caractériser expérimentalement les anches simples (clarinette, saxophone), un banc de mesure permettant d’estimer la raideur statique et la déformée statique d’anches simples est étudié. Celui-ci permet d’encastrer l’anche et de la positionner avec une longueur libre constante. Un système de charge variable peut être positionné à différentes distances de l’extrémité de l’anche et permet de connaître la force appliquée sur l’anche. Deux systèmes de mesure du déplacement sont étudiés. Il s’agit d’une part d’un capteur optique Philtec RC62, d’autre part d’un système de photographie utilisant une caméra vidéo permettant une estimation de la déformée de l’anche par analyse d’image. La répétabilité et la reproductibilité de chaque système de mesure est étudié. Enfin, la mesure d’anches de coupes différentes, de forces très différentes (2, 3, 4) et de forces similaires (3) est réalisée. L’analyse de la corrélation entre la force de l’anche, la coupe de l’anche et les raideurs et profils mesurés est réalisée.
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Une mesure de l'apport du son 3D dans un jeu vidéo sur mobile
J. Moreira, L. Gros, R. Nicol, I. Viaud-Delmon, S. Natkin, C. Le Prado
[Résumé]
Nous présentons un protocole expérimental visant à mesurer l’apport du son
binaural dans un jeu vidéo audiovisuel sur mobile. Ce protocole répond à deux
problématiques distinctes : 1) identifier les types d’apports possibles du
binaural, et 2) mettre au point une méthode d’évaluation tenant compte des
spécificités du contexte mobile. Nous introduisons trois hypothèses sur la
façon dont le binaural peut enrichir l’expérience utilisateur : amélioration
du sentiment d’immersion, meilleure mémorisation de la scène virtuelle, et
amélioration de la performance (type score de jeu vidéo). Concernant la
méthode d’évaluation, nous évoquons d’abord la singularité des contextes
mobiles, multiples et imprévisibles. Puis nous proposons une méthode basée sur
l’ Experience Sampling Method , qui replace l’expérience dans le contexte
d’utilisation quotidien du sujet. Pour mesurer chacun des trois apports, nous
proposons de récolter différentes données, séparées entre les données
objectives, issues de l’interaction entre l’utilisateur et l’application, et
les données subjectives, issues de questions de ressenti directement posées à
l’utilisateur. La méthode que nous proposons a également comme ambition
d’atténuer l’influence de ces questions subjectives sur l’appréciation que le
sujet a de sa propre expérience.
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Contrôle actif du champ diffracté en basse fréquence dans une salle semi-anéchoïque
C. Pinhede, D. Habault, P. Herzog, E. Friot
[Résumé]
Les salles anéchoïques sont des équipements dédiés aux mesures de rayonnement de sources sonores. Cependant, les mesures aux basses fréquences dans ces salles sont limitées par la qualité et l’épaisseur des matériaux absorbants recouvrant les parois. La solution étudiée consiste à compléter le matériaux absorbant avec un système de contrôle actif composé de sources de contrôle et de microphones. Afin de valider ce concept, nous avons réalisé une première expérience qui consiste à annuler avec un système de contrôle actif le champ diffracté sur la paroi non équipée d’absorbant d’une salle semi-anéchoïque.
Le fait que le champ diffracté ne soit pas directement accessible à la mesure constitue une difficulté spécifique à ce problème de contrôle actif. Une stratégie d’estimation de la pression diffractée à partir de mesures de la pression totale a notamment été élaborée pour la surmonter.
Le contrôle est donc réalisé en deux étapes. Dans la première, un ”filtre de diffraction” est identifié à l’aide d’une source de référence et d’un réseau de 16 microphones disposés dans un plan parallèle à la paroi rigide. La seconde consiste à déterminer les commandes à générer par les 9 sources de contrôle fixées sur la paroi afin d’annuler le champ diffracté. La bande de fréquence étudiée est 40-200 Hz. Les générations et acquisitions des signaux sont réalisées à l’aide d’une carte son pilotée par Matlab pour différentes configurations de contrôle.
Dans cet exposé, nous présenterons la méthode pour identifier le ”filtre de diffraction” ainsi que les résultats de mesures du champ diffracté contrôlé dans la salle semi-anéchoïque du LMA.
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'Les Murs Ont Des Oreilles' : Antenne répartie sur les parois d'une salle
H. Demontis, F. Ollivier, J. Marchal
[Résumé]
Les techniques d’imagerie acoustique permettent de localiser des sources à l’aide d’antennes de
microphones, et de les caractériser dans des scènes sonores éventuellement complexes. Les antennes sont
généralement linéaires ou planes, parfois sphériques. Les performances des algorithmes résolvant le
problème inverse sont cependant restreintes par les dimensions de l’antenne, qui déterminent la résolution
spatiale, et par le nombre de microphones, qui définissent la dynamique. Des systèmes acoustiques
embarquant plusieurs dizaines de microphones analogiques ont été proposés pour pallier ces limitations,
mais leur encombrement et leur complexité de mise en oeuvre rend leur utilisation difficile. Notre recherche concerne la mise en œuvre d’antennes de micros numériques légères, très étendues et de
géométrie arbitraire. Il est possible en particulier avec ces antennes de distribuer les micros autour des
sources étudiées et de circonscrire une zone acoustique d’intérêt (ZAI). Ces systèmes emploient plusieurs
centaines de microphones numériques MEMS qui intègrent le chaîne de conditionnement et de numérisation ,
pour permettre la transmission rapide de signaux numériques synchrones sans bruit. Elles offrent aussi la
possibilité d’un traitement temps réel. Nous présentons une étude numérique pour définir la stratégie de déploiement de l’antenne et évaluer les
performances de ce type de système pour mesurer la directivité de sources complexes en environnement
confiné. L’étude numérique est validée expérimentalement pour évaluer le rayonnement d’un haut-parleur,
préalablement calibré en condition semi-anéchoïque, dans une salle présentant de la réverbération.
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Mesurer et corriger la réponse en fréquence d’un MEMS
L. Lamotte, T. Le Magueresse, C. Picard
[Résumé]
La démocratisation des technologies de l’information et de la communication (TIC) offre de nouvelles possibilités pour la métrologie acoustique. C’est en particulier le cas pour toute les méthodes nécessitant le déploiement d’un grand nombre de microphone (analyse modale, mesure de voie de transfert, imagerie acoustique...). Les technologies de capteur numérique MEMS et processeur embarqué ARM FPGA vont permettre de répondre autrement à ces techniques de mesures : pouvoir augmenter les performances de ces technologies tout en réduisant leur coût de mise en œuvre. Toutefois, l’intégration de ces technologies qui ne sont pas destinées à la métrologie nécessite une étape fine et rigoureuse de calibrage pour déterminer et corriger la réponse en fréquence intrinsèque du MEMs soudés sur une carte électronique (PCB). Cet article décrit la mise en oeuvre d’une calibration locale d’un capteur MEMS et l’intégration d’un filtre associé à cette réponse pour la corriger. Il s’agira dans un premier temps de définir un protocole expérimental pour mesurer la réponse du capteur MEMS sur sa plage de fréquence de fonctionnement en travaillant sur toute la chaîne. Puis dans un second temps, il sera détaillé la mise au point d’un filtre assurant sa correction de préférence en temps réel afin de l’implémenter au plus proche du capteur. La validation de la mesure d’un capteur MEMs corrigé permettra de valider le protocole défini dans cet article et la possibilité d’en faire un capteur de mesure acoustique.
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Dynamic mass density limits of acoustic metamaterials made of clamped elastic plates
M. Malléjac, V. Tournat, J.-P. Groby, V. Romero-García
[Résumé]
Organizing thin clamped elastic plates in a periodic structure appears to lead in some interesting acoustic
metamaterial phenomenon such as negative or zero dynamic mass density. The aim of this study is to
experimentally and theoretically characterize the propagation of sound waves in a one dimensional structured
periodic array made of thin elastic plates. First we present an inverse method to retrieve the mechanical
properties of the elastic plates by using the acoustic measurements of the reflection and transmission
coefficients. Properties such as the Young modulus, the density, the loss factor and Poisson’s coefficient are
obtained. To do this characterization, a 4 microphones transmission tube is used, leading to the
determination of the reflection and transmission curves versus frequency. An optimization process is then
used between numerical results from the model and the experimental data. Once the elastic plates are
characterized, we analyze the properties of a finite periodic array of such kind of plates, paying special
attention to the different behavior of the system depending on the properties of the elementary building
blocks. Due to the strong dispersion produced by the system, different regimes of values of the effective
dynamic mass density can be obtained, from negative mass density to zero mass density. We analyze the
consequences of such regimes in the propagation of sound waves through this periodic array.
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Chair(s) : |
C. Potel, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
A. Pelat, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
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Mallette pédagogique acoustique utilisant la lutherie sauvage
F. Gautier, J. Jeltsch, M. Depoorter, F. Ablitzer, A. Pelat, C. Baurens, C. Terraes, M. Tavera, P. Leroux
[Résumé]
La lutherie sauvage est une démarche visant à fabriquer des instruments de musique à partir d’objets de récupération, parfois incongrus. Une telle démarche suscite généralement l’intérêt, ce qui en fait un moyen efficace pour aborder la musique et les arts plastiques mais aussi pour enseigner des éléments d’acoustique, de physique et d’ingénierie relatifs aux sources sonores. L’expérimentation directe de l’élève avec des objets détournés, assemblés astucieusement, facilite la mise en contact avec le sujet d’étude.
Dans le cadre du projet Merite, une mallette pédagogique, comprenant une collection d’instruments sauvages a été développée, de façon à présenter de façon structurée le fonctionnement de sources acoustiques. Les démonstrateurs sonores de la mallette sont classés en fonction des modes de production du son, décrits par un verbe d’action (Frapper, Pincer, Frotter, Siffler, Canarder, Buzzer). Ils sont choisis de façon à être illustratifs de phénomènes physiques clairs, indépendants les uns des autres. Les instruments retenus peuvent être reproduits à faible cout, voire fabriqués par les élèves.
Trois utilisations différentes, qui ont donné lieu à des expérimentations pédagogiques sont présentées. La mallette d’instruments sauvages a été conçue pour intéresser un public de jeunes enfants du cycle 3 (CM1, CM2-6ieme) : la production et l’écoute des sons, le classement des sources selon les modes de génération des sons constituent les premières approches. Les mêmes instruments constituent également des supports d’analyses acoustiques permettant d’introduire les premières représentations des signaux (formes d’ondes, spectre et spectrogramme), dans le premier cycle universitaire. Ces sources peuvent également servir de contextes permettant de présenter des modèles acoustiques avancés, dans un cursus d’ingénieurs ou de master.
L’objectif de la communication est de présenter les instruments sauvages de la mallette pédagogique, leur exploitation dans les 3 contextes mentionnés (cycle 3, premier cycle universitaire, cursus ingénieur) et l’effet de levier pédagogique généré.
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Le DNESP design sonore : une articulation entre création / sciences / pédagogie
O. Houix, N. Misdariis, P. Susini, C. Ayrault
[Résumé]
Le design sonore concerne une grande diversité de champs d’application comme la production sonore (radio), le rapport image / son (cinéma), l’écriture sonore interactive (jeux vidéo), le design industriel (transport), l’identité sonore de marques (logo). Le travail du designer sonore est de penser les sons dans un contexte d’usage, de leur donner une intention fonctionnelle et esthétique. Cette discipline relève de la création combinée à une approche globale et transversale qui inclut différents champs disciplinaires allant de la technique en son à l’analyse des usages, en passant par la psychoacoustique. Depuis 2012, une formation diplômante et professionnalisante en deux ans (DNSEP mention design sonore) équivalent au grade de master, permet à des étudiants de se former au métier de designer sonore. Cette formation unique couvre des domaines variés tels que les connaissances scientifiques (acoustique et cognition), les technologies du son (synthèse, programmation, interactivité), la méthodologie créative (workshop) et l’histoire du sonore et de l’art sonore, nécessaires à l’exercice du métier. Cette formation a lieu à l’école des beaux arts TALM site le Mans en partenariat avec l’Ircam, le laboratoire d’acoustique de l’Université du Mans LAUM ainsi que l’école nationale supérieure de création industrielle ENSCI les Ateliers. Les spécificités de cette formation seront présentées à partir des projets de diplômes et de workshops applicatifs lors desquels les étudiants répondent à une commande d’un partenaire industriel ou institutionnel touchant au transport, à l’architecture ou à la santé. Nous conclurons sur l’intérêt de la méthode pédagogique illustrée par les workshops pour susciter des réalisations concrètes et des questions de recherche.
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'Acousticobac : la voix dans tous ses états', un MOOC d'initiation à l'acoustique
J.-P. Dalmont, C. Ayrault, C. Hoarau, J. Bordais, N. Postec
[Résumé]
Le Mans Acoustique et Le Mans Université, dans le but de promouvoir l’acoustique auprès des lycéens tout en les aidant à passer leur bac avec succès, ont entrepris de réaliser un MOOC d’initiation à l’acoustique. Celui-repose sur le programme officiel du baccalauréat scientifique et pourra être utilisé comme support par les enseignants de terminale S ou de premiers cycles universitaires. Les notions élémentaires du programme seront déployées sur cinq semaines comprenant chacune une vidéo de mise en situation, une expérience à réaliser soi-même avec son smartphone ou son ordinateur et des activités permettant de valider l’acquisition des notions abordées. En outre un forum de discussion sera ouvert et une web conférence sera organisée à l’issue de chaque semaine. Le temps de travail personnel hebdomadaire est estimé à 2h. Pour rendre le MOOC ludique et attractif le cours s’appuiera sur un fil rouge qui consistera à apprendre à modifier sa voix physiquement ou numériquement. Pour cela l’élève devra maitriser les notions de fréquence et spectre d’un son, de résonateur, etc. et s’initier au traitement numérique de la parole. Le MOOC sera proposé sur la plateforme FUN.
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Exploration du lac de Guerlédan : présentation des projets étudiants en hydrographie et acoustique sous-marine
I. Mopin, R. Schwab, C. Vrignaud, L. Berger
[Résumé]
Le projet d’exploration du lac de Guerlédan est un projet porté par l’équipe OSM (Ocean Sensing and Mapping) de l’ENSTA Bretagne à destination de ses étudiants des filières Hydrographie/Océanographie et Robotique. L’objectif est d’amener les étudiants de dernière année (équivalent Master 2) à mettre en commun leurs connaissances aussi bien pratiques que théoriques autour d’une problématique de recherche. Grâce à de nombreux partenaires institutionnels et industriels, les étudiants ont accès à des moyens d’essais de pointe, et peuvent travailler en collaboration avec des experts des domaines concernés.
Parmi les sujets proposés aux étudiants, plusieurs ont une forte composante acoustique comme par exemple, l’étude de la composition de la colonne d’eau à l’aide de différents systèmes sonars, l’étalonnage de la réflectivité d’un sondeur multifaisceaux, ou la reconstitution 3D de structures sous-marines par des méthodes acoustiques.
Dans un premier temps, la mise en place du projet d’enseignement et ses aboutissements seront présentés, puis les résultats acoustiques des projets étudiants cités précédemment seront détaillés.
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Chair(s) : |
A. Pelat, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
C. Potel, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
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Danse musicale d'un film de savon : entre enseignement et médiation scientifique
C. Gaulon, F. Elias
[Résumé]
L’expérience de la ”danse musicale d’un film de savon” est la suivante [1] : à l’une des extrémités d’un tube est formé un film de savon, tandis qu’un haut-parleur est placé à la seconde. Selon la fréquence et l’amplitude (les deux étant par ailleurs couplées via les résonances du tube) le film de savon vibre de différentes manières. A faible amplitude, des anneaux concentriques traduisent la présence des ondes capillaires à la surface du film ; à plus forte amplitude, des tourbillons apparaissent dans le plan du film. Le film de savon s’anime et danse ainsi au rythme de la musique [2]. Après une démonstration de cette expérience, son potentiel comme outil d’enseignement ou de médiation scientifique sera exploré. Le petit matériel nécessaire à sa réalisation est facilement transportable, permettant une installation tant dans une salle de classe que sur un stand de la Fête de la Science. Au-delà de son contenu scientifique riche (évidemment en acoustique mais aussi en hydrodynamique et en optique via les interférences lumineuses à l’origine des irisations du film de savon), cette expérience est l’occasion de délivrer un discours plus large sur la science, qu’il soit adressé à des étudiants ou au grand public. Mise en valeur de la physique du quotidien, celle dont ”la banalité des objets étudiés renforce les énigmes de leurs comportements ” (Jean-Marc Lévy-Leblond) ; questionnement sur la notion du Beau en science et retour sur l’Ode to a flower de Richard Feynman : ces exemples comptent parmi les nombreux aspects qui peuvent être abordés grâce à cette expérience. [1] C. Gaulon, C. Derec, T. Combriat, P. Marmottant, F. Elias. Sound and vision: visualization of music with a soap film, European Journal of Physics, 38, p. 045804, (2017) [2] Vidéo de présentation https://www.youtube.com/watch?v=wMFrfWZpVMM et vidéo musicale https://www.youtube.com/watch?v=b0rOEfXWs2Q
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Développement d'une plateforme d'évaluation des performances des prothèses auditives au sein de la formation d'audioprothésiste de la faculté de Pharmacie de Nancy
B. Maillou, J. Ducourneau
[Résumé]
S’adressant aux étudiants du Diplôme d’État d’Audioprothésiste de la faculté de Pharmacie de Nancy, la plateforme de simulation de perte auditive appareillée est financée par l’Hôpital Virtuel de Lorraine et IDEFI-REMIS. Cet outil pédagogique a pour objectif d’évaluer les performances des traitements audionumériques implémentés dans les appareils auditifs. Chaque patient peut en effet bénéficier de nombreux réglages audioprothétiques et de traitements du signal permettant d’améliorer l’intelligibilité de la parole dans le bruit. Devant l’opacité des informations données par les fabricants, et la grande variabilité interindividuelle de ressenti des patients, cette plateforme permet aux étudiants la réalisation d’études objectives sur l’efficacité de ces traitements. Elle permet d’analyser le son en sortie d’aides auditives lorsque celles-ci sont activées dans un environnement sonore réaliste.
La plateforme est constituée d’un buste humain artificiel dont les oreilles peuvent être équipées d’aides auditives. Il est immergé dans un champ sonore à l’aide d’un système de multidiffusion. Un script Matlab pilote la multidiffusion et l’acquisition des sons captés en sortie d’aides auditives au travers d’une surdité simulée. Alors qu’un tel dispositif est courant dans certains laboratoires de recherche ou département R&D de fabricants d’aides auditives, son usage au sein d’une formation d’audioprothésiste est une avancée pédagogique récente. A Nancy, la plateforme de simulation tient une place privilégiée dans la réalisation des mémoires de fin d’études, en complément des tests subjectifs effectués sur un panel de patients. Elle est mise à disposition des étudiants, en autonomie, via une interface de contrôle, dès lors que les algorithmes d’analyse des signaux ont été mis à jour en fonction de la problématique de l’étude.
Cette communication a pour but de décrire la plateforme, son interface de contrôle développée par nos soins, les modules de calculs intégrés, et de présenter quelques travaux d’étudiants qu’elle a permis de mener à bien.
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Un atelier « Musique et Acoustique » à destination des professeurs de collège
B. Dubus, A.-C. Hladky-Hennion, J. Vasseur, J. Coutte, P. Campistron, F. Benmeddour, S. Grondel
[Résumé]
La Section Régionale Grand Nord de la SFA a organisé en juin 2017 un atelier sur la thématique Musique et Acoustique dans le cadre du cycle de formation Physique et Musique à destination des enseignants de collège mis en place par la Maison pour la Science et l’Ecole Supérieure du Professorat et de l’Education des Hauts-de-France. 16 professeurs de physique, de mathématiques, de musique et de technologie ont participé à cette demi-journée.
L’atelier visait à faire découvrir sous la forme de courts travaux pratiques les liens parfois complexes entre physique et son. Répartis en trois catégories (instruments à cordes, tuyaux sonores, résonateurs de Helmholtz), ces exercices proposaient des expériences sur la production, la mesure, l’analyse et la perception de sons produits à partir d’objets simples ou d’ instruments de musique. La plupart des exercices étaient indépendants les uns des autres et pouvaient donc être réalisés selon l’envie des participants en suivant une progressant thématique ou de manière plus aléatoire.
L’atelier a été reconduit dans le programme de formation pour l’année 2018.
Cette présentation sera l’occasion d’un retour d’expérience sur la conception de cette formation, sa réalisation et son appréciation par les participants.
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I-Simpa, un Logiciel Open Source pour la Propagation Acoustique dans des Milieux Complexes, en Soutien à des Actions Pédagogiques
J. Picaut, N. Fortin
[Résumé]
I-Simpa est une plateforme logicielle permettant d’utiliser des codes de
calcul dédiés à l’étude du champ acoustique dans des espaces complexes.
Développé par l’Ifsttar, initialement pour ces propres besoins de recherche,
I-Simpa est aujourd’hui diffusé librement auprès des communautés intéressées.
Sa philosophie Open Source et son fonctionnement ouvert, autorisant les
utilisateurs à manipuler les données, les interfaces et les codes de calcul,
par l’intermédiaire de scripts en langage Python, font de I-Simpa un outil
particulièrement adapté au développement d’actions pédagogiques, par exemple
en soutien à des enseignements ou à la réalisation de travaux pratiques et de
projets d’étudiants. Dans la présente communication, nous présentons cet
esprit d’ouverture qui caractérise I-Simpa, et détaillons des exemples de
ressources pouvant être utilisées dans le cadre de travaux pratiques en
acoustique. L’exemple de la simulation d’une salle réverbérante pour
l’estimation des propriétés acoustiques des matériaux est détaillée. Plus
globalement, nous insistons également sur l’approche communautaire associée à
I-Simpa, qui permettrait de partager de nombreuses ressources entre les
différents utilisateurs/contributeurs de I-Simpa.
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Chair(s) : |
C. Audoly, Naval Group Research, 83190, Ollioules, France |
X. Carniel, CETIM/MAV, 60300, Senlis, France |
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NF S 31-120 : une nouvelle norme pour évaluer l’influence des effets météorologiques et des effets de sol sur la mesure du bruit dans l’environnement
D. Ecotière, B. Gauvreau, F. Junker, H. Lefèvre
[Résumé]
Dans certaines conditions, le niveau sonore créé par une ou plusieurs sources sonores situées en environnement extérieur peut être influencé par les conditions météorologiques ou les propriétés du sol. Cette dépendance doit être quantifiée afin de décrire correctement une situation sonore. Les différentes approches présentées dans plusieurs documents normatifs français et permettant d’évaluer ces influences ont été homogénéisées, réactualisées, complétées, puis rassemblées dans un document unique constituée par la norme NF S 31-111. Ce document propose un ensemble de méthodes permettant la caractérisation des conditions météorologiques et des propriétés du sol pouvant avoir une influence à la fois locale au niveau du récepteur et lors de la propagation de l’onde sonore entre source(s) et récepteur(s). Il fixe les grandeurs à considérer et expose les méthodes générales de détermination de ces grandeurs. Deux méthodes présentées reprennent les pratiques existantes et sont applicables pour des sources de bruit ayant une hauteur inférieure à 200m et pour des distances source-récepteur inférieures à 2 km. Une troisième méthode, élaborée à l’occasion de la rédaction de la norme, permet d’appréhender les cas sortant de ce domaine d’application. La norme NF S 31-111 peut être utilisée pour (i) estimer l’effet des conditions météorologiques sur une mesure de constat ; (ii) juger de la similarité des conditions de propagation entre deux résultats de mesurage ; (iii) rechercher des explications concernant les variations du niveau sonore observées lors du mesurage d’une source stable ; (iv) classer des résultats de mesurage selon des conditions de propagation dépendantes de la météorologie et du type de sol ; (v) estimer un niveau sonore représentatif du niveau de long terme. Cette communication présente le contenu et les principaux travaux menés à l’occasion de la rédaction de cette norme.
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XP S 31-115-1 : une nouvelle norme pour évaluer les incertitudes liées à l’instrumentation lors de mesurages du bruit dans l’environnement
D. Ecotière, M. Rumeau, D. Brassenx, F. Junker, H. Lefèvre, E. Marchal, C. Ribeiro, C. Rosin
[Résumé]
La présentation du résultat d’un mesurage acoustique nécessite d’être accompagnée de l’incertitude associée à ce mesurage afin d’en estimer sa fiabilité. En l’absence de cette information, aucune comparaison ne peut être effectuée entre plusieurs résultats de mesurage ou entre un résultat et une valeur de référence fournie par exemple par une spécification ou un texte réglementaire. Le papier présente le premier volet de la première norme française traitant de l’évaluation de l’incertitude de la mesure du bruit dans l’environnement : XP S 31-115-1.
Cette norme s’adresse à toute personne procédant à des mesurages acoustiques dans l’environnement, ainsi qu’aux rédacteurs de norme de mesurage en acoustique de l’environnement. Le document traite de l’estimation de l’incertitude liée uniquement à l’instrumentation et aux appareillages utilisés et n’aborde pas l’incertitude liée à la représentativité des phénomènes observés, ni à celle liée au protocole de mise en œuvre. Quelques résultats sont proposés concernant l’incertitude liée à la réalisation du calcul de quelques indicateurs acoustiques courants (Leq, fractiles ...), dont l’indicateur d’émergence qui a fait l’objet d’un travail spécifique et original à l’occasion de la rédaction de cette norme.
Le document présente la méthodologie générale adoptée, les postes d’incertitudes et les facteurs d’influence à considérer, et les valeurs à utiliser par défaut pour l’estimation des incertitude-types, ainsi que les méthodes qu’il est possible d’adopter pour obtenir des incertitude-types plus précises que les valeurs par défaut. La méthode de recomposition des incertitude-types pour obtenir l’incertitude finale, ainsi que la manière de les présenter et de les utiliser est également présentée.
Cette communication présente le contenu et les principaux travaux menés à l’occasion de la rédaction de cette norme.
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Point de situation sur la normalisation en acoustique au niveau international et focus sur la mesure du bruit rayonné de navires
C. Audoly
[Résumé]
Le corpus de normes dans le domaine de l’acoustique sous-marine était jusqu’à présent peu développé voire inexistant, et se limitait à quelques documents spécifiques des applications militaires. Or, le développement rapide des technologies d’exploration de l’environnement marin et de l’exploitation industrielle des ressources maritimes tout en limitant les nuisances environnementales et l’impact sur la faune marine, nécessitent au minimum de disposer d’un langage commun et de méthodes fiables de mesure de quantités physiques. Différents organismes de normalisation, et principalement l’ISO (International Standardization Organisation) ont constitué des comités sur l’acoustique sous-marine avec la définition d’un plan de travail pour mettre à disposition un ensemble de normes sur des sujets prioritaires. L’objectif de cet exposé est le faire le point sur les normes d’ores et déjà disponibles, ainsi que sur le plan de travail à venir. On présentera plus en détail les travaux en cours sur la mesure du bruit rayonné de navires : mesure par grands fonds, correction de l’effet miroir de Lloyd et mesure par petits fonds.
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Sound power level measurement in diffuse field for not movable sources or emitting prominent discrete tones
F. Bessac, P. Cellard
[Résumé]
Determination of sound power level (Lw) uses three types of methods:
intensity, free field (over a reflecting floor) and diffuse field.
The latest is widely used in industry and certification, especially for
heating, ventilation and air conditioning (HVAC) machines. The room is less
expensive to build and it is suitable to manage large range of ambient
conditions which are required for air-conditioning units. The associated
international standards are ISO 3741 (precision, grade 1), ISO 3743-1, ISO
3743-2 (engineering, grade 2) and ISO 3747 (survey, grade 2 or 3).
In practice, laboratories (and industrials) face difficulties to carry out
tests at grade 1 and even grade 2:
Ï Many machines have spectra exhibiting discrete-frequency components (pure
tones) at either low or medium frequencies with the risk to impact the A-
weighted level. In the ISO 3741 field, it may be impossible to qualify the
room according to Annex D and the required number of microphone and source
position may be unrealistic (authors already met a 25 source positions
requirement!).
Ï Many other machines cannot be moved (wall hung boilers, fans, ducted HVAC
units). Their noise measurement requires source moving according to the ISO
3743-1/2 if the machines have large directivity or discrete-frequency
components. For this purpose, the standard titles include ”small, movable
sources”. Despite these constraints, some product standards (example: ISO
13347-2) allow the ISO 3743 use even if the machines are fixed, accepting a
result bias to improve its reproducibility.
These difficulties will be illustrated with actual examples encountered by
the authors. Various options will be studied to improve the situation. For
instance, the possibility to merge the different standards with a system of
more or less severe criteria will be evaluated. The accuracy grade would
become a simple consequence of the used means and the obtained results.
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La Normalisation Acoustique dans le Bâtiment
P. Ozouf, S. Berger, M. Rehfeld
[Résumé]
La normalisation acoustique bâtiment travaille sur la métrologie en laboratoire et in situ, ainsi que sur la prévision des performances des bâtiments à partir de leur conception, des matériaux, des produits/systèmes utilisés et mis en œuvre. Elle travaille également sur l’évaluation des performances (labo et in situ) par des indices globaux représentatifs.
En particulier, une norme sur la classification acoustique des bâtiments est actuellement en cours d’élaboration, sur le même principe de ce qui se fait en thermique. On prend de plus en plus en compte la notion de confort, et pas uniquement des paramètres physiques.
On détaillera ces différentes normes récemment publiées ou en cours d’élaboration au sein de l’ISO/TC43/SC2 et du CEN/TC126 building acoustics , ainsi que les travaux en cours au sein de la commission Afnor S30F. Il s’agit du groupe miroir français de ces deux TCs et qui participe activement à l’élaboration de ces normes, tout en travaillant en avance de phase ou sur des projets spécifiques.
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Chair(s) : |
S. Meunier, Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, LMA, 13453, Marseille, France |
V. Koehl, Lab-STICC, Université de Brest, 29200, Brest, France |
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Could a functional sound be beautiful?
P. Susini
[Résumé]
Considering design and ecological perspectives, a general definition of sound design was proposed: a sound design approach is implemented to create new sounds in order to make intentions audible in a given context of use (Susini et al., 2014). Intentions are of different types: the first intention is to reach efficiently a goal thanks to the sound (functionality), the second one is to produce an harmonious reaction in the environment combining satisfaction of the user (pleasantness), coherence with the product (identity), and, as far as possible, embellishment of the environment (ecology). Successful sound design should be the articulation of the different intentions in order to produce new interactions through sound. However, behind the formal aspects of a sound, there is always intention associated to its function. For example, an alarm sound has a strong spectro-temporal mark corresponding to its warning function that tend to limit the possibility to shape the sound in coherence with the environment. This is the tricky part of the process taken in charge by the sound designer; to be able to combine functional constraints concurrent to aesthetic aspects. The presentation will discuss this articulation between usability and beauty in the sound design practice.
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Sonification pour l'exploration et l'analyse de données : résultats récents et perspectives via l'exemple de la sismologie
A. Paté, L. Boschi, L. Delcor, B. Holtzman, D. Dubois, J.-L. Le Carrou, C. Fritz, J. Candler
[Résumé]
La sonification, ou ”auditory display”, est une discipline en pleine expansion. Elle promet de proposer une représentation alternative des données et résultats scientifiques via la modalité auditive, en complément de la modalité visuelle. Si les sons produits sont souvent probants pour la communication auprès du grand public ou pour aiguiller le.la chercheur.euse à titre individuel, il reste pertinent de s’interroger sur la portée générale et systématisable de la méthode dans le contexte de la recherche scientifique. Pour ce faire, des études perceptives sont nécessaires afin d’évaluer la perception / discrimination des sons produits ainsi que le lien entre caractéristiques perçues du son et paramètres physiques des données (ces paramètres pouvant être connus ou inconnus, le dernier cas donnant de nouvelles pistes au.à la chercheur.euse). Cette intervention s’appuiera sur de récentes études pluridisciplinaires menées à l’interface de l’acoustique, de la sismologie et des sciences cognitives. Des méthodes d’audification (compression temporelle) des données sismiques ont été appliquées pour étudier i) la pertinence de l’utilisation même de la sonification avec des signaux sismiques, ii) la sensibilité des participant.e.s à différents paramètres sismiques, iii) l’influence de l’expertise, iv) l’influence de l’apprentissage, v) les différences de ”performance” selon la modalité de présentation des stimuli (auditive ou visuelle).
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La sonie de sons en mouvement
S. Meunier, S. Savel, J. Chatron, G. Rabau
[Résumé]
La majorité des études s’intéressant aux variations de la sonie avec la direction ont été faites pour un son statique. L’objet de ce travail est d’étudier la sonie d’une source en mouvement. Par analogie avec les études sur la différence de sonie entre sons croissants ou décroissants en intensité (sans mouvement de la source), nous souhaitons étudier les mécanismes de formation de la sonie d’un son en mouvement. L’analogie avec les sons dont l’intensité varie est directe car le niveau aux oreilles dépend de la position de la source, ainsi un son en mouvement va créer, aux oreilles, des niveaux qui varient au cours du temps. Nous avons mesuré, en champ libre en utilisant une méthode d’estimation de grandeur sans référence, la sonie globale d’une source en mouvement en fonction des positions de départ et d’arrivée du signal et de son sens de rotation. Quatre positions fixes ont été étudiées ainsi qu’un son se déplaçant dans un sens et dans le sens opposé. Une méthode VBAP a été utilisée pour obtenir un mouvement du son linéaire entre deux haut-parleurs. Une bande de bruit d’1/3 d’octave centrée sur 5 kHz et un bruit large bande ont été testés à quatre niveaux. Nous n’avons globalement pas trouvé de différence de sonie globale selon le sens de variation de la source. De plus, les résultats obtenus avec un son fixe semblent confirmer, avec la méthode d’estimation de grandeur, l’effet de la direction sur la sonie mesurée avec une méthode adaptative.
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Sonie directionnelle de bruits en basses fréquences : influence du mode de restitution
G. Berthomieu, V. Koehl, M. Paquier
[Résumé]
De précédentes études ont révélé un effet significatif de la différence interaurale de temps (ITD) lors de la sommation de sonie binaurale, augmentant la sonie de sons purs basses fréquences présentant une disparité temporelle interaurale. Cet effet joue vraisemblablement un rôle dans le phénomène de sonie directionnelle lorsque la source comporte du contenu basses fréquences, pour lesquelles l’ITD constitue le principal indice de localisation. Il n’a jusqu’alors été étudié que pour des sons diffusés au casque, s’éloignant ainsi totalement de conditions d’écoute naturelles. Afin d’étendre la validité de ces résultats à des stimuli restitués par des haut-parleurs, vingt sujets normo-entendants ont effectué des comparaisons de sonie à partir de bruits en basses fréquences dont la largeur de bande était de 1 ERB, diffusés par des haut-parleurs placés de face ou sur le côté et à différentes distances du point d’écoute. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus lorsque les mêmes signaux étaient diffusés au casque.
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Caractérisation des stratégies individuelles d'écoute de la parole au moyen d'un blob noise
L. Varnet, C. Micheyl, C. Lorenzi
[Résumé]
Bien qu’un large consensus se soit établi au sein la communauté scientifique quant à l’implication des indices acoustiques dans la compréhension de la parole, les mécanismes exacts permettant la transformation d’un signal langagier continu en unités linguistiques élémentaires demeurent aujourd’hui largement méconnus. L’une des questions qui reste en suspens est celle de la variabilité inter-auditeurs de ces stratégies d’écoute. En effet, leur étude nécessite de parvenir à caractériser les éléments du signal de parole activement utilisés pour la compréhension de la parole. Dans cette étude, nous proposons deux approches complémentaires visant à estimer la sensibilité d’un auditeur aux différents indices acoustiques impliqués dans une tâche de catégorisation de syllabe dans le bruit. Ces approches, dérivées de la méthode des Images de Classification Auditives (ACI), s’appuient sur l’ajout d’un bruit localisé sur les positions spectro-temporelles des indices acoustiques (“blob noise”) de manière à biaiser les réponses du sujet. La première méthode (blob noise ACI) offre un moyen de visualiser rapidement les indices acoustiques utilisés par un participant, tandis que la seconde (blob noise paramétrique) permet d’estimer les poids relatifs de ces indices dans la décision. Les résultats obtenus sur un groupe de 10 auditeurs normo-entendant suggèrent une certaine variabilité dans les stratégies d’écoutes individuelles pour la catégorisation des syllabes /da/ et /ga/.
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Représentations mentales du sourire dans la voix parlée : une étude par corrélation inverse
P. Arias, E. Ponsot, J.-J. Aucouturier, J.J. Burred
[Résumé]
Le sourire, effectué par la contraction bilatérale des muscles zygomatiques, est un des gestes faciaux les plus universels et important du répertoire expressif humain, utilisé pour exprimer la joie, l’affiliation sociale mais aussi l’ironie ou la gêne. Principalement étudié dans le domaine visuel, il a également des conséquences auditives (principalement timbrales) sur la parole prononcée. Si ses caractéristiques acoustiques ont déjà été bien étudiées sur des uttérances prononcées avec/sans sourire, très peu de choses sont connues sur les représentations mentales phonologiques permettant à des auditeurs de les décoder ou de les discriminer.
Dans cette étude, nous avons étudié le filtrage spectral déployé par notre système auditif pour discriminer la présence d’un sourire dans une voix à partir de son timbre. Nous avons tout d’abord généré un très grand nombre d’uttérances du phonème [a] présentant des caractéristiques spectrales aléatoires à l’aide de CLEESE, un outil spécialement conçu pour manipuler de façon paramétrique les dimensions prosodiques de n’importe quel enregistrement vocal sans en altérer sa naturalité. Ces stimuli ont ensuite été présentés par paires à des auditeurs dans une expérience d’écoute, leur tâche étant simplement d’indiquer quelle voix leur semblait la plus souriante. L’analyse de leurs réponses par la méthode de corrélation inverse nous a permis de mettre en évidence l’existence d’une représentation mentale très stable de ce qu’est une enveloppe spectrale d’un son souriant, avec des structures coïncidant de façon remarquable avec les positions des formants du son d’origine.
Cette étude ouvre de nombreuses perspectives, démontrant que l’association d’outils de traitement du signal évolués à des méthodes psychophysiques de corrélation inverse permet de sonder les bases acoustiques de nos représentations auditives cognitives haut-niveau (ex. émotionnelle, sociale ou paralinguistique).
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Psychophysical mechanisms underlying detection and discrimination of auditory spectrotemporal modulations
E. Ponsot, P. Neri
[Résumé]
Natural sounds such are speech contain lots of amplitude and frequency modulations. The auditory system is found to be remarkably sensitive to these modulations, and there is now physiological as well as psychophysical evidence for a dedicated machinery, composed of processing channels characterized as bandpass filters in the spectrotemporal modulation space.
However, the mechanisms underlying the detection and the discrimination of such modulations in noisy signals remain largely unknown, albeit fundamental to our understanding of how the auditory system make use of these channels to extract information from natural sounds (a lot of studies showing that such mechanisms do govern speech in noise intelligibility in both normal and hearing-impaired listeners).
Here, we used psychophysical reverse-correlation to probe these mechanisms over the two dimensions (i.e., scale, rate) of the spectrotemporal modulation space. In two experiments, we asked normal-hearing subjects (1) to detect a specific ripple target [1 cycl/oct , - 8 Hz] or (2) to discriminate between an upward ripple [1 cycl/oct , - 8 Hz] and its symmetric downward version [1 cycl/oct , + 8 Hz] over several days (∼ 10 one-hour sessions in each task). These target signals were embedded in ripple noise (i.e. noise made of the superposition of ripples of different scales and rates randomly changing in level trial-by-trial) and the overall level of this noise was adjusted to target appropriate performance levels (d’ ∼ 1). This methodology allowed us to obtain a fine characterization of the perceptual filters engaged in both tasks. We found evidence for highly tuned processing that were dynamically retuned across sessions, i.e. through practice, allowing the listeners to extract targeted spectrotemporal modulations with improved efficiency. We will discuss these results as well as the perspectives they offer.
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L’intérêt de la corrélation inverse pour la psychoacoustique et la cognition auditive
E. Ponsot
[Résumé]
La corrélation inverse est une méthode générale consistant à sonder un système en lui en soumettant à plusieurs reprises un stimulus présentant des perturbations aléatoires. A partir d’un ensemble d’outils d’analyse visant à établir une corrélation entre ces perturbations et les réponses associées, cette méthode permet d’évaluer les propriétés fonctionnelles du système, et donc inférer les mécanismes qui le composent.
Très répandue en neurophysiologie, notamment dans l’étude des systèmes sensoriels, cette méthode est également employée depuis longtemps en psychoacoustique, cf. l’étude séminale de Ahumada & Lovel portant sur l’analyse des mécanismes sous-jacents à la détection d’un ton pur dans du bruit [Ahumada Jr, A., & Lovell, J. (1971). Stimulus features in signal detection. The Journal of the Acoustical Society of America, 49(6B), 1751-1756.]. Bien qu’elle ait été réemployée pour explorer d’autres phénomènes auditifs depuis, elle occupe une place significativement moins importante que les méthodes psychophysiques classiques . Alors que ces dernières se concentrent sur l’étude du fonctionnement des systèmes perceptifs à travers un nombre fini de conditions, déterminées par la théorie, la corrélation inverse cherche à les analyser dans un cadre analytique et formel ne nécessitant pas d’hypothèse a priori.
Dans cette présentation, je montrerai à travers différentes considérations théoriques illustrées par des exemples issus de la littérature pourquoi la corrélation inverse permet de décoder des mécanismes d’analyse auditive que les méthodes classiques ne peuvent pas. Ces exemples couvrent une large gamme de phénomènes auditifs, s’étendant de la psychoacoustique (analyse des mécanismes impliqués dans le codage de la sonie des sons dynamiques - qui fût ma première expérience avec son utilisation) à, plus récemment, des aspects de cognition auditive (analyse des représentations haut-niveau (ex. émotionnelle, sociale) de sons naturels comme la voix).
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Chair(s) : |
E. Hendrickx, Lab-STICC, Université de Brest, 29200, Brest, France |
V. Koehl, Lab-STICC, Université de Brest, 29200, Brest, France |
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Perception en Radiodiffusion
E. Roncière
[Résumé]
Perception sonore en radiodiffusion En radiodiffusion, la perception sonore s’entend, au sens propre comme au sens figuré, comme la qualité d’expérience des auditeurs.
Cette qualité s’élabore tout au long des étapes de production, de distribution et de diffusion du son. Elle commence dans les sources captées au sein de leur environnement acoustique. Elle est ensuite relayée dans les chaînes électroacoustiques de transformation du son en signal audio. Ce signal est lui-même traité de façon à l’adapter aux multiples formes de transport et de diffusion.
En conséquence la matière acoustique est depuis longtemps considérée comme primordiale à Radio France.
Déjà en 1963, la macrostructure de l’architecture initiale de la Maison de la Radio reprend des principes favorables à l’acoustique de chacun des studios. Ainsi était renforcée leur isolation des bruits urbains extérieurs, en disposant ces studios dans les couronnes internes de la maison ronde, en arrière d’une couronne externe de bureaux. Le non parallélisme des murs est assuré par la forme en parts de camembert des locaux.
Au niveau du signal audio, toutes sortes d’éditions et de diffusions du son sont pratiquées : d’abord de la monophonie au multicanal, et maintenant le son binaural, orienté objet, interactif et associé à la réalité virtuelle.
L’activité d’éditeur de programmes vers le grand public, fait de Radio France un partenaire idéal des laboratoires R&D dans les domaines de l’acoustique et du traitement du signal. Les projets BILI (Binaural Listening) et EdiSon3D en sont une illustration concrète.
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Surveillance du niveau sonore pour l'écoute professionnelle au casque
J. Palacino, L. Feichter, P. Rueff
[Résumé]
Les ingénieurs du son et autres spécialistes de l’audiovisuel ont recours à
l’écoute au casque dans le cadre de leur activité professionnelle. Ces
utilisateurs sont souvent confrontés à une écoute prolongée et à des niveaux
sonores susceptibles de léser l’audition. En effet, les dispositifs
professionnels ne sont pas soumis aux limitations réglementaires françaises et
européennes qui n’encadrent que les dispositifs destinés au grand public. Les
professionnels sont néanmoins soumis à la directive européenne n∘2003/10/CE du 6
février 2003 fixant les limites réglementaires de l’exposition du bruit au
travail. Or la méthodologie fixée par cette directive n’est pas en accord avec
l’hétérogénéité des niveaux rencontrés en audiovisuel. Suite à l’analyse du
niveau sonore délivré par différents casques sur différents coupleurs, une
nouvelle méthodologie et un dispositif de surveillance pouvant équiper les
systèmes d’écoute destinés aux professionnels ont donc été proposés.
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Limitation des niveaux sonores pour les lieux diffusant de la musique amplifiée : données expérimentales sur le danger des niveaux élevés, réglementation et problèmes engendrés en sonorisation
M. Paquier, S. Meunier, O. Macherey, A. Norena, V. Koehl, E. Hendrickx
[Résumé]
Le décret du 7 août 2017 s’appliquant à tous les lieux diffusant des sons amplifiés a présenté un certain nombre de modifications concernant les conditions de diffusion. Le point principal est la limitation du niveau sur 15 minutes à 102 dBA et 118 dBC, en tout endroit accessible au public, que le lieu soit clos ou ouvert. Pour les niveaux moyens, le décret précédent indiquait seulement une limite à 105 dBA. L’apparition de la pondération C doit permettre la prise en compte des basses fréquences, de plus en plus présentes dans les nouveaux contenus musicaux, et dangereuses à fort niveau.
La nouvelle réglementation sera exposée (unité/pondérations, valeurs limite, temps d’exposition, cas des spectacles jeune public, protections...) ainsi que les études sur lesquelles elle se base. Par ailleurs l’application de cette règlementation va entrainer des changements techniques, technologiques et culturels pour les sonorisateurs, musiciens, responsables de salles etc. Les difficultés et solutions associées à ces changements seront présentées.
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Chair(s) : |
M. Lavandier, Univ Lyon, ENTPE, Laboratoire Génie Civil et Bâtiment, 69120, Vaulx-En-Velin, France |
E. Hendrickx, Lab-STICC, Université de Brest, 29200, Brest, France |
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Révision d’un modèle binaural prédisant l’intelligibilité de la parole en présence de sources de bruit non-stationnaire
T. Vicente, M. Lavandier
[Résumé]
Collin et Lavandier (2013) ont proposé un modèle binaural pour prédire l’intelligibilité de la parole dans les salles, en présence de sources de bruit modulé en amplitude, pour des auditeurs normo-entendant. Cette version préliminaire possède 4 paramètres dont l’influence n’a pas été testée. Le but de la présente étude est de réaliser une étude paramétrique du modèle, basée sur une analyse de sensibilité, afin d’optimiser les valeurs des paramètres en utilisant plusieurs expériences de la littérature aux conditions critiques pour tester le modèle.
Cinq expériences ont été utilisées pour l’étude, dont deux de Culling et Mansell (2013), deux de Collin et Lavandier (2013) et une qui a été réalisée spécifiquement pour l’étude. Culling et Mansell (2013) utilisent des bruits modulés artificiellement par un signal carré, avec différentes fréquences de modulations, tout en isolant les composantes du démasquage spatial, ainsi il est possible de tester la résolution temporelle de chacune d’elles. Les expériences de Collin et Lavandier (2013) utilisent des masqueurs modulés par des enveloppes de voix. La première est pertinente pour tester la prédiction du bouchage des creux de modulation par la réverbération, tandis que la deuxième permet d’étudier la prédiction du démasquage spatial à réverbération constante. L’expérience qui a été réalisée pendant ce travail a permis de tester simultanément l’influence de la réverbération sur l’écoute dans les creux de modulation, en isolant les deux composantes binaurales du modèle, avec des masqueurs présentant des modulations caractéristiques de signaux de parole.
Les critères pour évaluer les performances du modèle sont la corrélation et l’erreur absolue moyenne absolue entre mesures et prédictions. Une fois le modèle révisé, il est testé sur un nouveau jeu de données (Ewert et al., 2017) afin d’évaluer ses capacités prédictives.
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Qui écoute-t-elle? Vers une mesure dynamique de l’attention auditive à la parole
M.-P. Huet, C. Micheyl, E. Gaudrain, E. Parizet
[Résumé]
Au cours des vingt dernières années, un nombre croissant d’études psychoacoustiques ou d’imagerie cérébrale ont utilisé une tâche d’écoute de signaux de parole concurrents afin d’étudier différents phénomènes de masquage auditif ou encore les corrélats cérébraux de l’attention sélective auditive. En général, dans ces tâches de paroles concurrentes, on demande aux participants de diriger sélectivement leur attention sur l’une des voix. Ces tâches font la supposition que le participant maintient une attention constante sur la voix cible, tandis qu’en situation réelle, l’attention des participants peut rapidement varier d’une voix à l’autre. Pour s’approcher de situations plus réalistes, il est donc important d’avoir de nouvelles méthodes permettant de déduire rétrospectivement si l’attention du participant s’est détournée de la voix cible, et le cas échéant, à quel moment. Nous avons développé un paradigme et un jeu de matériel permettant de déduire la dynamique de l’attention auditive au fil du temps. Après avoir écouté deux histoires simultanées - une cible et un masque - les participants doivent trouver, parmi un ensemble de mots, ceux qui sont présents dans l’histoire cible. Les mots ont été sélectionnés en fonction de plusieurs critères tels que la répétition, leur fréquence dans la langue, l’effet de récence et l’effet de primauté. Dans la présente étude, les histoires masques ont été prononcées par le même locuteur que les histoires cibles, mais les paramètres vocaux (F0 et longueur du conduit vocal) ont été manipulés pour contrôler paramétriquement la similarité des deux voix, contrôlant ainsi la difficulté de la tâche. La difficulté de la tâche a également été manipulée en alternant les modes de présentation des stimuli, à savoir des présentations dichotiques et diotiques. Les résultats préliminaires indiquent que lorsque les deux voix sont semblables, les sujets choisissent davantage les mots appartenant à l’histoire masque, ce qui refléterait des changements d’attention.
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Vers une prise en compte des sources concurrentes de parole dans la prédiction de l’intelligibilité dans le bruit
L. Prud'Homme, M. Lavandier, V. Best
[Résumé]
Il n’existe pas de modèle prédisant l’intelligibilité de la parole en présence de sources concurrentes de parole. Le modèle utilisé dans cette étude est celui présenté dans Collin et Lavandier (2013). Il permet de prédire l’intelligibilité de la parole pour des sources masquantes de bruit non stationnaires. Ce modèle n’a pour l’instant pas été appliqué à d’autres types de sources concurrentes. Le but de cette étude est d’étendre ce modèle à des sources concurrentes de parole, en modélisant dans un premier temps la ségrégation de voix concurrentes par différences de F0, puis en quantifiant le masquage informationnel qui apparait en présence de voix concurrentes. Pour cela, le modèle a tout d’abord été appliqué à deux sets de données. Leclère et al (2017) ont mesuré des SRTs pour des masqueurs harmoniques, en variant leur fréquence fondamentale, leur enveloppe temporelle et leur localisation. Kidd et al (2016) ont mesuré des SRTs en présence de sources concurrentes de parole. Deux conditions ont été testées : l’une en conservant les stimuli originaux et l’autre pour laquelle les unités temps-fréquence pour lesquelles la quantité d’énergie du masqueur était supérieure à celle de la source cible ont été supprimées afin de s’affranchir du masquage énergétique et donner une estimation du masquage informationnel. Le modèle a donc été appliqué sur ces stimuli afin de comparer les prédictions de masquage énergétique aux résultats de l’expérience, pour établir dans quel mesure le modèle prédit l’influence d’une différence de F0 et permet de quantifier le masquage informationnel.
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Proposition d'un indicateur binaural d'acuité
L. Laroche, A. Minard
[Résumé]
Les travaux menés depuis de nombreuses années dans les domaines du timbre et
de la qualité sonore ont permis de mettre au point différents indicateurs
psychoacoustiques qui modélisent plusieurs percepts élémentaires. Pour la
majorité d’entre eux, les algorithmes sont définis pour des signaux
acoustiques constitués d’un seul canal (monophoniques). Une exception
notable est la sonie, pour laquelle il existe une large littérature sur la
prise en compte du caractère binaural des signaux dans les modèles de
calcul. Peu d’éléments existent en revanche en ce qui concerne l’acuité, la
rugosité, ou la tonalité.
L’étude présentée ici s’inscrit dans le projet de généraliser la prise en
compte de la nature binaurale de notre audition dans le calcul des
indicateurs psychoacoustiques. Cette étude se concentre sur le cas de
l’acuité. Ainsi, deux expériences ont été mises au point afin de mieux
comprendre la perception binaurale de l’acuité, et d’en obtenir un
indicateur représentatif. La première expérience tente de déterminer si,
pour des sons stationnaires, la cohérence de phase entre les 2 oreilles a un
impact sur l’acuité perçue. La seconde expérience a pour but de quantifier
les variations d’acuité produites par un signal binaural par rapport aux
deux signaux monophoniques correspondant aux 2 oreilles, pour différents
types de sources sonores.
Enfin, différentes approches de calcul de l’acuité binaurale sont proposées,
aboutissant à plusieurs indicateurs binauraux possibles pour ce percept. Les
résultats des expériences réalisées ont alors été confrontés aux indicateurs
introduits afin d’identifier la meilleure approche pour intégrer l’acuité
aux 2 oreilles.
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Méthodes pour l'Estimation de la Perception Sonore d’un Equipement de Tête Ostéophonique
J. Rosier, Y. Pène, J. Dury, V. Zimpfer, G. Blanck, P. Hamery
[Résumé]
La conduction du son jusqu’à l’oreille interne, par vibration des parties solidiennes du crâne (os et
cartilage), est un phénomène physique décrit dans de nombreux travaux de recherche liés à la
compréhension des mécanismes de l’Audition. A l’origine du développement d’aides auditives
capables de pallier certains troubles de l’audition et qui sont disponibles sur le marché depuis
plusieurs années, la conduction solidienne suscite un intérêt grandissant pour des applications bien
plus larges que celles rencontrées dans le médical. Ainsi, il existe aujourd’hui, des équipements de
tête dans le domaine militaire comme civil qui intègrent des technologies basées sur ce phénomène,
et qui permettent de communiquer tout en gardant les oreilles libres ou équipés de bouchon anti-
bruit.
Plusieurs travaux réalisés en Audiologie, ont étudié et comparé la transmission des sons par voies
solidienne et aérienne, en évaluant notamment les seuils d’audition des chemins osseux,
cartilagineux et aérien. Ces études proposent différentes méthodes (évaluation par comparaison ou
bien par annulation), mais l’excitation est réalisée par des transducteurs positionnés à des endroits
spécifiques, pour une force d’application constante [1] [2].
L’objectif de ce travail est de réaliser un bilan bibliographique des différentes techniques permettant
de mesurer, objectivement et perceptivement, les niveaux sonores transmis à l’oreille humaine par
des transducteurs solidiens. Les techniques les plus pertinentes sont en ensuite mise en œuvre
pour évaluer les performances d’un équipement de tête ostéophonique, et plus particulièrement
mesurer l’impact de son positionnement sur le son perçu.
[1] Cartilage Conduction Is Characterized by Vibrations of Cartilaginous Portion of the ear canal,
PLoS One. 2015, T. Nishi-mura, H. Hosoi, R. Miyamae, R. Shimokura, T. Yamanaka, T. Kitahara, H.
Levitt
[2] ”Air versus bone conduction: an equal loudness investigation”, Hear Res, 167 (2002), pp. 1-12, S.
Stenfelt, B. Håkansson
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Gêne et fatigue ressenties en présence du bruit en open- space : expérience en laboratoire
K. Kostallari, E. Parizet, P. Chevret, E. Galy, J.-N. Amato
[Résumé]
Il est aujourd’hui accepté que le bruit de parole soit la principale source
de gêne pour les employés des bureaux ouverts. Ceci a été vérifié au moyen
d’enquêtes de terrain ou en laboratoire en mesurant les performances lors de
tâche de sériation faisant appel à la mémoire à court-terme. Cependant, ces
expériences ont une validité écologique réduite puisqu’elles sont de courte
durée et qu’elles sont limitées à des tâches très particulières. La présente
étude a pour but d’améliorer la représentativité des expériences en
augmentant la durée d’exposition au bruit et en appliquant une tâche plus
représentative de la réalité. Trente-neuf sujets entre 28 et 62 ans ont
participé à l’expérience. Ils ont été exposés à trois conditions de bruit
contrôlées (un bruit stationnaire, une voix intelligible et un bruit blanc
modulé comme une voix), chacune pendant une durée représentative d’une
journée entière de travail (six heures et quarante-cinq minutes). La tâche
assignée aux participants était une revue de presse à partir de quatre
quotidiens nationaux ou régionaux. Tout au long de chaque journée, plusieurs
paramètres psychologiques liés à leur état, leur perception de
l’environnement sonore et leur charge de travail ressentie ont été observés.
Enfin, une tâche classique de sériation a été faite en début et en fin
journée.
L’analyse des résultats, faite en fonction des conditions sonores et du
moment de la journée, montre que la majorité des indicateurs ressentis est
impactée par les conditions sonores. C’est le cas en particulier pour la
gêne sonore, gêne qui reste cependant constante tout au long de la journée.
A l’opposé, la fatigue générale augmente significativement au cours de la
journée. L’effet du moment de la journée est également notable sur l’état du
participant et sur la charge de travail ressentie.
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Évaluation de l’influence du contenu spectral sur la gêne due aux vibrations
P. Maigrot, E. Parizet, C. Marquis-Favre
[Résumé]
La plupart des études portant sur la gêne due aux vibrations utilisent des
indices purement énergétiques pour décrire l’exposition aux vibrations. Les
niveaux vibratoires peuvent parfois être pondérés de sorte à tenir compte de
l’influence du contenu spectral sur l’intensité réellement perçue. Dans la
littérature, plusieurs pondérations sont utilisées pour rendre compte de la
perception des vibrations verticales dans le corps. Une expérience a été réalisée en laboratoire afin de répondre aux questions
suivantes : 1) Le contenu spectral possède-t-il une influence sur la gêne due
aux vibrations ? 2) Quel pourrait être le descripteur le plus pertinent pour
prédire la gêne vibratoire ? Vingt participants ont réalisé une tâche de comparaison par paires sur des
stimuli vibratoires artificiels en laboratoire. Les stimuli étaient créés à
partir de l’enregistrement de plusieurs passages de trains, réalisé au
domicile d’un riverain d’une voie ferrée. Pour chaque train enregistré, quatre
stimuli étaient générés : Un stimulus enrichi en basses fréquences (BF), un
stimulus enrichi en moyennes fréquences (MF), un stimulus enrichi en hautes
fréquences (HF) et un stimulus possédant le spectre du signal original (O).
Après avoir été égalisés en niveau vibratoire moyen, ces quatre stimuli
étaient comparés entre eux en terme de gêne ressentie. Les résultats indiquent que le contenu spectral possède une influence
significative sur la gêne due aux vibrations. De plus, il semble que les
pondérations classiquement utilisées dans la littérature ne soient pas
adaptées pour prédire la gêne vibratoire dans le cadre de cette étude. En
revanche, un descripteur pertinent pourrait être l’énergie présente dans les
bandes de tiers d’octave basses fréquences (< 25 Hz) et hautes fréquences (>60
Hz).
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Perception de l'inconfort induit par des vibrations verticales pour un sujet assis à des fréquences typiques d'un hélicoptère
L. Delcor, E. Parizet, J. Caillet, J. Ganivet-Ouzeneau
[Résumé]
Le bruit et les vibrations sont des composantes importantes du confort en
cabines d’hélicoptères. Cette étude avait pour objectif de caractériser
l’inconfort vibratoire en fonction de la fréquence et de l’amplitude de
vibrations verticales. Une cinquantaine de sujets ont évalué, sur un banc
d’essai, l’inconfort vibratoire de signaux mono-fréquentiels (15 à 30 Hz)
pour des amplitudes variant de 0.03 à 0.32 g. Une procédure d’estimation de
grandeur sans référence a été mise en œuvre. Les résultats montrent un bon
consensus entre participants. Les évaluations moyennes peuvent être reliées à
l’amplitude des vibrations par la loi de Stevens avec un exposant proche de 1,
ce qui est conforme aux résultats de la littérature. Cependant, un examen plus
attentif révèle que l’exposant varie selon la plage d’amplitude, nettement
supérieur à 1 aux faibles amplitudes, et nettement inférieur à 1 aux fortes
amplitudes. Enfin, pour comparer l’inconfort de stimuli de fréquences
différentes, la vitesse vibratoire semble être un meilleur indicateur que
l’accélération.
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Chair(s) : |
S. Dos Santos, INSA Centre Val de Loire, Unité Inserm U1253 Imagerie et cerveau, F-41034, Blois, France |
A. Le Duff |
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Caractérisation et amélioration du taux de distorsion harmonique et d’intermodulation d’une enceinte directionnelle basée sur le principe de l’antenne paramétrique
T. Nowakowski
[Résumé]
Le principe de l’antenne paramétrique proposé par Westervelt en 1964 a été dans un premier temps appliqué au domaine de l’acoustique sous-marine. Ces dernières années, les avancées technologiques effectuées dans le domaine de l’électronique embarquée ont permis l’émergence de plusieurs enceintes directionnelles aériennes. Ces enceintes permettent, à partir de l’émission d’un faisceau ultrasonore, de récréer un faisceau audible très directionnel grâce aux propriétés non-linéaires du milieu entraînant une déformation des ondes acoustiques s’y propageant. L’une des problématiques majeures liées à cette technologie est la réduction des nombreuses distorsions audio générées lors de la re-création du signal audio. Celles-ci sont quantifiées par la THD (Total Harmonic Distorsion) et l’IMD (Inter-Modulation Distortions). Afin de réduire ces distorsions, de nombreuses méthodes de modulation en amplitude ont été proposées. Cependant, les études se cantonnent très souvent à une analyse théorique des distorsions générées, et l’application expérimentale permet de montrer que la THD et l’IMD sont généralement beaucoup plus élevées qu’attendu. En effet, les modèles acoustiques permettant d’évaluer théoriquement ces méthodes sont basés sur des approximations sous-évaluant les distorsions générées. Nous étudions ici théoriquement et expérimentalement la THD et l’IMD générées par notre propre enceinte directionnelle, pour plusieurs types de modulations, dont une nouvelle méthode que nous avons développée, et montrons que cette dernière permet de réduire fortement les distorsions audio.
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Analyse acoustique et localisation de tirs d’artillerie
A. Dagallier, S. Cheinet, L. Ehrhardt, M. Cosnefroy, D. Juvé
[Résumé]
Des systèmes de capteurs acoustiques synchrones et distribués sont utilisés pour localiser le point
d’impact d’un tir d’artillerie ou la source du tir, par exemple sur les terrains d’essais militaires. Les
distances de propagation, de l’ordre de la dizaine de kilomètres, complexifient la tâche en
superposant les ondes émises par le tir, par l’onde associée au projectile (onde de Mach en régime
supersonique ou transsonique) et par l’impact, et en induisant des effets de propagation majeurs
pour chacune d’entre elles. Dans l’étude présentée, une identification automatique des différentes ondes est proposée. Cette
identification permet de déterminer les temps d’arrivée respectifs. La technique de time-matching,
récemment proposée par l’ISL, peut être utilisée pour remonter à la position de l’impact, y compris
dans des conditions de propagation complexes (météorologie, sol, obstacles). Du fait de la distance
entre la source et les capteurs, la position de la source est plus délicate à estimer de manière fiable.
La possibilité d’améliorer la localisation de la source et/ou du point d’impact par l’étude de l’onde
associée au projectile est discutée.
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Instrumentation acousto-mécanique pour l’évaluation non linéaire non destructive des matériaux complexes et des tissus biologiques
M. Lints, S. Dos Santos, A. Masood, H. Ghorbel, M. Gratton, M. Caliez, C. Kozena, V. Kus
[Résumé]
Nous proposons l’innovation TR-NEWS retardée comme une extension des
méthodes TR-NEWS, issues de la symbiose du retournement temporel (RT) et des
méthodes de spectroscopie d’ondes élastiques non linéaires (NEWS), avec
principales applications : le contrôle non destructif (CND) et l’imagerie
ultrasonore médicale[1]. Nous confirmons expérimentalement les bonnes
performances des méthodes TR-NEWS pour : (i) des échantillons de composite CFRP
aux propriétés dispersives ultrasonores autour de 10 MHz, favorisant ainsi la
réverbérabilité de la propagation acoustique ; (ii) des mesures de propriétés
non classiques de la peau porcine par une instrumentation multi-échelles
acousto-mécanique élaborée dans le cadre du projet PLET (Propriétés Locales
Visco-Elastiques de la peau par TR-NEWS) financé par la Région Centre Val de
Loire. Le système d’instrumentation acousto-mécanique envisage la mesure de
paramètres multi-échelles de nonlinéarité des tissus biologiques via les
paramètres de Preisach-Mayergoyz (espaces PM) permettant de décrire leur
vieillissement. Le chargement basse fréquence uniaxial (0.1-10Hz) synchronisé
aux caractérisations ultrasonores haute fréquence (40 MHz) via TR-NEWS retardé
suggère une nouvelle classe de dispositifs dotée d’une perspective de
multimodalité dédiée à l’imagerie ultrasonore non invasive des propriétés
biomécaniques des organismes vivants. [1] Lints, M.; Dos Santos, S. & Salupere, A. Simulation of detecting contact
nonlinearity in carbon fibre polymer using ultrasonic nonlinear delayed time
reversal, Acta Acustica united with Acustica, Vol. 103, pp. 978-986 (2017), ISSN
1610-1928, Open Access Paper, https://doi.org/10.3813/AAA.919127
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Acoustic characterization of a viscoelastic medium
G. Lefebvre, R. Wunenburger, T. Valier-Brasier
[Résumé]
Although widely used for example in medical imaging, there are only few
quantitative measurement methods exist for shear waves. The necessary addi-
tion of a highly viscous fluid coupling material to transmit shear waves from
a source in a solid medium makes difficult to perform absolute measurements.
This requires on one hand to perform a coupling in a reproducible manner,
and on the other hand to characterize the rheological properties of the coupling
material.
For this purpose, we set up an experiment to measure reflection and trans-
mission coefficients of a coupling material layer. Reversible transducer devices
associated with two delay lines enables the echoes of an incident pulse to be
separated and analyzed in order to measure these coefficients. The thickness of
the layer is controlled by multiple slip gauges in a reproducible manner.
The analysis of the signals and the reflection coefficient as a function of
the frequency provides a very sensitive characterization of the properties of the
medium. In particular, a large thickness gives rise to interference phenomena
whose frequency signature reveals the attenuation of the medium. The com-
mercial shear wave couplant (SWC-2) by Olympus has been characterized using
this method. Zener’s viscoelastic model allows to fit the experimental data and
provides a measure of relaxation time for this fluid. We performed measure-
ments with shear waves as well as longitudinal waves for a full characterization
of the viscoelastic properties of the couplant.
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Mesure de la vitesse d’une cible sonar en utilisant des signaux émis tolérants au Doppler
M. Zakharia
[Résumé]
Dans une approche sonar conventionnelle, l’effet Doppler de la cible (ou du
mobile dans le cas de trajectographie) est perçu soit comme un effet
perturbateur réduisant les performances, soit comme paramètre essentiel à
extraire des échos. Suivant le cas, on utilisera des signaux émis tolérant (ou
insensibles) au Doppler (modulation hyperbolique de fréquence, par exemple)
soit des signaux sensibles au Doppler (ou Doppler résolvant (comme des trains
d’onde à fréquence fixée ou des codes plus complexes comme les codes de
Costas. Lorsque l’on utilise la compression d’impulsion, le mismatch
induit par l’effet Doppler se manifeste sous deux formes : biais d’estimation
et perte de contraste (rapport signal sur bruit). Pour une architecture de
traitement optimisée, le biais peut être très simplement compensé par une
définition appropriée de la date d’émission. On sait que la perte de contraste
est minimale pour une modulation hyperbolique de fréquence ou encore mieux,
pour une modulation hyperbolique de retard de groupe. Les approches
précédentes se basent sur des considérations énergétiques. L’étude fine de la
fonction d’ambiguïté montre que pour une famille de signaux, sa structure peut
être décrite par une fonction d’autocorrélation (biais nul sur la date
d’arrivée) associée à un déphasage dépendant du Doppler. Dans cet article,
nous verrons comment ce déphasage peut être utilisé pour une estimation de la
vitesse. Cette méthode sera comparée à l’utilisation de deux signaux émis
quasi-orthogonaux occupant la même bande : l’un à biais nul et l’autre à
biais pré-calculé. Les deux méthodes permettent, à la fois, une estimation non
biaisée de la date d’arrivée d’un signal et de la vitesse de la cible (ou du
mobile.
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Chair(s) : |
J. Jagla, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
M. Asselineau, PEUTZ, 75010, Paris, France |
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Quelques aspects des salles multi-usage
M. Asselineau, A. Gaulupeau
[Résumé]
Salle de concert, salle de théâtre, ou salle polyvalente bonne à tout et propre à rien ? Le choix est complexe pour un maître d’ouvrage car il nécessite de prendre en compte plusieurs configurations de salle avec, par exemple, une intelligibilité et un enveloppement plus ou moins important selon le type d’usage visé. Pendant longtemps, ce multi-usage a nécessité des dispositifs d’acoustique variable permettant de jouer sur la géométrie interne de la salle en vue de lui conférer des propriétés d’acoustique interne adaptées à l’usage visé. Un des plus beaux exemples de cette approche est L’Espace de Projection de l’IRCAM.
Aujourd’hui, les progrès réalisés en électro-acoustique et en traitement du signal ont graduellement permis de s’affranchir des dispositifs mécaniques. Encore faut-il que le ressenti visuel soit en adéquation avec le ressenti acoustique !
Parallèlement, les possibilités offertes par les salles multi-usage ont souvent conduit à une hausse des niveaux sonores en salle. Jusqu’en 1998 il n’existait pas de réglementation spécifique sur les lieux diffusant de la musique amplifiée. L’expérience acquise avec le décret de 1998 a aujourd’hui permis de publier un nouveau texte réglementaire sur le sujet.
Quelles sont les implications de ces changements ? Le présent article se propose d’en expliciter les principales conséquences.
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Archéoacoustique expérimentale : le choix empirique des pots acoustiques par leur géométrie et leur fréquence de résonance
J.-C. Valière, B. Palazzo-Bertholon, D. Fiala, V. Zara, P. Brioist
[Résumé]
Les études d’archéoacoustiques relatives aux pots acoustiques dans les églises anciennes posent comme hypothèse que les pots ont été choisis, condition sine qua none à partir de laquelle il est possible de commencer une étude d’histoire des techniques acoustiques.
La formule qui donne la fréquence des pots, dite de Helmholtz, n’était pas connue mais nos études archéoacoustiques montrent que lorsqu’il existe deux groupes de pots à deux fréquences différentes dans une même église, les pots sont souvent choisis par le volume. La question du choix de la fréquence par l’élargissement du col est plus difficile à admettre. Toutefois, au début du 16e siècle, Léonard de Vinci cherche à comprendre pourquoi lorsque le col est étroit la fréquence diminue, ce qui lui parait contre-intuitif.
La question de la précision de ces choix a aussi suscité notre attention. Dans nos études antérieures, nous avions fixé des critères statistiques à partir desquels nous considérions que les pots avaient été conçus pour avoir la même fréquence de résonance. Au regard des difficultés liées à leur fabrication artisanale, ces valeurs nous semblaient intuitivement correctes.
L’occasion nous a été donnée de vérifier ces critères dans le cadre de la restauration des pots acoustiques de l’Abbaye des Anges (29). Le cahier des charges fourni au potier par nos soins a été élaboré à partir de l’analyse des quelques pots encore opérationnels (24/110) et des tessons restants.
Une fois les pots fabriqués, nous les avons classés par fréquence de résonance à l’oreille, en tapotant le col, comme cela devait être effectué autrefois. Nous les avons ensuite classés et nous avons écarté ceux qui nous semblaient trop éloignés de la fréquence cible. Ensuite, nous les avons mesurés et avons pu estimer les incertitudes de fabrication et la précision perceptible à l’oreille de la méthode de sélection.
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Etude de terrain pour l’évaluation du masquage sonore en open-space
P. Chevret, L. Lenne
[Résumé]
Les systèmes de masquage sonores sont présentés aujourd’hui comme des outils permettant de réduire la gêne acoustique dans les bureaux ouverts. Ils sont constitués de haut-parleurs qui augmentent artificiellement le niveau du bruit de fond, entraînant une diminution de l’intelligibilité de la parole et donc, affirment les fabricants de ces systèmes, une réduction de la gêne et de la fatigue cognitive. Ces arguments reposent sur des études dont la représentativité est encore limitée puisque basée sur des expériences en laboratoire sur de courtes durées d’exposition. C’est ce manque de données représentatives qui justifie la présente l’étude qui a pour objectif d’évaluer in situ les effets d’un système de masquage sonore sur différents états psychologiques (fatigue, stress, charge mentale de travail), ainsi que sur la gêne acoustique. Pour ce faire, un système de masquage sonore du commerce a été sélectionné sur des critères techniques, tel que la possibilité de réaliser un champ acoustique homogène dans le local ou la possibilité d’adapter automatiquement le niveau émis à celui du bruit ambiant. Ce système a été installé pour plusieurs semaines dans un bureau ouvert d’une grande entreprise bancaire française. Deux types de mesures ont été réalisés tout au long de la période d’utilisation du système. (1) Des mesures objectives : les performances acoustiques du local ont été mesurées (décroissances spatiales du niveau sonore - D_(2,S) et DL_2 - et temps de réverbération), ainsi que le bruit ambiant à différents moments de fonctionnement du système. (2) Des mesures subjectives réalisées à l’aide de questionnaires. Ces mesures permettent d’évaluer les effets du masquage sonore sur les différents états psychologiques évoqués précédemment. Ces effets, mis en évidence par l’analyse des réponses aux questionnaires, seront présentés durant la conférence.
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La méthode des nappes de sources : une résolution simplifiée de l’équation d’Helmholtz en acoustique architecturale
B. Goujard, A. El Hamidi, A. Sakout
[Résumé]
La mise en évidence de la réversibilité de l’équation d’Helmholtz permet de suggérer le principe d’une méthode de résolution alternative aux précédentes, intitulée ici Méthode des nappes de sources .
La démarche suivie consiste à satisfaire directement les conditions aux limites en remplaçant les frontières du domaine par une répartition spatiale de sources identifiée à travers sa représentation de Fourier. La mise en œuvre de cette méthode avec ses principaux paramètres est ensuite explicitée.
Pour trois configurations bidimensionnelles typiques (la diffraction par un écran, les modes propres d’une salle rectangulaire, le tube de Kundt), les champs acoustiques obtenus par des simulations réalisées selon le procédé décrit se révèlent en très bonne adéquation avec les solutions théoriques : une large application de cette méthode semble ainsi possible. Certains aspects à préciser par des travaux ultérieurs sont aussi mis en évidence.
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Energetic Wave Equation for Diffuse Sound Fields
J.-D. Polack, H. Dujourdy, B. Pialot, T. Toulemonde
[Résumé]
The diffusion equation for modeling diffuse sound fields was proposed some fifty years ago on heuristic
principles as an extension to Sabine’s diffuse field model, and still receives much attention. In a recent
publication (Acta Acustica, Vol. 103 (2017) 480 - 491), the authors developed the model one step further,
using the full stress-energy tensor to provide the missing relations between sound intensity and sound
energy. This introduces some extra terms that, in case of non-Sabine spaces (narrow or flat rooms), can be
defined with the help of the boundary conditions in terms of absorption and scattering coefficients on the
walls. Integrating the divergence of the stress-energy tensor across the shortest dimensions of the space
leads to a propagation equation of the telegrapher type, which can be solved using finite difference time
domain simulation. We shall present the two-dimensional case (open-spaces), and compare numerical results
to analytical approximations, clarifying under which assumptions the diffusion equation is recovered. and ro
measurements in real spaces. The comparison makes it possible to evaluate the absorption and scattering
coefficients by an adjustment procedure. The paper discusses the range of values taken by these coefficients
and compares them to more traditional building-acoustical coefficients.
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Chair(s) : |
M. Asselineau, PEUTZ, 75010, Paris, France |
J. Jagla, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
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Application d’un modèle numérique de propagation sonore en milieu confiné délimité par des parois à relief géométrique
K. Rabisse, J. Ducourneau, A. Faiz, N. Trompette
[Résumé]
Les modèles de propagation acoustique utilisés pour caractériser les locaux doivent, encore aujourd’hui, effectuer des compromis en termes de précision des résultats, de volume de domaine simulable ou de fréquence maximale d’étude quand une cartographie du champ de pression doit être tracée par exemple. Pour répondre à ces limitations, nous avons développé un modèle numérique permettant de simuler la propagation en milieu confiné tout en prenant en compte le relief géométrique ainsi que l’impédance acoustique variable en fréquence pouvant caractériser les parois du local. Pour ce faire, nous avons combiné la méthode de décomposition rectangulaire adaptative (ARD) pour la partie propagation et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la partie caractérisation acoustique des parois. Le modèle théorique développé a permis de tracer des réponses impulsionnelles en différents points de réception dans un local expérimental dont les parois modulables présentaient différentes caractéristiques acoustiques. Les réponses impulsionnelles expérimentales et théoriques obtenues ont permis d’estimer un coefficient d’absorption acoustique apparent αapp de différentes surfaces à relief étudiées et placées sur certaines de ces parois. Le but de cette estimation est d’observer s’il est possible de remplacer une paroi à relief géométrique par une paroi plane équivalente caractérisée par un coefficient αapp afin d’obtenir des résultats similaires en termes de temps de réverbération, par exemple.
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GypsiLab, un nouvel outil d'auralisation par lancer de rayon
M. Aussal, R. Gueguen
[Résumé]
Gypsilab est un nouvel environnement de prototypage rapide pour la simulation numérique, incluant notamment du lancer de rayon pour le calcul en acoustique des salles. Entièrement codé en langage Matlab, et disponible en open-source sous licence GPL 3.0, il affiche des performances suffisantes pour résoudre des problèmes numériques de taille raisonnable (< 10^5 éléments surfaciques pour 10^6 rayons). Pour ce faire, l’ensemble des calculs à été vectorisé, et une structure d’octree récursive a été implémentée pour réduire la complexité quadratique des interactions rayon/éléments à quasi linéaire. Ainsi, les temps d’exécutions sont moins sensibles à la densité du maillage, ce qui permet de faire des simulations de géométries complexes. Des réponses impulsionnelles sont construites en utilisant les hypothèses statistiques de Sabine, et les filtres sont proposées nativement sur 8 bandes octaves, tenant compte des propriétés d’absorption des matériaux et du milieu de propagation. Pour finir, le lanceur de rayon propose un format source-image, qui tient compte de la position dans l’espace des réflexions précoces. Ce format peut ensuite être écouté sous gypsilab, avec un rendu audio 3D binaural, qui spatialise avec head-tracking chacune de ces sources images en temps réel. En guise d’application, des calculs sur des géométries cubiques seront détaillés et comparés aux solutions analytiques, et un calcul complet dans une maquette du théâtre antique d’Orange sera présenté. Gypsilab est disponible en téléchargement libre à l’adresse suivante : http://www.cmap.polytechnique.fr/∼aussal/gypsilab/
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Calculs d'acoustique de salle sous Blender
R. Gueguen, M. Aussal
[Résumé]
Dans le cadre d’un projet doctoral autour de la virtualisation de monuments antiques, un outil de calcul pour l’acoustique des salles a été développé. Il s’interface sous forme d’un plug-in open source pour le logiciel de CAO Blender. Des sources omnidirectionnelles et des récepteurs ponctuels sont positionnés directement dans le modèle 3D. L’absorption des matériaux est configurée sur huit bandes d’octave et les propriétés atmosphériques sont paramètrables. L’algorithme calcule les intensités acoustiques par méthode de ray-tracing statistique et génère des sources-images permettant la création de réponses impulsionnelles spatialisées.
L’utilisateur peut ainsi étudier les informations d’énergie et d’espace ou bien écouter les signaux de sortie en monophonie ou binaural. Le code présente une complexité de nLog(n) qui est atteinte par divide and conquer sur des octree. Cette complexité quasi linéaire permet d’être peu sensible au nombre d’éléments du maillage. L’algorithme reste donc efficace pour des maillages complexes avec ou sans raffinements locaux. Celui-ci a été validé par des cas tests analytiques. Le principal cas d’application à l’étude est le théâtre antique d’Orange dont la maquette numérique comporte environ 50000 éléments. La réponse impulsionnelle à RT60 pour un million de rayons émis depuis une source jusqu’à un récepteur est calculée en 138 secondes. Les perspectives d’évolution de cet outil sont nombreuses notamment sur les notions de visualisation de résultats acoustiques.
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Le rôle de la paille dans la correction acoustique
D. Farid Ép. Ibrir, S. Debache-Benzagouta, H. Ibrir
[Résumé]
La présente recherche s’articule autour d’une étude critique sur la caractérisation
acoustique de la salle de conférence du centre culturel Malek Haddad. La
modélisation et la simulation acoustique sur le logiciel Olive Tree Lab SUITE a
permis de définir les performances des matériaux utilisés dans la réhabilitation
acoustique. Les réponses impulsionnelles intégrées ont été mesurées pour déterminer
les paramètres objectifs acoustiques: le temps de réverbération (TR), la clarté
(C80), la force sonore (G) , l’indice (D50) et l’intelligibilité de la parole (STI)
selon les normes internationales ISO/DIS 3382-1 [ ].Suite à ces résultats, une
recherche approfondie sur les matériaux écologiques disponibles a été entamée dans
le but d’apporter des améliorations au cas étudié et la possibilité de généraliser
les résultats. Notre choix a été fait sur les panneaux de paille épais 0,10 m
recouvert par des panneaux MDF (Medium Density Fiber board ; qui sont des panneaux
composites de fibres de bois à densité moyenne) perforés, et qui présentent deux
objectifs; protéger les matériaux absorbants contre les dommages et améliorer dans
une large mesure leur apparence. Le rôle de la paille en tant que matériau
absorbant s’est avéré capital dans l’optimisation du temps de réverbération et les
autres indices de la qualité acoustique de la salle.
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CarmenCita : la petite sœur de Carmen
J. Jagla, P. Chervin, J. Martin
[Résumé]
L’objectif d’un système électroacoustique d’assistance à la réverbération est de transformer l’acoustique d’une salle de spectacle adaptée au spectacle parlé en un lieu polyvalent pouvant accueillir tout type de représentation dans des conditions acoustiques optimales. Il y a près de 20 ans le CSTB a développé le système Carmen. Carmen est basé sur le principe de murs virtuels : les cellules Carmen placées dans les murs et les plafonds de la salle permettent de modifier l’absorption et le volume subjectif de la salle. En raison du grand nombre de cellules Carmen (généralement plus de 30) nécessaires pour augmenter de manière homogène la durée de réverbération d’une salle, Carmen n’est pas adapté aux petites et moyennes salles de spectacle. Cette limitation a motivé le développement d’un nouveau système appelé CarmenCita. CarmenCita utilise moins de cellules (8 à 16) mais intègre une matrice de réverbération spécifiquement développée pour cette application permettant d’obtenir une large gamme de configurations acoustiques. Par ailleurs, pour accompagner l’essor des expériences immersives proposées par les spectacles contemporains, CarmenCita dispose également de fonctionnalités de diffusion spatialisée.
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Chair(s) : |
V. Meyer, Naval Group Research, 83190, Ollioules, France |
F. Leon, Université du Havre, LOMC UMR CNRS 6292, 76058, Le Havre, France |
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Développement de l’acoustique sous-marine en France avant et après Paul Langevin
M. Zakharia
[Résumé]
Il y a soixante-quinze ans, Paul Langevin déposa un brevet, fondement des
transducteurs piézoélectriques, qui le rendit célèbre et permit de lancer, de
façon irréversible, le développement de la discipline acoustique sous-marine.
À cette occasion, cet article se propose de relater l’histoire des
développements en ASM avant et après ce dépôt de brevet. Il décrira comment un
tel développement qui a permis de lever un important verrou technologique a
permis l’émergence de la discipline ASM.
Nous décrirons le développement de l’ASM en France depuis le début du siècle
jusqu’à la fin des années soixante. On verra les mouvements des activités ASM
pendant la deuxième guerre mondiale, la participation du Centre de Recherche
Physiques (devenu LMA), le développement du CTSN au Brusc, la fondation du
colloque GRETSI et le rayonnement international de la France dans le domaine.
Le service militaire a permis l’émergence, grâce au centre du Brusc, d’un
grand nombre de spécialistes de l’ASM qui ont, dans divers laboratoires et
entreprises, développé et renforcé cette discipline et nous permettent
aujourd’hui de profiter de la réputation internationale solide de dans le
domaine.
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Dispositifs acoustiques pour la furtivité et la discrétion
A.-C. Hladky-Hennion, M. Tran Van Nhieu, M. Pham Thi, L. Divay, B. Dubus, C. Croënne, J. Roland, R. Lardat, G. Maze, F. Leon, F. Chati
[Résumé]
Disposer de revêtements acoustiques performants pour des applications sous-marines est d’un intérêt majeur, en particulier pour réduire le bruit rayonné dans l’eau. Cet exposé se concentre sur la problématique de la furtivité et de la discrétion passive en acoustique aux très basses fréquences, en vue de réduire l’index et les échos temporels d’une cible par un dispositif spécifique appliqué sur sa surface. Les résultats présentés sont issus des projets FARAON (Furtivité Acoustique par des RAidisseurs résONnants) puis RAMSES (Rayonnement Acoustique Maitrisé par des SystèmES résonants) projets financés par la DGA via l’ANR/Astrid.
Classiquement, pour tenir la pression hydrostatique, les coques des véhicules sous-marins sont équipées de raidisseurs périodiquement répartis, qui peuvent donner naissance à des phénomènes caractéristiques de diffusion acoustique aux basses fréquences et permettre ainsi la détection et l’identification de ces véhicules (ondes de Bloch-Floquet et les diffractions de Bragg). Pour s’affranchir de ces problèmes, nous proposons d’étudier et de valider un dispositif qui consiste à attacher à une partie des raidisseurs d’une structure métallique, des systèmes résonnants dont les caractéristiques varient de façon aléatoire d’un système à l’autre. La signature fréquentielle créée par le réseau des raidisseurs équipés de résonateurs est ainsi brouillée et atténuée rendant la structure furtive aux basses et très basses fréquences.
Cet exposé présente tout d’abord les résultats obtenus sur une plaque équipée de raidisseurs, associés ou pas à des résonateurs : résultats analytiques, résultats numériques basés sur la méthode des éléments finis, et résultats expérimentaux. Les diagrammes obtenus en furtivité mettent en évidence l’efficacité du système à brouiller la signature des véhicules. Ensuite, des algorithmes d’optimisation sont utilisés afin de proposer un choix des paramètres des résonateurs et de leur répartition sur les raidisseurs qui répondrait à une fonction objectif donnée. L’extension de ce concept à la discrétion des véhicules sera également discutée.
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Concept of an active anechoïc multicellular layer: a dynamic approach for the detection of incidental plane waves
T. Nicolas
[Résumé]
In previous paper we propose the concept of an active anechoïc multicellular
layer. The layer wraps the body of a submarine and the animation of this layer
with an adequate algorithm makes the submarine anechoïc to incidental sonar
plane waves. The electronic architecture of this multicellular layer is based
on a systolic model, more precisely on the architecture of a SIMD parallel
computer (Single Instruction Multiple Data). Each cell of the layer acts
independently and communicates by direct electronic links with its neighbors.
All the cells do the same control algorithm on local data. The key of the
anechoïcity of the layer is based on a parallel linear real time algorithm for
the detection of the incident plane waves. In this article, we propose a new
approach for detection of incident plane waves, this approach is based on a
parallel dynamic estimation of the directions of the incidental waves. We also
present a set of results that illustrate the improvement of the anechoïcity of
the layer.
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Prédiction de la réponse vibro-acoustique de coques cylindriques revêtues immergées
M. Dana, L. Maxit, J. Bernard
[Résumé]
Modéliser la réponse vibro-acoustique de structures cylindriques multicouches et excitées par une onde incidente présente un intérêt pour de nombreuses applications, en particulier dans le domaine de l’acoustique sous-marine. Différentes approches pour résoudre ce problème sont présentées. Elles sont classées d’une part selon la méthode de résolution du problème élémentaire (résolution des équations de l’acoustique ou de l’élasticité de chaque couche par décomposition en fonctions de Bessel/Hankel, intégration numérique), d’autre part selon la méthode de résolution du problème global (assemblage des différentes couches par matrice de transfert/TMM, matrice de raideur dynamique, matrice globale etc...). La méthode d’assemblage pouvant être choisie indépendamment de la méthode de résolution employée dans les couches élémentaires, il existe plusieurs combinaisons possibles entre ces différentes méthodes. Pour le choix de la méthode de résolution, un compromis est toujours à trouver entre généralité (capacité à modéliser une couche fluide, solide isotrope, ou solide anisotrope) et efficacité numérique. Les méthodes présentées sont ensuite appliquées à différentes configurations de coque de sous-marin, et comparées en termes de résultats et d’efficacité numérique. Afin de compléter cette validation, un résultat de référence est obtenu par calcul éléments finis sur le cas test le plus simple d’une couche d’acier élastique isotrope. Des calculs sont également faits sur les mêmes configurations supposées planes, afin de mettre en évidence l’influence de la courbure de la coque.
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Développement d’une méthode inverse basée sur la mobilité pour la maîtrise du bruit rayonné d’un navire comportant des machines montées rigidement sur des structures
V. Meyer
[Résumé]
Dans l’industrie navale, l’approche classique pour prédire le bruit solidien d’un navire est de construire des chaînes de fonctions de transfert. Les vibrations de chaque équipement sont transmises à travers les carlingages pour arriver jusqu’à la coque et rayonner dans le fluide environnant. Cette méthode est basée sur l’hypothèse de couplages faibles entre les différents maillons de la chaîne, ce qui est généralement le cas à partir d’une certaine fréquence pour des équipements suspendus (c’est-à-dire montés sur des plots visco-élastiques). L’opération inverse, qui consiste à trouver le niveau de vibration maximum de la source permettant de ne pas dépasser un niveau de bruit rayonné, est très utile pour établir la spécification du matériel monté à bord. Cette opération peut se faire dans le cas d’équipements suspendus en inversant les fonctions de transfert. Cependant, dans le cas d’équipement montés rigide à travers plusieurs points de fixation (sans plots de suspension), il y a un couplage fort entre la source vibratoire et la structure réceptrice, et cette approche n’est plus valable. On utilise alors la méthode des mobilités afin de décrire exactement le comportement vibratoire du système couplé. La méthode des mobilités utilise les caractéristiques des deux sous-systèmes découplés, le principe de superposition, la continuité des vitesses et l’équilibre des forces. Si cette méthode est bien connue dans le sens direct, elle l’est moins dans le sens inverse. Autrement dit, on cherche dans cette étude à définir un niveau maximum de vibration de la source afin que les vibrations de la structure réceptrice et la pression rayonnée dans l’eau soit maîtrisées. L’exposé se concentre sur le principe de la méthode des mobilités inverse. L’expression mathématique est donnée et son application pratique est discutée. Un exemple numérique permet d’illustrer la méthode.
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Identification de la pression pariétale turbulente par problème inverse vibratoire pour le domaine naval
C. Pézerat, O. Grosset, J.-H. Thomas, F. Ablitzer
[Résumé]
L’étude des bruits hydroacoustique fait l’objet d’une forte demande industrielle en matière de recherche. En effet, dans le domaine des transports, l’écoulement du fluide sur le véhicule (écoulement turbulent) s’avère être une source de nuisance sonore non négligeable. La compréhension de ce type d’excitation est donc nécessaire pour minimiser leur impact. Ce type d’excitation correspond aux turbulences générées par la présence d’un obstacle (écoulement décollé) ou d’une couche limite turbulente à proximité de la paroi. Ces turbulences entraînent, d’une part, des fluctuations de pression à proximité de la paroi appelées partie convective de l’excitation, et d’autre part, génèrent des ondes acoustiques dans toutes les directions correspondant à la partie acoustique de l’excitation. La composante acoustique est d’amplitude très inférieure à la celle de la partie convective, elle est donc très difficile à mesurer. Cependant, selon le domaine d’application, elle peut être la principale cause du rayonnement acoustique de la paroi.
L’objectif de cette étude est d’identifier la pression pariétale turbulente excitant une structure à partir d’une méthode inverse vibratoire RI (Résolution Inverse) et de sa variante RIC (Résolution Inverse Corrigée) pour des applications navales.
La capacité de la méthode à isoler la partie acoustique de l’excitation est mise en avant, dans un premier temps à partir de simulations réalisées sans prendre en compte le couplage fluide-structure et dans un second temps, à partir de données expérimentales obtenues dans le Grand Tunnel Hydrodynamique (GTH) de la DGA Techniques Hydrodynamiques (TH). Pour cette seconde partie, une méthode permettant de prendre en compte le couplage fluide-structure basée sur la méthode inverse corrigée RIC est introduite.
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Mesure, analyse et simulation des ondes de compression engendrées lors d’un battage de pieux à terre
J. De Rosny, C. Prada-Julia, D. Clorennec, T. Folegot, G. Le Provost, R. Chavanne
[Résumé]
Les pieux sont des éléments de fondations profondes qui sont couramment utilisés
en génie civil et dont une méthode d’enfoncement est le battage. Ce dernier
engendre d’importantes vibrations mécaniques dans le sol. De nombreuses
incertitudes subsistent quant au processus de génération et de propagation. En
mai 2017, dans le cadre d’une campagne d’essai de battage de 11 pieux dans un
substrat crayeux sur la commune de Sauchay en Normandie, nous avons enregistré
l’onde de compression grâce à un dispositif constitué de deux réseaux de 14
hydrophones répartis verticalement sur une hauteur de 9m depuis la surface et
placés dans des puits situés entre 50 et 150m de la zone de battage. Ces mesures
révèlent un niveau maximum de pression de 1500 Pa (183 dB ref 1µPa), à 10m de
profondeur et à 50m du battage. Après correction par l’énergie transférée au
pieu, il apparaît que le niveau de signal augmente linéairement avec
l’enfoncement du pieu. Une atténuation moyenne de 0.15dB/m est estimée. Plusieurs
résonances sont observées en début de battage. La résonance à 117Hz est attribuée
aux allers-retours du mode de compression. La dépendance fréquentielle de
l’absorption est également déduite. Afin de mieux appréhender la propagation dans
le sous-sol, nous utilisons la simulation SPARC développée au SACLANT Center. En
particulier, la présence d’une onde de tête à l’interface entre la couche
superficielle constituée d’alluvions et la craie sous-jacente est mise en
évidence. En effet, la vitesse dans les alluvions est beaucoup plus faible que
dans la craie. Par ajustement des résultats de simulation et des données
expérimentales, des célérités proches de 500m/s et de 2700m/s sont estimées dans
les alluvions et dans la craie respectivement. À terme, ces mesures permettront
d’alimenter des modèles de propagation, en milieu marin, du bruit engendré par un
battage.
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Modélisation du rayonnement acoustique sous-marin d'un mât d'éolienne durant son battage
F. Chati, J. Van De Loock, D. Decultot, F. Leon, J. Laurent, J. De Rosny, C. Prada-Julia, I. Haghighi, E. Nicolini, D. Cathie, D. Clorennec, T. Folegot
[Résumé]
Les constructions offshores peuvent nécessiter l’enfoncement de pieux de fondation dans le sol par des opérations de battage. Dans le cas de parcs éoliens, ces opérations engendrent un bruit sous-marin important pouvant s’étaler dans le temps et entraîner des dommages sur la faune aquatique. Cette étude menée dans le cadre du projet de recherche RESPECT* financé par Eoliennes en Mer Dieppe Le Tréport (EMDT) a pour objectif de modéliser l’opération de battage de pieux de fondation d’éoliennes afin de caractériser les sources sonores sous-marines, en vue de prédire puis de réduire les niveaux de bruits associés.
L’approche utilisée dans ce travail repose sur la création d’un modèle par éléments finis d’un tube. Trois parties du tube sont ainsi modélisées pour représenter sa position lors de son enfoncement. Une première partie émergée est soumise à une force appliquée sur la tête du tube. Une deuxième partie immergée dans l’eau représente la source sonore à caractériser. La troisième partie du tube modélise la partie enfouie dans le sol. Dans le cadre de cette pré-étude, les dimensions fictives du tube modélisé sont de 8 m de diamètre et 64 m de longueur avec une longueur de la partie immergée constante à 28 m.
Les prédictions numériques de la modélisation présentées sont interprétées en identifiant les ondes élastiques générées dans le tube suite à l’application d’une force. L’uniformité de cette force appliquée sur la circonférence du tube permet une modélisation axisymétrique. Une analyse des déplacements axiaux et radiaux liés à la propagation des ondes est réalisée en s’appuyant sur les calculs donnés par la théorie de l’élasticité. Les résultats (déplacements et pressions) présentés concernent uniquement les deux parties hautes du tube.
*RESPECT: Réduction des Empreintes Sonores des Parcs Eoliens en mer: Comprendre pour de nouvelles Technologies
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Chair(s) : |
C. Guigou Carter, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
G. Capdeville |
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Acoustique en réhabilitation lourde
T. Jagut
[Résumé]
L’entreprise générale Bouygues Bâtiment Habitat Réhabilité est spécialisée dans deux métiers:
* Réhabilitation de logements en rénovation lourde et en milieu occupé
* Construction bois Dès lors que l’on modifie un élément qui présente un rapport à l’acoustique (plancher, voile, cloisons, porte, gaines ...) dans le cadre d’une réhabilitation de logements, un certain niveau de confort acoustique en lien avec cette modification est exigé sans atteindre spécialement les exigences de la NRA.
Cela concerne toute réhabilitation avec ou sans changement d’usage du bâtiment. Il n’est pas admis de réaliser des travaux de rénovations qui rendraient impropre l’immeuble à sa destination. Lorsqu’un niveau de performance acoustique est exigé sur nos chantiers de réhabilitation, et en l’absence de diagnostic acoustique, nous mettons en place des cellules tests.
Nous créons 2 ou 3 cellules tests provisoires ou définitives selon les cas. Nous mettons en œuvre les matériaux prévus(revêtement de sol, cloisons, faux-plafond, doublages,...)et testons l’isolement aux bruits aériens et le niveau de bruits de chocs.
Nous pouvons ensuite,en fonction des résultats obtenus,ajuster les prestations pour pourvoir s’engager sur un niveau de performance. La présentation sera enrichie de visuels décrivant des cas concrets.
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Est-il vraiment impossible d’améliorer la reproductibilité des essais acoustiques et la mesure en basse fréquence avec la série de norme ISO 10140 ?
J.-B. Chéné, F. Fallais, C. Coguenanff, D. Rousseau, C. Guigou Carter
[Résumé]
Dans cet article nous chercherons différents moyens d’améliorer la
reproductibilité et la mesure en basse fréquence des essais acoustiques
réalisés selon la série de normes ISO 10140. Toutes ces investigations ont été
menées en partant du postulat qu’il fallait composer avec les laboratoires
existants car il n’est pas possible de tous les raser pour les reconstruire
tous de façon optimale et identique. Avec une telle contrainte, la question
que nous nous sommes posée est : comment alors améliorer les mesures ? Ce
travail a été mené après le projet de révision de l’annexe A de l’ISO 10140-4
(Recommandations pour la mesure des basses fréquences). Nous avons cherché le
nombre de diffuseurs, de positions de sources, mais aussi l’utilisation de
sources synchronisées et dé-corrélées à la place de sources utilisées l’une
après l’autre.
En utilisant des sources synchronisées mais dé-corrélées, la question
principale sur le plan technique est de savoir comment égaliser la
contribution de chaque source pour qu’aucune d’elles ne prédomine. Nous avons
testé une idéalisation en tiers d’octave à un bruit rose après une moyenne du
niveau de pression acoustique sur un tour de bras tournant, mais nous l’avons
aussi fait en bande fine.
Les effets sur l’indice d’affaiblissement acoustique lui-même seront présentés
pour trois laboratoires différents, tout comme ceux sur la répétabilité et la
reproductibilité de ceux-ci. Des calculs numériques seront également présentés
afin de comparer ces tendances expérimentales à des approches FEM/BEM du
problème.
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Calcul semi-empirique de l’indice d’affaiblissement des cloisons légères sur ossature
T. Simoneau
[Résumé]
La prévision des performances acoustiques des murs et cloisons est essentielle
dans l’ingénierie du bâtiment. Les outils de calcul disponibles sur le marché
sont pour la plupart basés sur des modèles théoriques, pas toujours adaptés
aux besoins de l’ingénieur acousticien. Le présent article propose une méthode
semi-empirique souple pour l’estimation de l’indice d’affaiblissement des
cloisons légères ou de contre-cloisons sur ossature. Dans un premier temps, un
rappel des expressions théoriques connues est présenté. Il est ensuite proposé
une méthode permettant de substituer aux calculs des indices d’affaiblissement
des plaques constituant les parements des cloisons étudiés des valeurs
ajustables, permettant de calibrer au décibel près les résultats de calcul sur
des résultats de mesures en laboratoires. Des exemples d’un tel calibrage sont
proposés pour différents types de constructions légères : cloisons sur simple
ossature à parement simple, cloisons sur simple ossature à parements multiples
et cloisons sur doubles ossatures à parements multiples. Enfin, des exemples
de calcul de l’indice d’affaiblissement de complexes n’ayant pas fait l’objet
d’essais en laboratoire sont présentés, par extrapolation de valeurs
expérimentales connues. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance
avec l’expérience.
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Prédiction de la Performance Acoustique de Parois incluant des Matériaux Biosourcés
T. Blinet, P. Glé, C. Guigou Carter
[Résumé]
Dans ce travail, la performance acoustique de parois incluant des matériaux
biosourcés est évaluée. Les paramètres de matériaux biosourcés ont été
caractérisés en laboratoire ; les caractéristiques à l’échelle matériau sont
principalement issues de mesures au tube de Kundt, suivant la méthode des
trois microphones. Ces paramètres matériaux peuvent ensuite être injectés dans
un logiciel de prédiction pour évaluer la performance acoustique d’un système.
Dans le cas présent, le logiciel AcouSYS, basé sur une méthode de matrice de
transfert (TMM) intégrant la prise en compte des dimensions finies des
systèmes par une approche de fenêtrage spatial, associée à des méthodes SEA,
pour la prise en compte des courts circuits vibratoires (deux améliorations
déjà bien éprouvées), est principalement utilisé.
Plusieurs types de matériaux biosourcés sont considérés en remplissage, comme
par exemple des laines de lin ou de chanvre, etc., avec des parements de
plusieurs natures. Des ossatures bois ou métalliques sont aussi évaluées vis-
à-vis de la performance acoustique finale.
Les performances prédites des parois constituées de ces matériaux biosourcés
sont, dans un premier temps, comparées à des parois similaires incluant des
matériaux plus standards en laine minérale, et dans un deuxième temps,
comparées, pour quelques cas, à des résultats issus de mesures en laboratoire.
La prise en compte de la variabilité des caractéristiques des matériaux
biosourcés est également abordée.
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Modélisation du comportement acoustique d’éléments de réseau de ventilation
C. Coguenanff, C. Guigou Carter, S. Bailhache, F. Bessac
[Résumé]
Dans ce travail, un modèle pour évaluer l’atténuation acoustique d’éléments de réseau de ventilation est présenté. La modélisation mise en œuvre utilise une approche 2D pour des raisons de simplicité et de rapidité de calcul. La stratégie de modélisation acoustique est différentiée en fonction des composants à prendre en compte dans le réseau considéré. Un modèle multi-modal est utilisé pour les éléments associés à une propagation guidée des ondes acoustiques, c’est-à-dire pour les éléments de type conduit droit, coude, etc..). Les éléments complexes tels que les embranchements, les caissons de distribution, etc..., sont modélisés sur la base de la méthode des éléments finis. Le couplage des modèles est effectué pour associer les différents composants ; ce couplage se base sur la continuité des champs aux interfaces. Une fois les champs de pression et de vitesse connus en tous points, il est alors possible de calculer différentes grandeurs comme le niveau de pression moyen, le niveau de puissance sur une section. Le terme source représentant l’excitation doit aussi être défini ; on considère pour simplifier une excitation de type onde plane et pour générer des modes de propagation d’ordre plus élevé la présence d’un coude est prise en compte. Le modèle est détaillé et des résultats sont présentés.
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Chair(s) : |
G. Capdeville |
C. Guigou Carter, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
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Modélisation numérique de la performance au bruit d’impact d’une chape flottante
M. Garot, G. Jacqus, S. Berger, N. Merlette
[Résumé]
L’amélioration acoustique d’un plancher multicouche sur chape flottante
nécessite une compréhension approfondie du comportement de chaque couche ainsi
que les interactions entre celles-ci. Un des indicateurs permettant de mesurer
la performance acoustique d’une chape flottante est la mesure du bruit
d’impact (impact d’objets sur le plancher, bruit de talons, etc). Cet essai
normalisé est réalisé à partir d’une machine à chocs et de microphones
positionnés dans une salle de réception sous la chape. La modélisation
numérique 3D de cet essai apporte une aide à la phase de conception des
différentes couches de la chape flottante. Le logiciel de calculs par éléments
finis Code_Aster est utilisé pour cette étude. Code_Aster est un logiciel
open-source développé par EDF. Le logiciel open-source Salome est utilisé en
pré-traitement (géométrie, maillage) et en post-traitement. L’objectif de
cette étude est la mise en place d’une méthodologie de calcul basée sur les
essais normalisés afin de comparer les résultats expérimentaux et numériques à
partir d’une configuration de référence. Un modèle paramétrique est créé dans
le but de modifier aisément la géométrie, le maillage et les données d’entrée
(propriétés matériaux, conditions aux limites, chargement, etc). Les
perspectives de ce travail sont de disposer d’un outil numérique complet
permettant de réaliser un plan d’expérience numérique (matériaux, géométrie,
etc.) afin de dégager des règles de conception simples et orienter ainsi de
nouvelles technologies de plancher flottant.
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Localisation des bruits de pas dans les dalles béton
H. Dujourdy, R. Kiri Ing
[Résumé]
La localisation d’impacts par reconnaissance de signatures acoustiques est une technologie introduite dans les années 2000 à l’Institut Langevin et se distingue des autres approches de type absorption d’ondes de Rayleigh et triangulation par l’utilisation d’un seul capteur. Les applications à la détection de pas dans les dalles béton sont multiples : détection de présence, mesures de flux, contrôle à distance, domotique ou encore aide à la motricité.
Le système fonctionne par détection des ondes de Lamb antisymétriques, principale forme d’énergie acoustique se propageant dans la dalle béton. La localisation est basée sur deux principes fondamentaux : le retournement temporel permet de focaliser une onde sur le récepteur et le principe de réciprocité permet d’inverser l’émetteur et le récepteur.
Le protocole expérimental est le suivant : dans un premier temps nous discrétisons spatialement une surface et enregistrons les réponses impulsionnelles entre les points de cette surface et un récepteur. Dans un deuxième temps, nous comparons la réponse impulsionnelle d’un des points de la surface avec les réponses impulsionnelles enregistrées. La comparaison consiste à retourner temporellement la réponse impulsionnelle d’un des points de la surface avant d’effectuer une inter-corrélation avec les réponses enregistrées. Cette méthode d’imagerie acoustique correspond à une simulation de retournement temporel : les signaux obtenus par inter-corrélation présentent une tâche de focalisation d’autant plus forte que les réponses impulsionnelles sont similaires.
Les tâches de focalisation obtenues présentent une largeur à -3dB correspondant aux résultats attendus par la loi de dispersion dans une cavité. Le rapport du maximum sur le niveau moyen est théoriquement lié à la largeur de bande ce qui se retrouve bien dans nos résultats.
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Un code de calcul de type éléments finis pour l’équation de diffusion de l’énergie acoustique dans les bâtiments sur la plateforme open source I-Simpa
C. Prax, J. Picaut, N. Fortin, V. Valeau, A. Sakout, C. Foy, F. Chiappini
[Résumé]
Cette communication présente un code de calcul pour résoudre la théorie de la diffusion de l’énergie acoustique réverbérée dans les locaux. Disponible en accès libre sur la plateforme logicielle I-Simpa qui regroupe des outils de calcul Open Source dédiés à l’étude du champ acoustique dans des espaces complexes, la solution est ici obtenue à partir d’un découpage du domaine en éléments finis, des tétraèdres bien adaptés à des salles de forme complexe. Le champ d’énergie est recherché aux sommets des tétraèdres et un système d’équations discrètes est obtenu. Pour cela, l’équation de diffusion est intégrée sur des volumes de contrôles construits autour de chaque sommet des tétraèdres, méthode localement et globalement conservative reposant sur des bilans locaux des flux échangés entre les surfaces communes avec les volumes adjacents. Après avoir donné le principe de l’intégration on présente une validation des résultats dans des situations pouvant présenter des salles couplées.
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Chair(s) : |
Q. Grimal, LIB, Sorbonne Universités, 75006, Paris, France |
T. Lacour, Institut Jean le Rond d'Alembert, 75005, Paris, France |
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Système d’élastographie transitoire 2D adapté à la mesure de la dispersion fréquentielle de la vitesse de l’onde de cisaillement dans le placenta
E. Simon, J.-P. Remenieras, M.-C. Dumoux, F. Patat, F. Perrotin, S. Callé
[Résumé]
Contexte: Le dépistage et le diagnostic de l’insuffisance placentaire (IP), qu’il s’agisse du retard de croissance intra-utérin (RCIU) ou de la prééclampsie (PE), sont des enjeux majeurs de santé publique. En pratique clinique, les propriétés mécaniques du placenta ne sont pas explorées, pourtant des modifications de son architecture tissulaire pourraient engendrer des variations d’élasticité. Parmi les méthodes d’élastographie ultrasonore (US), l’élastographie transitoire paraît adaptée pour une telle application. Cette technique consiste à calculer la vitesse de l’onde de cisaillement (Cs) générée par une vibration externe se propageant dans le milieu considéré. Les valeurs d’élasticité obtenues à partir des méthodes US actuelles ne sont calculées qu’à une fréquence unique. Une modification structurelle du tissu pouvant correspondre à une loi de puissance particulière de la dispersion fréquentielle de Cs, nous avons évalué l’intérêt d’une approche multifréquentielle pour distinguer l’élasticité des placentas normaux et celle de placentas présentant des signes d’IP au troisième trimestre de la grossesse.
Matériel et méthodes: Nous avons développé un dispositif préliminaire en onde plane (pour l’exploration ex vivo) permettant de valider le principe de la méthode proposée, puis un dispositif d’élastographie transitoire 2D (exploration ex vivo et in vivo). Les données sont ajustées au moyen d’un modèle rhéologique fractionnaire G*(iω)=Ge+K.[iω]n dans lequel le comportement en fréquence est modélisé par une loi de puissance (exposant n du modèle). La méthode a été appliquée ex vivo à 22 placentas normaux et 13 placentas pathologiques.
Résultats: Nous avons montré que les placentas RCIU présentent des valeurs de Cs et n inférieures à celles des placentas normaux ou des PE. Cette diminution de n pourrait s’expliquer par les lésions anatomopathologiques du RCIU. Enfin, l’analyse de la dispersion fréquentielle est reproductible et faisable chez la femme enceinte. La valeur ajoutée de la méthode développée devrait désormais être testée lors d’une large étude clinique.
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Controlling the shear waves Field in soft tissue using vibrator array
C. Zemzemi, A. Zorgani, S. Catheline
[Résumé]
Background: Improving cancer diagnostic is an important issue in oncology. Shear wave elasticity imaging techniques, known as elastography, have already shown their ability to locally retrieve the tissue elasticity and therefore suspicious cancer nodules. A method for enhancing the signal-to-noise ratio is discussed in this presentation. To characterize the tissue elasticity, most of the current technics use a single active external source to generate shear waves. This limits the use of elastography to the diagnosis of superficial (shallow) organs. In order to improve the diagnostics of deeper organs, such as prostate, spleen, we propose multiple shear wave sources and the use of time reversal in order to improve the control of the shear wave field. Methods: The experiments are conducted on a Cirs phantom. Multiple vibrators are placed around the phantom box. After each stimulation, the impulse response is measured inside the phantom by a 5MHz ultrasound probe connected to an ultrafast ultrasound scanner. The impulse responses are time-reversed and simultaneously sent back into the medium by their corresponding vibrators. Results: A displacement movie shows a shear wave focusing at the point where the impulse responses are chosen in the first step. The focusing is successful for different locations in our imaging field. We create focus spots in the center as well as in the corner. Conclusions: This study shows that a shear wave field can be controlled with shear wave time reversal focusing. We can concentrate a maximum of energy in any region of interest. These results might bring significant improvement of the signal-noise ratio. Further mechanical parameters such as viscosity as well as non-linearity and anisotropy might profit of the technique.
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Tomographie de temps de vol basée sur la méthode du champ adjoint appliquée à l’élastographie par ondes de cisaillement
S. Bernard, V. Monteiller, D. Komatitsch, G. Cloutier
[Résumé]
L’élastographie par ondes de cisaillement cartographie la rigidité des tissus mous à partir d’un film de propagation d’une onde de cisaillement, obtenu par imagerie échographique ultrarapide. La méthode usuelle pour estimer la carte de vitesse de propagation sous-jacente emploie des mesures de temps de vol entre des paires de pixels de l’image ultrasonore. Ces temps de vol sont directement inversés pour obtenir la vitesse des ondes. Cette approche locale fait l’hypothèse d’une propagation le long de rais infiniment fins, et néglige donc les effets de diffraction de l’onde. Ceci correspond à une hypothèse de haute fréquence (théoriquement, fréquence infinie), qui n’est pourtant pas valable pour la longueur d’onde et la taille typique des hétérogénéités rencontrées. Les images obtenues ont une précision, un contraste et une résolution limités par des artefacts de reconstruction dus à la non prise en compte de la diffraction. Dans ce travail, nous reformulons le problème dans le contexte de la tomographie de temps de vol basée sur la méthode du champ adjoint, telle que développée en imagerie sismique. Cette approche formule la reconstruction d’image comme un problème de minimisation au sens des moindres carrés entre des temps de vol mesurés et des temps de vol prédits par un modèle numérique (ici par différences finies) qui prend en compte la propagation d’une onde de fréquence finie dans un milieu hétérogène. Ainsi, la diffraction de l’onde est prise en compte dans la reconstruction. Nous montrons, sur des données synthétiques et des données expérimentales issues d’une expérience d’élastographie par force de radiation acoustique, que la tomographie de temps de vol améliore la résolution, le contraste et la précision des images par rapport à la méthode conventionnelle, tout en se basant sur les mêmes données. L’implémentation est simple et utilise des ressources de calcul raisonnables (quelques minutes sur un processeur).
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Inversion de forme d’onde complète pour l’imagerie ultrasonore quantitative des os longs
S. Bernard, V. Monteiller, D. Komatitsch, R. Guillermin, P. Lasaygues
[Résumé]
L’inversion de forme d’onde complète (Full Waveform Inversion, FWI) est une méthode d’imagerie basée sur la modélisation numérique de la propagation d’onde dans un milieu hétérogène et sur la minimisation de l’écart entre formes d’ondes expérimentales et calculées. La FWI a été développée pour l’imagerie sismique, où elle offre une résolution et une précision supérieures à celles des méthodes approchées (tracé de raies). Depuis peu, elle est à l’étude dans d’autres domaines, comme l’imagerie ultrasonore du sein et le contrôle non-destructif. Ici, nous l’introduisons pour l’imagerie quantitative dans la section transverse des os longs. Le gradient de la fonction coût (écart quadratique sur les formes d’ondes) est obtenu à partir de la méthode de l’état adjoint, qui consiste à corréler dans le temps le champ direct avec un champ adjoint résultant de la rétro-propagation dans le milieu des résidus retournés temporellement. Le gradient est ainsi calculé à partir de seulement deux simulations de propagation d’onde (ici par différences finies) par source. Un algorithme itératif de type quasi-Newton, appelé L-BFGS, est ensuite utilisé pour la minimisation. Nous montrons à l’aide d’exemples numériques qu’il est nécessaire de combiner des données en réflexion et en transmission (antenne circulaire), et que le nombre de capteurs doit satisfaire un critère d’échantillonnage basé sur la fréquence de l’onde incidente. Pour traiter la non-linéarité de l’inversion et éviter les minima locaux de la fonction coût, dus au contraste d’impédance entre l’os et les tissus environnants, l’inversion commence sur des données filtrées, dont la fréquence maximale est ensuite progressivement augmentée en utilisant la solution précédente comme nouvelle estimation initiale. Un exemple numérique d’une paire tibia/fibula montre qu’il est possible d’obtenir une reconstruction fidèle de la géométrie et de la vitesse de propagation avec 128 capteurs et une fréquence dominante de 250kHz. Nous présenterons ensuite des résultats expérimentaux pour des cylindres de cire.
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Évaluation de la stabilité des implants dentaires dans un os artificiel : comparaison entre une technique d'échographie quantitative ultrasonore et une analyse de fréquence de résonance
R. Vayron, V.H. Nguyen, B. Lecuelle, G. Haiat
[Résumé]
La stabilité primaire de l’implant dentaire est déterminée par la qualité biomécanique du tissu osseux autour de l’implant. Des méthodes d’analyse par radiofréquence (RFA) et d’échographie ultrasonore quantitative (QUS) ont été suggérées pour évaluer la stabilité de l’implant. Le but de cette étude est de comparer les résultats obtenus en utilisant ces deux techniques appliquées aux mêmes implants dentaires insérés dans différents os synthétiques. La reproductibilité des deux techniques a été déterminée pour chaque implant. Différentes valeurs de densité osseuse trabéculaire (#10, #20, #30 PCF) et d’épaisseur corticale (1 et 2 mm) ont été considérées pour évaluer l’effet de la qualité osseuse sur l’indicateur ultrasonique et sur les valeurs obtenues par RFA. L’effet de la profondeur d’insertion de l’implant et du diamètre final du foret utilisé a également été étudié.
Les valeurs d’ISQ (par RFA) augmentent et les valeurs d’UI (par QUS) diminuent quand i) la densité osseuse augmente, ii) avec l’augmentation de l’épaisseur corticale et iii) lors du vissage de l’implant dans le fantôme. Lorsque le diamètre de l’implant varie, les valeurs UI sont significativement différentes pour tous les diamètres de forage finaux sauf 2,8 et 2,9 mm, tandis que les valeurs ISQ sont similaires pour tous les diamètres de forage finaux inférieurs à 3,2 mm et supérieurs à 3,3 mm. L’erreur sur l’estimation de la densité trabéculaire (respectivement épaisseur corticale et profondeur d’insertion) avec le dispositif QUS est d’environ 4 (respectivement 8 et 4) fois inférieure à celle obtenue avec la technique RFA.
Les résultats montrent que la technique des ultrasons fournit une meilleure estimation des différents paramètres liés à la stabilité de l’implant par rapport à la technique RFA.
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Chair(s) : |
Q. Grimal, LIB, Sorbonne Universités, 75006, Paris, France |
S. Bernard, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA), 13013, Marseille, France |
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Microscopie par localisation de microbulles ultrarapide
O. Couture
[Résumé]
L’échographie est une des méthodes d’imagerie clinique les plus utilisées.
Comme la microscopie optique, sa résolution est limitée par sa longueur d’onde
résultant en un compromis inéluctable avec la pénétration au travers des
tissus. En s’inspirant de la technique de super-résolution optique FPALM, nous
avons
proposé d’utilisation de la décorrelation des agents de contraste ultrasonores
au cours d’une échographie ultrarapide pour dépasser la limite de résolution.
En effet, en séparant les échos des microbulles entre différentes images
captées à une cadence de 500Hz, nous avons démontré que la localisation de
chacune des sources pouvait atteindre une précision de l’ordre du dixième de
longueur d’onde. Lors d’une expérience dans le cerveau du rat, nous avons pu
atteindre une résolution de 8 micromètres à 12 mm de profondeur, cartographiant
ainsi la microvasculature à une échelle proche de celle des capillaires [Errico
et al., Nature, 2015]. Cette technique, la microscopie par localisation de
microbulles ultrarapide, ouvre la voie à l’imagerie microscopique non-invasive
de l’angiogenèse tumorale ainsi qu’à l’angiographie des organes en profondeur
avec une précision inégalée.
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HIFU-triggered release of nile red encapsulated in nanoemulsions
N. Alrifai, S. Desgranges, W. Urbach, M. Nassereddine, J. Charara, C. Contino-Pépin, N. Taulier
[Résumé]
To be potent, anticancer drugs should penetrate tissue efficiently to reach
tumor cells in a sufficient concentration to exert a therapeutic effect. A
high dose of drugs is usually given to a patient to locally reach the critical
potent concentration at the tumor site, while in other healthy tissues this
drug concentration induces severe side effects. To reduce these effects, drugs
need to be encapsulated inside carriers that should specifically bring the
drug to the tumor. Indeed, these formulations improved drug efficacy and
reduced toxicity on peripheral healthy tissues compared to conventional
therapeutics. In addition the drug delivery should only be triggered after
that the drug carrier is accumulated on the tumor site. A way to achieve this
is to control the drug release through an external stimulus like ultrasound.
For this reason, we have investigated the HIFU- triggered release of nile red,
used as model drug, encapsulated inside nanomemulsions. These emulsions are
made of droplets of perfluoro-octyl bromide (to be used as 19F-MRI contrast
agent) and oil (solubilizing nile red) stabilized with fluorinated
surfactants. The percentage of delivered nile red was assessed using a
spectrofluorometer and was monitored as a function of the ultrasonic
parameters (maximum peak negative pressure, insonification time and duty
cycle) at 37∘C using a HIFU transducer operating at 1 MHz.
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Modélisation de la vaporisation acoustique d’une nano- gouttelette encapsulée
T. Lacour, T. Valier-Brasier, F. Coulouvrat
[Résumé]
Les particules nanométriques à coeur liquide présentent un fort intérêt pour
l’imagerie médicale, l’embolothérapie ou la délivrance ciblée de médicaments
permettant de réduire les effets secondaires et la résistance. Leurs fonctions
thérapeutiques peuvent être activées mécaniquement par un éclairement ultrasonore
entraînant un changement de phase du liquide interne : c’est le processus de
vaporisation acoustique.
Un modèle à quatre phases (vapeur+liquide+coque+milieu externe) est proposé pour
décrire la dynamique de la vaporisation acoustique, couplant une généralisation
de l’équation de Rayleigh-Plesset avec l’équation de la chaleur. Une attention
particulière est donnée à la modélisation des propriétés mécaniques de
l’encapsulation et notamment à la prise en compte des grandes transformations
engendrées par le changement de phase.
Différents régimes de vaporisation sont définis suivant que la dynamique de la
bulle de vapeur présente ou non des rebonds. Ces régimes dépendent, pour un
fluide donné (ici des nanogouttelettes de PerFluoroPentane dans de l’eau), de six
paramètres clefs : deux paramètres acoustiques (amplitude et fréquence), deux
paramètres géométriques (volume de vapeur et volume liquide) et deux paramètres
mécaniques (constantes élastiques linéaire et non linéaire de la coque). Un seuil
de vaporisation séparant ces différents régimes est alors proposé, dont la
sensibilité aux paramètres précédemment cités est étudiée. L’existence d’un
optimum d’excitation acoustique minimale en amplitude pour atteindre la
vaporisation sans rebond est mise en évidence.
[This work is supported by Plan Cancer 2014-2019 (www.plan-cancer.gouv.fr),
project AIDA (Acoustically Induced Droplet Vaporization for Anti cancer targeted
drug delivery)]
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Optimisation d’un protocole de traitement et caractérisation de tissus à l’aide d’une plateforme de simulation HIFU
S. Chatillon, R. Loyet, F. Chavrier, A. Bouakaz, J.-Y. Chapelon, S. Leberre, P. Calmon
[Résumé]
La mise en œuvre de la méthode HIFU/HICU pour un traitement donné nécessite
d’une part la conception de sondes ultrasonores généralement complexes et
d’autre part la mise au point d’un mode opératoire précis pour contrôler le
développement spatio-temporel de la lésion tout en contrôlant l’échauffement
dans les zones à risques. Une nouvelle méthode thérapeutique nécessite
souvent plusieurs années de recherche, et tout protocole établi en
expérimentation préclinique doit ensuite être adapté aux applications
cliniques puis confronté aux spécificités individuelles de chaque patient.
Dans ce contexte, une modélisation des phénomènes physiques mis en jeu
prenant en compte la variabilité des paramètres physiologiques est un
élément crucial pour l’établissement de ces protocoles. Le CEA-LIST
développe depuis plusieurs années en partenariat avec l’INSERM, CIVA
Healthcare, une plate-forme de simulation HIFU pour la mise au point et
l’optimisation des méthodes, des transducteurs et des protocoles
thérapeutiques. Elle propose un outil unifié pour simuler le champ de
pression 3D induit par HIFU incluant 1/ une implémentation sur GPU de
l’intégrale de Rayleigh pour une simulation ultra rapide de la propagation
en régime linéaire 2/ la propagation en régime linéaire avec prise en compte
d’obstacles (os, crâne...) ou de milieux inhomogène (tissu chauffés) 3/ un
solveur de Westervelt pour la simulation de la propagation en régime non-
linéaire. Ces algorithmes ont été validés et implémentés dans une IHM
commune pour comparer les résultats ou cibler un sujet de recherche
spécifique. Ils peuvent être couplés à un solveur de différences finies
volumiques permettant de résoudre l’équation de BHTE (BioHeat Transfert
Equation) également implanté dans la plateforme. Il est utilisé pour simuler
les effets de la dose thermique dans les tissus. Des études paramétriques
ciblant l’optimisation des sondes et des protocoles de traitement et des
exemples de caractérisation de tissus seront présentés. [Travail soutenu par
l’ANR (ANR SATURN -15-CE19-0016)]
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Active and passive elastography: elastic waves for medicine
S. Catheline, A. Zorgani, B. Giammarinaro, C. Zemzemi
[Résumé]
Elastography, sometimes referred as seismology of the human body, is an imaging modality recently
implemented on
medical ultrasound systems. It allows to measure shear waves within soft tissues and gives a
tomography reconstruction
of the shear elasticity. This elasticity map is useful for early cancer detection. A general overview of
this field is given
in the first part of the presentation as well as latest developments. The second and last
part is devoted to the application of noise correlation technique in the field of elastography. The idea,
as in seismology,
is to take advantage of shear waves naturally present in the human body due to muscles activities to
construct shear
elasticity map of the liver, the thyroid, the brain and the cornea. It is thus a passive elastography
approach since no shear wave sources are
used.
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Chair(s) : |
N. Favretto-Cristini, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA), 13013, Marseille, France |
L. Guillon, IRENAV, 29240, Brest, France |
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Numerical modeling of seismo-acoustic wave propagation in the Grande Rade of Toulon
F. Wang, N. Favretto-Cristini, P. Cristini, O. Morio, T. Garlan, X. Mathias, D. Komatitsch, V. Monteiller, A. Deschamps, E. Beucler, D. Ambrois
[Résumé]
Explosive devices from World War II are discovered every week on the French coasts. In a short time after their discovery, they must be destroyed by the French Navy Mine Warfare Office. If the risks are well known by mine warfare experts, the consequences of counter-mining on the marine environment are much more complex to evaluate and expertise is then required. Depending on the environment geology, the explosive charges and their localization, the seismic waves generated by the explosion may cause damage to infrastructures located on the coast, and under specific conditions, small submarine landslides. The POSA project, led by Shom, and which includes LMA, Géoazur and LPG Nantes, focuses on the Mediterranean coast and proposes to address the upstream hazard management issue of such counter-mining operations in the marine field. The goal is to identify these risks for specific configurations and to develop a decision support tool for their control. The originality of the POSA project lies in the coupling between acoustic data measured on the seabed and coastal zone and seismic data recorded on the coast, together with sedimentary measurements. First, from topographical and sedimentary measurements performed in the Grande Rade of Toulon, physical and geometrical characteristics of the marine environment have been carefully selected in order to be input data for numerical simulations. Then, numerical simulations of wave propagation, from the source to several stations deployed on the Saint-Mandrier peninsula and on the coast of Toulon, have been carried out using a spectral-element method. Influence of the thin sedimentary layers and of the water layers on the simulated signals has been studied according to the source characteristics. Finally, the numerical results have been compared with the real signals recorded by the seismic stations during a counter-mining campaign that took place in November 2016.
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Sur une méthode aux interfaces immergées pour la résolution numérique de l’équation parabolique grand-angle en acoustique sous-marine
R. Sabatini, P. Cristini
[Résumé]
Dans le cadre des méthodes paraboliques utilisées en acoustique sous-marine, la prise en compte de bathymétries complexes s’avère souvent délicate. Bien que plusieurs techniques aient été proposées par la communauté dans les trois dernières décennies, le problème demeure encore ouvert. Dans cette présentation, une nouvelle approche pour le traitement de fonds marins irréguliers dans le cadre de l’équation parabolique grand-angle sera proposée. La présente technique est basée sur la méthode aux interfaces immergées développée par LeVeque et Li en 1994 [SIAM J. Numer. Anal. 31(4), 10191044, (1994)]. Elle assure la conservation
de l’énergie acoustique et permet de prendre en compte des interfaces eau-sédiment variables avec la distance et la profondeur, en s’affranchissant de l’approximation classique en marches d’escalier. En guise d’illustration, les résultats obtenus pour différents cas-tests seront montrés et discutés.
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Modélisation 3D des ondes acoustiques (ondes T) générées par les séismes sous- marins
J. Lecoulant, C. Guennou, L. Guillon, J.-Y. Royer
[Résumé]
Les dorsales médio-océaniques étant généralement éloignées des réseaux sismologiques à terre, leur
activité sismique de faible intensité et les mécanismes associés restent mal connus. Le déploiement
d’hydrophones pour enregistrer les ondes hydro-acoustiques générées par les séismes sous-marins - dites
ondes T - s’avère très approprié pour aborder ces problématiques en raison des excellentes propriétés
acoustiques de l’océan, qui pallient l’atténuation rapide des ondes sismiques dans la croûte. Pour mieux
comprendre la production d’ondes T résultant de l’interaction des ondes sismiques avec le fond marin, nous
utilisons un code 3D aux éléments finis spectraux - SPECFEM3D -, qui modélise conjointement la
propagation des ondes sismiques dans la croûte et celle des ondes sonores dans l’océan. Une
modélisation à partir de configurations 3D simplifiées permet de comprendre l’influence du
mécanisme au foyer et de la topographie du fond marin sur la génération des ondes T. Leur présence et leur
amplitude dépendent du diagramme de radiation du mécanisme au foyer en ondes P et S, qui ne se
convertissent pas avec la même efficacité à l’interface croûte/océan. Elles dépendent également de la
topographie du fond marin, et donc de la forme et de l’étendue de la zone de conversion. Des modèles
simples (fond plat, mont, cuvette ou chaine sous-marine) montrent l’importance des effets 3D dans la
génération des ondes T autour de la source. Au-delà, une modélisation quasi-2D montre que leur propagation
longue-distance est de type modale, avec des modes d’ordre bas de plus en plus prévalant en s’éloignant de
la source. Ces résultats éclairent l’interprétation des enregistrements d’ondes T acquis par les hydrophones
autour des dorsales médio-océaniques et suggèrent que la localisation de la source acoustique ne
correspond pas forcément avec celle de l’épicentre du séisme.
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Cross-validation of numerical modeling and laboratory experiments of seismic wave propagation in complex geological environments
N. Favretto-Cristini, B. Solymosi, V. Monteiller, B. Arntsen, P. Cristini, D. Komatitsch, B. Ursin
[Résumé]
Numerical simulation of wave propagation is widely used for environmental and industrial applications for subsurface evaluation in seismic exploration. Simulation is also a core tool of seismic imaging and inversion. Consequently, it is important to trust the results provided by the numerical methods. However, it is a challenging task to compare these results to real seismic data as the subsurface is never exactly known. Since they can provide a valuable link between purely numerical and real seismic datasets, laboratory measurements on small-scale physical models have recently again been considered as a good alternative approach to point out the advantages and the limitations of numerical methods. In the same time, comparison between numerical and experimental results may emphasize the improvements of the experimental setup that must be made to increase the accuracy of the experiments.
Here, we present a case study for such a comparison between ultrasonic data obtained for a complex model with topographic features and numerical results obtained with a spectral-element method and a finite-difference method. Reflection data were collected in a water tank with piezoelectric transducers using a conventional pulse-echo technique. We paid special attention to the implementation of the real source signal and radiation pattern in the numerical domain. It involved a laboratory calibration measurement followed by an inversion process. The model geometry was implemented using a non-structured mesh for the spectral-element simulations. The comparisons show a very good fit between synthetic and laboratory traces in general, the small discrepancies being assigned mostly to noise present in the laboratory data. Special attention is also paid to the impact of the strong surface curvatures of the model on both the numerical and experimental results.
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Mise en évidence d’effets 3D dans la détection de mammifères marins antarctiques par un réseau d’OBS
R. Dréo, L. Guillon, L. Bouffaut
[Résumé]
La détection et la localisation de mammifères marins est une problématique importante pour l’étude du comportement des espèces et l’évaluation de leurs populations. Dans le cas des espèces australes et antarctiques, ces tâches sont ardues du fait de l’éloignement des côtes et des conditions météorologiques difficiles. L’acoustique passive à l’aide de capteurs déployés pendant de longues périodes est une solution adaptée à cette problématique de surveillance continue à grande échelle. Les données présentées dans cette communication ont été acquises dans le cadre du projet RHUM-RUM par une antenne de 8 OBS (Ocean Bottom Seismometers), déployée pendant 13 mois sur une dorsale océanique au Sud de La Réunion. Chacun possède un hydrophone et un sismomètre trois composantes, leurs enregistrements (fs=100Hz) sont traités après déploiement. La détection des vocalises de baleines se fait automatiquement par Filtrage Adapté Stochastique sur l’hydrophone, la localisation de la source est ensuite réalisée par un algorithme de multilatération. Les temps d’arrivée théoriques sur les OBS sont calculés à l’aide d’un logiciel de tracé de rayons, pour des sources situées sur les nœuds d’une grille de recherche. La minimisation d’une fonction de coût entre les temps d’arrivée expérimentaux et théoriques permet d’aboutir à la localisation de la source. Les résultats obtenus par cette méthode ont une précision suffisante pour suivre individuellement le trajet d’une baleine sur plusieurs dizaines de kilomètres. Dans certains cas, les effets 3D de réflexion sur les reliefs accidentés de la zone entraînent une erreur de mesure des temps d’arrivée, conduisant à une erreur de localisation par l’algorithme. Ces effets 3D sont observables par le sismomètre, à partir duquel il est possible de mesurer les angles d’incidence et d’arrivée des ondes. La compréhension et la prise en compte de ces effets permet de corriger certaines erreurs de localisation.
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Chair(s) : |
L. Guillon, IRENAV, 29240, Brest, France |
J. Marchal, Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, UMR 7190, IJLRDA, 75005, Paris, France |
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Influence d'une faible rugosité d'interface sur la réflexion d'une onde sphérique
S. Pinson, C.W. Holland, Y. Stéphan
[Résumé]
La solution intégrale de la réflexion d’une onde sur une surface légèrement rugueuse inclue généralement la directivité des transducteurs d’émission et de réception. Or, on peut montrer qu’en utilisant la solution intégrale pour une source et un récepteur ponctuels, puis en intégrant sur les surfaces des transducteurs, on obtient une solution avec une meilleure représentation du phénomène. Dans cette communication, les principaux développements théoriques obtenus par cette approche sont présentés pour un sondeur de sédiments multifaisceaux: la covariance de scintillation, la covariance des temps de vols ainsi que la covariance des directions d’arrivées. Ces paramètres ont l’avantage d’être facilement extraits des enregistrements sonars et ne dépendent pas directement du saut d’impédance à l’interface. L’inversion des paramètres statistiques de rugosité d’interfaces est donc facilitée.
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Approche bayésienne pour la localisation de direction d'arrivée en milieu fluctuant
G. Beaumont, A. Dremeau, R. Fablet
[Résumé]
En acoustique sous marine, la propagation des ondes peut être grandement perturbée par les fluctuations aléatoires du milieu océanique. Plus particulièrement, les mesures de phase du champs de pression complexe peuvent être fortement bruitées et mettre en échec les algorithmes classiques d’estimation de direction d’arrivée. En prenant en compte ces fluctuations sous la forme d’un modèle de bruit de phase informatif et en le combinant avec un a-priori parcimonieux sur les directions d’arrivée, nous proposons une approche bayésienne pour effectuer une estimation de ces directions d’arrivée plus robuste au phénomène de fluctuations. En particulier, la prise en compte du modèle de bruit de phase est intégrée dans un nouvel algorithme d’AMP (Approximate message passing), résultant en l’algorithme paSAMP (Phase-Aware Swept AMP). Mis à l’épreuve sur un jeu de données simulées, paSAMP s’avère meilleur en terme de reconstruction du vecteur d’indexation des directions d’arrivée qu’une approche Bayésienne basée sur une approximation de champ moyen ou d’autres algorithmes classiques de localisation de source, notamment en terme de robustesse au bruit additif.
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Approche Matricielle de Propagation des Ondes pour l’Imagerie Sismique du Volcan Erebus en Antarctique
T. Blondel, J. Chaput, A. Derode, M. Campillo, A. Aubry
[Résumé]
Les milieux géologiques sont très hétérogènes et tout particulièrement les volcans qui, en raison de l’activité terrestre et de la propagation du magma, présentent de nombreuses fractures, chambres et cheminées avec de fortes discontinuités en termes de densités et de vitesse de propagation pour les ondes sismiques. Dans un tel régime de diffusion multiple, les approches traditionnelles d’imagerie exploitant l’équivalence entre le temps d’écho et la profondeur de la cible échouent. Cette diffusion multiple facilite par contre la mesure passive de la fonction de Green entre deux géophones par simple corrélation croisée des codas enregistrées par chacun d’eux. Un réseau de géophones a précédemment été installé sur le volcan Erebus en Antarctique, et une matrice de réflexion a été mesurée par corrélation deux-à-deux de codas d’icequakes. Cette matrice, contenant l’ensemble des fonctions de Green associées à toutes les paires de géophones du réseau, rassemble l’intégralité de l’information accessible sur le milieu compte tenu des caractéristiques du réseau sismique. Des opérations matricielles successives peuvent être appliquées afin d’extraire l’information pertinente à des fins d’imagerie. La matrice de réflexion est d’abord projetée à chaque temps d’écho dans le plan focal balistique par focalisation à l’émission et à la réception, donnant lieu à une matrice de réponse associée à un réseau d’émetteurs et récepteurs virtuels localisés à la profondeur balistique. Dans cette représentation, la contribution de diffusion multiple peut être éliminée par filtrage confocal. Les plus forts diffuseurs sont ensuite localisés et imagés par retournement temporel itératif, consistant mathématiquement en une SVD de la matrice de réflexion. En combinant l’ensemble des résultats obtenus à chaque profondeur, une image tridimensionnelle du volcan est reconstruite. Alors que les méthodes directes conduisent à un speckle sans relation avec la réflectivité du milieu, l’approche matricielle présentée ici rend possible l’observation et l’analyse de la cheminée volcanique.
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Monitoring sea ice thickness and properties with seismic noise: insights from a laboratory experiment
L. Moreau, C. Lachaud, R. Théry, M.V. Predoi, D. Marsan, E. Larose, J. Weiss, M. Montagnat
[Résumé]
The decline of Arctic sea ice extent is one of the most spectacular signatures of global warming, and studies converge to show that this decline has been accelerating over the last four decades, with a rate that is not reproduced by climate models. To improve these models, relying on comprehen- sive and accurate field data is essential. While sea ice extent and concentration are accurately moni- tored from microwave imagery, an accurate measure of its thickness is still lacking. Moreover, measuring observables related to the mechanical behavior of the ice (such as Young’s modulus, Poisson’s ratio, etc.) could provide better insights in the understanding of sea ice decline, by com- pleting current knowledge so far acquired mostly from radar and sonar data. This paper aims at demonstrating on the laboratory scale that these can all be estimated simultaneously by measuring seismic waves guided in the ice layer. The experiment consisted of leaving a water tank in a cold room in order to grow an ice layer at its surface. While its thickness was increasing, ultrasonic guided waves were generated with a piezoelectric source, and measurements were subsequently inverted to infer the thickness and mechanical properties of the ice with very good accuracy.
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From medical Imaging to Seismology
J. Aichele, P. Roux, S. Catheline
[Résumé]
We apply ultrasonic shear wave elastography, an imaging technique developed for medical applications and used in hospitals today, to a geophysical research question. In order to better understand friction and rupture processes which are responsible for earthquake nucleation, we build a laboratory experiment that reproduces the stick-slip behaviour of a seismic fault for soft elastic materials. The rupture process is generated by controlling a driving slab through a motor in synchronization with the acquisition system (Verasonics Vantage ultrasound scanner). As an analog to the fault damage zone, a granular layer of sand or gravel constitutes the stick-slip behaviour. Elastography allows us to get unique insights into shear-wave generation of rupture processes. In contrast to classical seismological methods, we are able to follow the wave propagation inside the sample and are not limited to surface information. First results confirm the previously proven existence of supershear fronts for the in-plane shearing mode. These Mach fronts that have been observed for several earthquakes are of special interest since they increase the seismic hazard compared to subshear earthquakes. In the future, combining displacement and strain measurements for different experimental setups will give insight into the nature of rupture nucleation and propagation.
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Chair(s) : |
J. Marchal, Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, UMR 7190, IJLRDA, 75005, Paris, France |
N. Favretto-Cristini, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA), 13013, Marseille, France |
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Métamatériaux super-absorbants pour l’acoustique sous-marine
M. Thieury, V. Leroy, A. Tourin, J. Dasse
[Résumé]
L’évolution constante des performances des sonars nécessite de nouveaux designs de revêtements
acoustiques pour améliorer la furtivité et la discrétion des sous-marins. Les types de revêtements développés
dans le cadre de cette thèse doivent pouvoir diminuer la signature acoustique du sous-marin générée par
l’écho d’émissions de sonars actifs, on parle donc de revêtements anéchoïques.
Les métamatériaux ou meta-écrans (autrefois appelés revêtements Alberich ) sont une solution très
intéressante face à cet enjeu. Ils sont constitués d’une distribution périodique de bulles d’air de taille sub-
longueur d’onde emprisonnées dans une matrice visco-élastique. Du fait du fort contraste acoustique entre
l’air et la matrice, les bulles d’air présentent une résonance monopolaire basse fréquence très avantageuse
dans notre cas.
Il existe une condition d’accord des pertes radiatives et dissipatives qui permet de maximiser l’absorption
d’un tel revêtement, voire d’atteindre une absorption totale si l’on place un réflecteur parfait derrière le
revêtement. En réglant les paramètres physiques du meta-écran (taille et pas entre les bulles), on prédit
l’obtention d’une telle condition sur une large bande de fréquences. Des premières expériences hautes
fréquences (MHz) ont pu confirmer ces prédictions [Leroy et al, Phys. Rev. B 2015]. On présentera ici les
premiers résultats à plus basses fréquences (30-110 kHz). V. Leroy, A. Strybulevych, M. Lanoy, F. Lemoult, A. Tourin, and J. H. Page. Superabsorption of acoustic waves
with bubble metascreens. Physical Review B, 91(2) :020301, 2015.
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Recalage multicapteur d'images sonar pour l'aide à la navigation des AUV
I. Leblond, S. Tauvry, M. Pinto
[Résumé]
Les ondes électromagnétiques pénétrant très mal sous l’eau, les GPS ne
peuvent pas être utilisés sur les AUV (Autonomous Underwater Vehicles)
et la position précise de ces porteurs doit être estimée autrement
lors de leur immersion. Les centrales inertielles (INS), qui intègrent
les positions successives au fur et à mesure du temps sont couramment
présentes sur les AUV mais elles subissent une dérive temporelle et il
est nécessaire de retrouver périodiquement la position absolue.
Egalement, certains porteurs n’intègrent pas d’INS mais doivent
néanmoins se repérer par rapport à une passe préalablement réalisée.
Une méthode pour le faire consiste à utiliser les systèmes d’imagerie
sonar présent sur les AUV pour se recaler. Nous proposons ici
d’explorer les travaux préalables à un recalage multi-capteur. Le
travail présenté ici s’oriente vers un recalage entre deux images
issues de deux passes différentes, à partir d’amers naturellement
présents sur le fond marin et s’articule en deux étapes, une phase de
détection et une phase d’appariements. La détection est ici réalisée
sur les ombres des objets, associée à des règles expertes permettant
de sélectionner uniquement un certain type d’amers. Les appariements
entre amers sont ensuite effectués en deux étapes, une permettant de
sélectionner rapidement les translations les plus probables, une
deuxième permettant de confirmer par un critère basé sur la
corrélation le résultat de recalage. Les résultats présentés sont
issus d’une campagne de mesures réalisées aux Canaries dans le cadre
du projet européen SWARMs (Smart and Networking UnderWAter Robots in
Cooperation Meshes).
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Sondeur monofaisceau et sonar latéral multifréquentiels : développement, prototypage, et résultats des acquisitions en mer
I. Mopin, J. Marchal, M. Legris, Y. Le Gall, X. Lurton
[Résumé]
La caractérisation des fonds marins à l’aide de techniques acoustiques se fait encore aujourd’hui majoritairement en monofréquentiel, les sonars ou sondeurs étant optimisés pour des signaux à bande étroites. Or, la réponse acoustique d’un type de fond donné varie en fonction à la fois de l’angle d’incidence et de la fréquence (rugosité, pénétration, etc.). La segmentation et l’interprétation des images de réflectivité sonar peuvent être améliorées en exploitant plusieurs fréquences ce qui implique l’utilisation de plusieurs sonars ou sondeurs. Pour pallier les problèmes engendrés par l’emploi simultané de différents équipements (interférences, poids, encombrement, coût, ...), le projet S2MF (Sondeur et Sonar Multi-Fréquentiels) propose une technologie permettant de ne mettre en œuvre qu’un unique système générant plusieurs fréquences harmoniques. Pour ce faire, nous avons réalisé d’une part un émetteur de signaux saturés exploitant les non-linéarités de la propagation acoustique dans l’eau de mer, réalisant ainsi une source multifréquentielle, et d’autre part des récepteurs large-bande conçus spécifiquement. Deux types de sonar, de fréquence fondamentale 100 kHz, ont été développés durant ce projet : un sondeur monofaisceau et un sonar latéral. Les étapes de leur dimensionnement, prototypage, tests en bassin et essais en mer, ainsi que l’analyse des résultats finaux obtenus, feront l’objet de la présentation (projet financé par l’ANR et la DGA / ANR-14-ASTR-0022-00).
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Chair(s) : |
A. Pelat, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
O. Bareille |
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Analyse du comportement mécanique d’un matériau multicouches aux propriétés de raideur et d’amortissement contrôlées localement par irradiation UV
C. Chesnais, M. Gallo, R. Rinaldi, K. Ege, N. Totaro, Q. Leclère
[Résumé]
Respecter les normes pour la lutte contre la pollution des véhicules et leurs nuisances sonores est l’un des enjeux majeurs de ces dernières années pour l’industrie du transport. Cette problématique a poussé à alléger les véhicules en remplaçant les matériaux métalliques par de nouveaux matériaux conservant de bonnes performances de résistance mécanique et d’isolation vibroacoustique. Dans cette optique, un nouveau procédé de matériaux multicouches a été développé. L’assemblage est constitué d’une âme en polymère (silicone) placée entre deux peaux métalliques. Les propriétés mécaniques du silicone sont contrôlées par irradiation UV à l’aide de masque intercalés entre la source UV et le matériau silicone permettant de contrôler localement les propriétés du polymère (module d’Young et facteur de perte) et de créer ainsi un matériau multicouches architecturé. Nous abordons dans la première partie de cet article une étude analytique (modèle de Guyader, JSV 1978) qui porte sur les différences de propriétés mécaniques qui existent entre deux poutres multicouches spatialement homogènes irradiée et non irradiée et nous en présentons la validation expérimentale. Pour cela, la méthode RIFF (Résolution Inverse Filtrée Fenêtrée) est utilisée. Elle permet d’identifier les propriétés mécaniques du matériau spatialement et en fonction de la fréquence. Pour vérifier le contrôle local du module d’Young grâce au procédé d’irradiation, une troisième poutre multicouches similaire aux précédentes, mais dont l’âme est composée d’un silicone dont l’irradiation varie sur sa longueur, est ensuite étudiée. Enfin, quelques exemples d’architecturation des propriétés du multicouches sont présentées à l’aide de modèles éléments finis.
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Propriétés Dynamiques des Composites Stratifiés à Fibres Hybrides Lin/Carbone
M. Ben Ameur, J.-L. Rebiere, A. El Mahi, M. Beyaoui, M. Abdennadher, M. Haddar
[Résumé]
Les composites à fibres de lin ont fait leur preuve dans le domaine de la
dynamique en présentant des bonnes performances. Néanmoins, les propriétés
dynamiques des composites à fibres de carbone sont nettement moins
importantes. De ce fait, l’objectif de cette étude consiste à améliorer leurs
comportements dynamiques en exploitant la technique d’hybridation. Dans ce
contexte, des essais expérimentaux sont réalisés sur des matériaux composites
stratifiés renforcés par des fibres hybrides lin/carbone pour mettre en
évidence l’effet de l’hybridation et de l’orientation des fibres. Des
stratifiés hybrides et non hybrides avec différentes séquences d’empilement
ont été produits par moulage sous vide. Des essais de vibration en flexion ont
été effectués sur des poutres unidirectionnelles dans différentes orientations
de fibres (0∘, 15∘, 30∘, 45∘, 60∘, 75∘ et 90∘), dans le cas d’une
configuration encastrée/libre avec la technique d’impulsion. Ils ont permis de
mesurer la fréquence propre et l’amortissement modale des matériaux étudiés.
Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques dynamiques sont plus
intéressantes lorsque la fraction volumique en fibre de lin augmente.
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Amortissement vibratoire d’une plaque au moyen d’un réseau périodique de trous noirs acoustiques
O. Aklouche, A. Wang, A. Pelat, S. Maugeais, F. Gautier
[Résumé]
Le trou noirs acoustique (TNA) est étudié pendant les vingt dernières années pour ses caractéristiques d’amortissement des vibrations en hautes fréquences sans pour autant augmenter la masse de la structure. Dans une plaque, le TNA consiste en un amincissement local, dont le profil d’épaisseur suit localement une loi de puissance. Dans ce cas, il peut être montré que le TNA peut fortement réduire les vibrations de flexion au-dessus d’une fréquence seuil, dite de coupure, pour laquelle la longueur d’onde incidente est comparable à la taille du TNA. L’utilisation de réseaux périodiques de trous noirs acoustiques permet d’étendre les performances du dispositif : en effet, un tel milieu périodique peut produire des bandes interdites à des fréquences plus basses que la fréquence de coupure du TNA. En conséquence, des propriétés attractives en termes d’amortissement peuvent être atteintes sur une large gamme de fréquences : en basses fréquences par effet de réseau et en hautes fréquences par effet de cumul des effets du TNA. L’étude est réalisée dans un premier temps sur une plaque infinie, en utilisant la méthode de développement en ondes planes (PWE) basée sur le théorème de Floquet-Bloch. Les courbes de dispersion obtenues à partir de calculs numériques sont utilisées pour analyser la propagation des ondes : des bandes interdites basses fréquences sont trouvées et leur existence dépend des paramètres géométriques du profil choisi pour les trous noirs. Dans un second temps, une plaque avec un réseau périodique fini de trous noirs est testée expérimentalement en mesurant la mobilité quadratique moyenne. Comme attendu, la mobilité vibratoire présente des valeurs faibles dans les bandes interdites prédites par la PWE, et le comportement résonant de la plaque est lissé au-delà de la fréquence de coupure du TNA, confirmant ainsi les prédictions numériques.
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Contrôle Des Ondes De Flexion Par Une Métaplaque
J. Leng, V. Romero-García, A. Pelat, J.-P. Groby, R. Pico Vila, F. Gautier
[Résumé]
Le trou noir acoustique (TNA) est un piège à onde permettant de contrôler
passivement les vibrations de structure. Sa géométrie consiste en une
réduction locale de l’épaisseur d’une plaque de façon axisymétrique et suivant
une loi au minimum quadratique. Des mécanismes d’amortissement peuvent alors
être engendrés lorsqu’une fine couche viscoélastique est ajoutée au centre du
TNA. Cet ajout permet d’obtenir un diffuseur pénétrable et résonant dont les
fréquences propres et les déformées modales sont complexes. Ces valeurs
complexes sont dues dans un cas sans perte aux fuites du diffuseur dans le
milieu. Parmi tous les modes complexes du TNA, le mode fondamental revêt une
grande importance dans le contrôle de l’amortissement des vibrations basses
fréquences. Dans cette présentation, la compensation des pertes par
rayonnement du premier mode du TNA par celles apportées par une couche
viscoélastique est étudiée. Un intérêt particulier est porté sur la conception
d’une configuration couplée critiquement au milieu extérieur pour un mode
donné. Dans ce cas le zéro du coefficient de réflexion du mode, représenté
dans le plan de fréquences complexes, est placé sur l’axe des fréquences
réelles, ce qui conduit à un coefficient d’absorption égal à 1. La géométrie
classique d’un TNA est aussi modifiée pour ajuster le premier mode piégé du
diffuseur. Pour ce faire, un modèle semi-analytique d’une poutre 1D avec une
terminaison TNA est utilisé et des résultats expérimentaux à partir de mesure
au vibromètre laser sont réalisés pour illustrer la présentation.
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Vibration mitigation using stick-slip Interactions in a composite core
G. Chevallier
[Résumé]
Metamaterials are architectured micro-structures that have recently shown convincing
performances for vibration reduction. Two main phenomena are commonly coupled to achieve
these performances, local resonances and Bragg scattering that allow to develop interesting
frequency bandgaps where waves cannot propagate. The performances for vibration reduction
of a lattice metamaterial introduced as a core in a composite structure are here experimentally
and numerically studied. This structure is composed of a series of slits with rotational
symmetries and is placed between two aluminium plates : the planar configuration with periodic
resonant patterns is propitious to generate bandgaps. Different parameters are adjusted to
achieve good performances as the number of patterns, the width of the slots, or the length of
the internal beams. Nonlinear effects consisting in stick-slip interactions inside patterns are
evaluated as favorable aspects to increase the obtained global damping.
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Débitmètre ultrasonore pour la mesure amont injecteur des écoulements transitoires dans les systèmes d’injection directe essence
R. Julian, S. Ollivier, P. Gucher, P. Blanc-Benon
[Résumé]
Dans le contexte actuel d’une demande pour des moteurs essence plus propres et de meilleurs rendements, la maîtrise des systèmes d’injection est primordiale. En particulier, le débit instantané d’injection conditionne le développement du spray, et donc la réaction de combustion. Cependant, l’utilisation d’un dispositif traditionnel pour la mesure du débit d’injection en condition de fonctionnement est limitée par la dynamique des écoulements, qui présentent des pressions et vitesses fortement transitoires. Un Débitmètre Ultra-Sonore à Temps de Transit (DUSTT) à faisceaux axiaux peut satisfaire ce besoin en termes de précision, de dynamique, de bande passante et d’encombrement. Un prototype de DUSTT dédié à la mesure du débit d’injection amont injecteur a été développé et caractérisé sur un banc d’essai pour l’Injection Directe Essence (IDE), équipé d’un débitmètre de référence aval injecteur. La pression et la vitesse de l’écoulement dans le système IDE sont déduites d’une description physique de la dynamique de l’écoulement pulsé. Pour ce faire, les équations d’Euler unidimensionnelles linéarisées, avec pertes visqueuses instationnaires, sont résolues dans le domaine temporel par la méthode des caractéristiques. Après étalonnage, les résultats expérimentaux révèlent une incertitude sur la détermination de la masse injectée à partir des mesures du DUSTT inférieure à 5% de la valeur mesurée par le débitmètre aval de référence. De plus, la vitesse et la pression de l’écoulement d’injection mesurées par le prototype sont similaires aux calculs théoriques. Ces résultats satisfaisants permettent de confirmer la faisabilité de la méthode de mesure, et rendent la mesure possible en conditions de fonctionnement.
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On-board electric vehicle charger noise assessment and overview of power electronic noise sources
H. Agreli
[Résumé]
Improvements in the energy density and efficiency of power electronics have brought these components closer and closer to our day lives. In the transport sector, the improvements of the power electronics can be translated into the capability of supporting larger currents, increasing thus the risk of audible noise and vibration related problems. The importance of the harmonic distortion to the audible noise generation is highlighted and the mechanism of audible noise generated in passive components such as capacitors and inductors is reviewed. The analysis of the audible noise generated by an on-board electrical vehicle charger is presented. The possible impacts and solutions to the environmental noise are assessed in a context of high penetration of electrical and plugging-in hybrid vehicles as well as vehicle-to-grid schemes.
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Etude par simulation des bruits de rattle d’un siège de TGV
H. Hwang, F. Aubin, J. Kengne, F. Dubois, N. Merlette
[Résumé]
Le calme et la tranquillité sont une composante essentielle pour garantir
une
bonne expérience aux voyageurs de train. Même si de nombreux travaux ont été
menés pour améliorer l’ambiance à l’intérieur des TGV notamment, les
voyageurs
peuvent être gênés durant tout leur voyage par des grésillements ou autre
cliquetis dus à des vibrations de tablette ou autre aménagement. Ainsi, on
retrouve parfois à l’arrivée des petits bouts de papier pour empêcher ces
vibrations. Le bruit de rattle (grésillement) est généré par des impacts
aléatoires entre deux structures. Le travail présenté dans cet article est
dédié à l’étude par simulation des phénomènes de rattle générés au sein d’un
siège première classe de TGV. L’apparition de ce bruit est un vrai enjeu car
elle est une des sources principales qui perturbent le confort des
passagers.
L’objectif est donc d’identifier les zones du siège qui peuvent présenter
des
risques de rattle et d’en comprendre les causes. Le module SnRD (Squeak &
Rattle Director) intégré dans la suite HyperWorks est utilisé pour cette
étude. Il met en œuvre la méthodologie SAR-LINETM qui permet
d’évaluer le
déplacement relatif entre deux composants dans le domaine temporel. Les
interfaces, nommées E-lines, sont définies directement sur le modèle
éléments
finis du siège dans des zones jugées pertinentes par l’ingénieur.
L’application réalisée sur le siège considéré démontre l’intérêt de la
simulation par éléments finis, en permettant d’identifier les zones
critiques
pouvant générer du rattle et les modes propres de vibration contribuant le
plus à ce phénomène. Cette méthodologie présente un réel potentiel pour les
phases de conception des voitures et des équipements intérieurs par rapport
à
la méthode traditionnelle qui nécessite un essai sur un prototype physique.
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Dispositif de détection de fuites acoustiques pour choisir une taille de bouchon d’oreilles adaptée
V. Zimpfer, P. Hamery, G. Blanck, G. Andéol, T. Fux
[Résumé]
La dernière version du bouchon d’oreille 3M Combat Arms a été conçue pour
répondre aux besoins de protection d’audition des forces armées françaises. Ce
bouchon utilise des embouts préformés constitués d’ailettes délivrés en trois
tailles (petit, moyen et grand) qui devraient permettre la meilleure
adaptation à toutes les morphologies. Le choix individuel de la taille d’un
bouchon d’oreille préformé est un critère majeur pour que ce protecteur soit
réellement efficace. Afin de choisir cette taille idéale, un dispositif
utilisant un bouchon instrumenté (microphone et haut-parleur) sur lequel
peuvent s’adapter les embouts de 3M a été réalisé. Ce dispositif permet de
vérifier si le bouchon d’oreille est étanche à l’air lorsqu’il est positionné
dans l’oreille. Une première campagne d’essais avec 106 soldats a été réalisée
avec ce dispositif et deux autres méthodes. Une des deux méthodes comparatives
est basée sur l’observation visuelle du positionnement d’un embout
tympanométrique dans le conduit auditif. L’autre est un dispositif commercial
permettant de mesurer l’atténuation des bouchons d’oreilles in situ. Cette
campagne d’essais a montré une très faible corrélation entre ces trois
méthodes, puisque deux d’entre elles ne dépendent pas uniquement du choix de
la taille mais également de la bonne insertion du bouchon dans l’oreille. Afin
de valider que les résultats obtenus avec le dispositif détectant une fuite
acoustique sont corrélés avec les performances en termes d’atténuation
auditive, des mesures REAT (Real Ear Attenuation at Threshold) ont été
réalisées avec des sujets volontaires.
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Caractérisation des efforts dynamiques transmis par un compresseur frigorifique
X. Carniel, J. Champain, T. Gardin, G. Pavic
[Résumé]
Caractériser la contribution vibroacoustique d’un composant à intégrer dans un ensemble mécanique requiert de travailler sur les trois types de source qu’il représente: bruit aérien, pulsations de pression, bruit solidien (ou efforts dynamiques). Si le bruit aérien s’évalue facilement, la caractérisation des pulsations de pression et des efforts dynamiques ont ceci de particulier que la mesure dépend du circuit ou de la structure réceptrice. Les approches théoriques montrent que pour caractériser totalement ces deux sources de manière intrinsèque, il faut déterminer un couple de valeurs ou descripteurs. Pour les travaux présentés dans cet article, le couple {forces bloquées ; mobilités} a été choisi pour caractériser expérimentalement un compresseur frigorifique en tant que source de bruit solidien. La méthode utilisée dite du ”Bloc-Capteur” permet d’obtenir ces deux quantités qui pourront être utilisées pour prédire le comportement vibroacoustique lors de l’intégration dans une machine à froid. L’article présente la méthode et détaille les différentes étapes de la démarche expérimentale. Il analyse ensuite les résultats obtenus pour différents régimes de fonctionnement du compresseur et en présente les limites. NB: Cette méthode est en cours d’intégration dans un projet de norme ISO (prISO 21955).
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Démarche de Conception Vibroacoustique dans le cadre du développement d’un véhicule blindé terrestre
A. Khelifi
[Résumé]
Les normes acoustiques et vibratoires ainsi que les directives environnementales ou santé sont de plus en plus exigeantes et par voie de conséquence contraignantes sur la conception de nos produits industriels. Paradoxalement l’industrie d’armement, dont Nexter Systems est un acteur majeur, intègre dans ses véhicules blindés de plus en plus d’équipements complexes, afin de répondre au mieux aux besoin des combattants, dont nombreux sont aussi sources de bruits et de vibrations (par émissions directes ou parasites).
En parallèle, notre industrie de défense est également soumise, en plus des réglementations nationales et internationales, à des exigences Clients contraignantes. Le soldat peut en effet être amené à occuper son véhicule durant plusieurs jours et nuits tout en exerçant des missions variées et complexes (nécessitant une veille silencieuse, un besoin de climatisation et de renouvellement d’air, des tirs d’artillerie avec de forts niveaux impulsionnels, ...). Aussi, le confort acoustique, vibratoire et la furtivité sonore des blindés sont devenus des enjeux importants, voire vitaux, pour les personnels en opération. Par conséquent, dans ce contexte, notre industrie se doit, dans un monde soumis à une forte compétition, d’intégrer une démarche de conception vibro-acoustique rigoureuse tout au long de la phase de développement du produit. Cette méthodologie est basée principalement sur les étapes suivantes: - l’identification et la hiérarchisation des nombreuses sources acoustiques et vibratoires (moteur et accessoires associés, échappement, climatisation et divers systèmes de ventilation, pneumatique, ...), - les caractérisations de ces sources mais aussi leurs voies de transfert (aériennes et solidiennes), - les moyens d’atténuation à mettre en œuvre dès la phase de conception (isolants, absorbants, découplage vibratoire, volumes, ...).
Cette démarche, ainsi que les approches numériques, analytiques et expérimentales associées, seront présentées dans le cadre de ce congrès.
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Approche simplifiée de la prestation vibro-acoustique par hybridation calculs/essais des sources secondaires
M. Garot, B. Delmache, N. Chevallier
[Résumé]
La caractérisation des sources vibratoires et une étape incontournable pour
prédire et minimiser la contribution du bruit solidien et les vibrations dans
les véhicules de transport afin d’atteindre une prestation acoustique de bon
niveau. Les constructeurs et équipementiers de rang 1 ont intégré des
méthodologies numériques et de mesures coûteuses permettant une caractérisation
des composants actifs (sources vibratoires) et passifs (caisse). Ces
méthodologies sont inaccessibles aux équipementiers et constructeurs de petite
taille de par leur coût. Une approche simplifiée couplant l’essai et le calcul
est ainsi proposée. Cette méthodologie hybride essai/calcul permet de sous-
structurer le transfert vibratoire de la source à l’oreille du conducteur. Elle
consiste à isoler les sources vibratoires et les éléments participants au bruit
solidien (sous-système) sur un banc d’essais et de transposer les efforts
engendrés par les composants actifs (sources) vers le véhicule. Pour cela, le
sous-système est modélisé numériquement. Les efforts bloqués du système sur banc
d’essais sont calculés et recalés avec des mesures accélérométriques. Des
formules analytiques issues de la norme XP_19701 permettent de déduire les
efforts injectés au véhicule à partir des efforts bloqués. Cette méthodologie,
validée numériquement, a pour objectif l’optimisation du design des composants,
des plots de découplage et de la structure d’accueil par rapport à la prestation
vibratoire et acoustique.
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Chair(s) : |
D. Ecotière, Cerema, Ifsttar, UMRAE, 67000, Strasbourg, France |
B. Cotté, IMSIA - ENSTA, 91761, Palaiseau, France |
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Modulation d’amplitude du bruit éolien
M. Cand
[Résumé]
En proximité d’une turbine, le bruit produit par la rotation des pales est toujours
modulé ( bruissement ) : ceci représente une caractéristique fondamentale de ce
type de source. De plus, cette propriété est bien comprise et a été le sujet de
modèles validés avec succès. La situation est plus complexe quand on considère le
bruit d’une turbine ou parc éolien a plus grande distance. Dans certain cas, des
modulations de bruit marquées ont été observées, avec certaines propriétés qui
n’étaient pas expliquées par les modèles standards, et représentant une source
potentielle de gène acoustique. Un large projet de recherche initié en Grande
Bretagne conclut que le détachement de l’écoulement de l’air autour de la pale
durant une partie de la rotation pourrait expliquer certains cas de modulation dite
atypique . Ceci semble être confirmé par des expériences dans laquelle le niveau
de modulation a été réduit en appliquant des modifications à certaines turbines.
Cette recherche identifia aussi l’absence de méthode standard et objective pour
quantifier le niveau de modulation observée dans les mesures acoustiques. Certaines
techniques à cet effet furent proposées et développées par un groupe établi par
l’Institut d’Acoustique du Royaume Uni. La méthode finale publiée en 2016 par ce
groupe est efficace en pratique, même en présence de sources de bruit
additionnelles.
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Analyse de l'efficacité in situ d'un système de réduction de bruit d'une éolienne basé sur un bord de fuite dentelée
A. Alarcon, I. Schmich-Yamane, M.-C. Nessi
[Résumé]
Dans une démarche d’amélioration continue du parc de production éolien, EDF a réalisé une campagne expérimentale visant à comparer le niveau acoustique émis par une éolienne avant et après la mise en place d’un système de réduction de bruit. Cette expérimentation a consisté à enregistrer en continu le bruit produit par l’éolienne au cours de cinq semaines de fonctionnement. Au cours de cette période, l’éolienne a fonctionné selon trois modes de bridage distincts combinés à des périodes d’arrêt. En milieu de période, des structures dentelées (Trailing Edge Serrations) ont été installées sur le bord de fuite des pales. Dans cette étude, les enregistrements de sept unités de mesure acoustique positionnées autour de l’éolienne ont été corrélés à des données météorologies locales et aux paramètres de fonctionnement de la machine. In fine, cette étude a permis de dresser un bilan de l’efficacité long-terme d’un tel dispositif basé sur l’analyse des données expérimentales selon quatre approches différentes, et ce pour chaque mode bridage, à savoir : - l’évaluation de la réduction du niveau sonore par une approche statistique; - l’étude de l’influence dudit système sur la directivité de l’éolienne; - l’analyse de la zone d’efficacité spectrale des dentelures; - l’analyse selon les prescriptions de la norme IEC 61400-11 comparée aux analyses précédentes. Ce papier présentera les résultats des différentes approches d’analyse.
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Émission et propagation du bruit des éoliennes : constitution d'une base de données expérimentale de référence
D. Ecotière, B. Kayser, B. Gauvreau, C. Lebourdat, F. Bruneau, G. Guillaume, H. Lefèvre, A. Petit, P. Demizieux, V. Gary, J.-P. Durieux
[Résumé]
La compréhension et la prévision du bruit des éoliennes reste un sujet sur lequel il est
nécessaire de progresser. Parmi les sujets d’actualité figurent par exemple l’apparition
épisodique de modulation d’amplitude du signal émis par une éolienne, l’influence de la
météorologie et du sol sur la propagation acoustique, la variabilité spatiale et temporelle des
niveaux sonores et les incertitudes associées, la directivité de l’émission sonore, ou encore
l’amélioration des méthodes de caractérisation expérimentale. Afin d’étudier ces différents
sujets, une campagne expérimentale d’envergure a été menée par le Cerema et l’Ifsttar
(UMRAE), en collaboration avec Engie et Echopsy, à proximité d’un parc éolien. Cette
campagne a pour but de constituer une base de données de référence concernant le bruit des
éoliennes. Cette base a pour vocation à être ultérieurement librement mise à disposition de la
communauté scientifique. L’objectif de la campagne expérimentale est d’étudier l’émission et
la propagation du bruit des éoliennes en fonction de différents paramètres d’influence. Pour
cela, plus de 20 points de mesures acoustiques (sonomètres, enregistrements audio) ont été
réalisés pendant une semaine, incluant des phases de marche et d’arrêt des éoliennes, à la fois
en champ proche (caractérisation de la puissance acoustique des machines) et en champ
lointain jusqu’à 1,5 km. Simultanément, des relevés météorologiques ont été réalisés à l’aide de
plusieurs types de dispositifs (Lidar météorologique, anémomètres soniques et mât
météorologique de grande hauteur) à différents endroits du site. Ces relevés ont été complétés
par des mesures d’impédance acoustique des sols environnants. Cette communication a pour
objectif de présenter la campagne de mesure, ainsi que les traitements et les premières
analyses.
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Calcul Direct du Bruit Généré par un Profil d'Aile à Bas Nombres de Reynolds
T. Rigall, B. Cotté, P. Lafon
[Résumé]
Le contexte actuel de démocratisation des machines tournantes de petite taille telles que les drones ou les éoliennes domestiques pose la question des nuisances sonores qu’elles engendrent. Dans ce cadre, étudier et comprendre la structure de l’écoulement autour de ces structures est essentiel afin de prévoir le champ acoustique. La taille réduite de ces systèmes implique de faibles nombres de Reynolds, de l’ordre de 104 à 105. A ces régimes, un bulbe de décollement laminaire est susceptible d’apparaître sur les pales. Au vu de l’influence de ce bulbe sur les caractéristiques aérodynamiques des ailes, capturer précisément les positions de séparation, de transition laminaire-turbulent et de recollement de la couche limite est important. Dans le cadre du présent travail, des calculs directs de bruit d’un profil NACA0012 à bas nombres de Reynolds et à différents angles d’incidence ont été effectués afin d’obtenir simultanément et précisément le bulbe de décollement laminaire ainsi que le champ acoustique associé. Pour cela, le code de calcul Code_Safari développé par EDF R&D a été utilisé. Il permet de résoudre les équations de Navier-Stokes compressibles en effectuant des simulations des grandes échelles par filtre de relaxation. Des schémas de différences finies d’ordre élevé ainsi que la méthode de maillage Chimère sont employés. La naissance, l’intermittence et l’éclatement du bulbe de décollement laminaire ont été observés et ses effets sur les performances aérodynamiques du profil seront présentés. Il sera également montré que la présence ou non du bulbe est très dépendante de l’amplification des perturbations numériques et notamment de l’ordre du schéma numérique et des zones d’interpolation employés. Finalement, les champs acoustiques obtenus et les spectres associés seront présentés, avec et sans bulbe puis avec et sans décrochage aérodynamique du profil.
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Chair(s) : |
S. Bailhache, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
G. Beillard |
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Bruit de chute d'eau, un problème de plomberie!
A. Gaulupeau, M. Asselineau
[Résumé]
Les bruits perçus par les habitants dans leur logement, provenant de
l’intérieur du bâtiment, et notamment les bruits de chutes d’eau, représentent
une des premières nuisances exprimées par les français. La réglementation
acoustique fixe des niveaux sonores à ne pas dépasser. Néanmoins, les mesures
acoustiques réalisées en fin de chantier montrent qu’un quart des bâtiments
d’habitation neufs présentent une non cohérence avec les exigences
réglementaires à la fin du chantier.
Il semble donc urgent de mettre l’accent sur la responsabilité de la filière
plomberie sur cet état de fait. En effet, le bruit provient bien du
rayonnement des canalisations au passage des fluides dans ces dernières. Il
convient de limiter ce bruit à la source et cela doit bien être le rôle des
fabricants de canalisations comme celui des plombiers. Un traitement des
dévoiements doit être prévu, ainsi qu’une bonne désolidarisation des
canalisations à la traversée des planchers ainsi qu’aux fixations sur les
parois.
Cette limitation du rayonnement des canalisations est un préalable
indispensable, quelques soient les attentions apportées par les autres
intervenants à cette problématique de bruit de chute d’eau. En partant du
concepteur du bâtiment qui positionnera les gaines techniques contenant des
chutes d’eau le plus loin possible des pièces principales des logements, en
passant par le maçon qui rebouchera la trémie de la gaine après le passage des
canalisations puis par le plaquiste qui ferme la gaine technique.
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Caractérisation de conduits d’évacuation d’eau sous écoulement stationnaire ou transitoire
S. Bailhache, P. Ducruet, C. Guigou Carter
[Résumé]
Les bruits aériens et structuraux émis par les conduits d’évacuation d’eaux
usées peuvent être caractérisés en laboratoire selon la norme NF EN 14366. La
méthode de caractérisation fait appel à un écoulement d’eau dont le débit est
maintenu constant, permettant la mesure d’un niveau continu équivalent. Le
débit rencontré sur site - correspondant à l’action d’une chasse d’eau par
exemple - présente cependant des fluctuations au cours de temps et dépend de
l’installation considérée. Dans ce travail, un conduit d’évacuation en
matériau synthétique est caractérisé en laboratoire sous des débits d’eau
constants de 0.5, 1.0, 2.0 et 4.0 L/s. La mesure est également effectuée en
générant l’écoulement d’eau avec un WC suspendu. Dans ce cas, les résultats
sont exprimés sous forme d’un niveau maximum avec pondération temporelle Fast
ou Slow. Différentes conditions d’installation sont ainsi testées, à savoir :
le conduit droit, en dévoiement avec deux 2 coudes à 45∘ et en configuration
horizontale (soffite). Pour chaque condition d’installation, des
caractérisations sont effectuées avec le conduit fixé à sa paroi support par
le biais de fixations rigides ou bien antivibratiles. Les résultats des
caractérisations sont présentés et commentés.
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Psychoacoustics of electromagnetically-excited acoustic noise due to e-mobility electric motors
J. Le Besnerais, C. Dendievel, M. Regniez, P. Boussard
[Résumé]
Electrical machines are increasingly present in our environment, for instance in transportation (e.g. automotive, naval, railway), energy (e.g. wind generators) or home appliances. Electric motors can operate closely from people, making their noise clearly audible. These noises influence the perceived quality of the machine, and represent a key challenge for manufacturers and integrators.
E-mobility means of transport (EV, HEV, etc.) allow for having new sound signatures fulfilling different brands’ DNA. Today, manufacturers and integrators aim at reducing the acoustic noise of electrical machines quantifying it with the A-weighted sound pressure level, however, this metric is not sufficient to describe the perceived sound quality. The subjective annoyance or pleasantness of a sound emitted by an electrical device rely on indicators reflecting Human sound perception: psychoacoustics indicators.
Firstly, this presentation explains the phenomenon of electromagnetically-excited acoustic noise which is a characteristic of traction electric motors. The main frequency characteristics of the noise are derived from the excitation due to slotting effects and Pulse Width Modulation effect. Their impact on the perceived sound quality is assessed and discussed based on subjective jury test results. Secondly, case studies are presented using MANATEE software from EOMYS, illustrating the calculation and the simulation of acoustic noise due to magnetic forces or using experimental data from noise measurements on electric cars. Finally, the relevance of psychoacoustics indicators applied to electrical motors noise is studied thanks to LEA software from GENESIS.
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Comparaison entre prédiction et mesure du comportement acoustique d’éléments de réseau de ventilation
C. Guigou Carter, C. Coguenanff, F. Bessac, S. Bailhache
[Résumé]
Dans ce travail, les résultats d’un modèle et de mesures pour évaluer l’atténuation acoustique d’éléments de réseau de ventilation sont présentés. L’approche de prédiction 2D combine un modèle multi-modal pour les éléments associés à une propagation guidée des ondes et un modèle par éléments finis pour les éléments complexes. Des mesures de l’atténuation acoustique ont été réalisées au laboratoire du CETIAT sur différents éléments de réseau de ventilation, notamment de type coudes et embranchements. Le montage expérimental est décrit. Différentes configurations sont évaluées. Une comparaison des résultats des mesures, du modèle de prédiction et aussi des formules simples généralement appliquées pour les éléments considérés est proposée. Si les résultats montrent qu’en basses fréquences (en dessus de la fréquence de coupure du conduit), les approches simplifiées et les formules associées donnent des résultats acceptables, en moyennes et hautes fréquences des déviations sont généralement relevées. Cependant pour le cas d’un embranchement symétrique en forme de Y les formules simplifiées sont par exemple en ligne avec la prédiction et la mesure. Sur la base des résultats ainsi obtenus et pour les éléments de réseau le nécessitant, une généralisation et une modification des expressions simplifiées peut être proposée pour évaluer l’atténuation acoustique.
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Chair(s) : |
G. Beillard |
S. Bailhache, CSTB, 38400, Saint Martin D'Hères, France |
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La mesure de puissance acoustique en laboratoire : facteurs d’erreurs et estimation des incertitudes
F. Fohr, B. Gazengel
[Résumé]
Dans les domaines de l’industrie ou du bâtiment, la caractérisation de la puissance acoustique des équipements techniques est d’une manière générale une donnée d’entrée incontournable pour la rédaction des cahiers des charges, le dimensionnement des installations ou encore la vérification des contraintes réglementaires.
Les méthodes de laboratoire utilisées pour déterminer les niveaux de puissance acoustiques des équipements techniques sont décrites dans un ensemble de normes qui permet de couvrir un large domaine d’applications et d’environnements de mesures. Cependant, leur mise en œuvre peut s’avérer dans certains cas délicate comme par exemples lorsqu’il s’agit de mesurer des puissances de bruit injecté dans un réseau de gaines ou dans le cadre des mesures avec écoulement d’air. De plus, la détermination des incertitudes associées aux mesures est souvent omise. Les normes donnent des écarts-types de reproductibilité obtenus à partir d’essais inter laboratoire dans le meilleur des cas, mais ces données surestiment généralement une incertitude qui selon le laboratoire pourrait être mieux maîtrisée si elle était estimée pour chaque procédure d’essais en suivant, par exemple, la méthode décrite par la norme ISO CEI Guide 98-3 (GUM). Cette méthode permet de bien prendre en compte les conditions de mesure dans les calculs d’incertitude même si, notamment dans le domaine des basses fréquences, il peut en ressortir des valeurs importantes voire supérieures aux écarts types de reproductibilité indiqués par les normes.
L’objet de cette communication est de partager l’expérience du CTTM pour les mesures de puissance acoustique dans un large domaine d’applications couvrant notamment les mesures de puissance injectée dans des conduits et de bruits turbulents régénérés par des installations de type silencieux ou registres. En particulier, une analyse des facteurs d’erreurs dans les basses fréquences est présentée à travers la mise en œuvre de différentes procédures normalisées de mesures de puissance acoustique.
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Les Baffles à membranes – Une solution réellement efficace pour traiter les basses fréquences ?
J. Chancel, N. Morand
[Résumé]
Le traitement des basses fréquences est une problématique qui suscite de
plus en plus d’intérêt et de préoccupations dans le domaine de l’acoustique
du bâtiment et plus spécifiquement en ce qui concerne le traitement des
équipements techniques. Les pièges à sons passifs équipés de baffles sont les dispositifs les mieux
adaptés pour traiter les bruits induits par les appareils CVC (CTA, UTA,
VRV, ect...). Ceux-ci présentent des atténuations performantes dans les
moyennes et hautes fréquences mais sont mal adaptés au traitement des basses
fréquences. Le baffle à résonateurs ou membranes externes est présenté comme une
solution permettant de compenser ce déficit de performances dans les basses
fréquences. Sa conception est basée sur l’ajout d’une plaque métallique
occultant la moitié de chaque face du baffle, ces plaques étant placées en
quinconce. Une campagne d’essai a été menée au CTTM de manière à caractériser
précisément les performances de ce produit. Il en ressort assez clairement
que le baffle à membranes externes est loin d’être une solution efficace
pour améliorer l’atténuation des basses fréquences comme cela est présenté
depuis près d’une dizaine d’années (ce type de baffle restant encore
grandement préconisé aujourd’hui). Le travail présenté consiste à préciser les phénomènes qui entrent en jeux
dans les atténuations des baffles acoustiques, notamment au niveau des
basses fréquences. Des comparaisons entre baffles standards et baffles à
membranes sont présentées et commentées
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Comparaison entre prédiction et mesure du bruit régénéré par des registres
S. Bailhache, S. Colin, C. Guigou Carter, N. Morand, F. Bessac
[Résumé]
Les registres d’équilibrage sont des composants des réseaux de ventilation
encore mal connus du point de vue du bruit régénéré sous l’effet du flux
d’air. Dans ce travail, une analyse du bruit régénéré est proposée sur la base
de résultats de mesures en laboratoire et de différentes méthodes
d’estimation. Le Guide de l’AICVF donne une formule simplifiée permettant
d’estimer le niveau de puissance acoustique global à partir de la section du
registre, de la vitesse d’écoulement et de l’angle de d’ouverture. En
complément, des spectres de puissance acoustique peuvent être déterminés sur
la base d’abaques mis au point pour des registres à volet simple. La norme VDI
2081 propose différentes formules et abaques valides pour les registres à
volets multiples. Le calcul fait notamment appel à la perte de pression totale
du composant sous la vitesse d’écoulement considérée. Dans cette étude, ces
méthodes d’estimation sont appliquées à différents registres de section
rectangulaire, dont les caractéristiques (notamment dimensions et perte de
pression totale) sont connues. Les composants étudiés ont préalablement fait
l’objet de mesures en laboratoire du niveau de puissance acoustique du bruit
régénéré pour différentes vitesses d’écoulement d’air et différents angles
d’ouverture. Des comparaisons et entre estimations et mesures sont présentées
et commentées.
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Chair(s) : |
J. Lelong, IFSTTAR, 69500, Bron, France |
F. Poisson |
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Mesure des émissions sonores des pneumatiques en chambre semi-anéchoïque
J.-D. Perrot
[Résumé]
Les émissions sonores des pneumatiques sont actuellement mesurées suivant la méthode réglementaire dite
”Coast-By” décrite par le règlement 117 des Nations-Unies, équivalente à la méthode décrite par la norme
ISO 13325. Cette mesure s’effectue sur une piste standardisée, par le passage d’un véhicule roulant en roue
libre entre deux microphones distant de 15 mètres, à des vitesses variant de 70 à 90 km/h. De nombreuses
variations et imprécisions, liées à la nature de la piste, au type de véhicule employé, aux conditions
météorologiques ainsi qu’au bruit de fond diminuent la qualité de la mesure.
Michelin a développé une nouvelle méthode de mesure, utilisant une chambre semi-anéchoïque, un volant
équipé d’un revêtement texturé, ainsi qu’une série de microphones et une méthode de calcul, permettant
d’émuler le passage d’un véhicule entre les microphones des méthodes existantes, et d’obtenir une mesure
corrélée avec les méthodes actuelles, tout en permettant d’améliorer la précision, la répétabilité, ainsi que
l’efficacité opérationnelle de la mesure des émissions sonores des pneumatiques.
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Analyse statistique des vibrations d'un pneu
A. Le Bot, Z. Bazari, P. Klein, J. Lelong
[Résumé]
Dans cette étude, nous explorons les divers régimes de vibration dans un pneu soumis à une excitation
aléatoire large bande induite par le contact pneu/chaussée. Nous utilisons le modèle de plaque orthotrope
précontrainte sur fondation viscoélastique pour les vibrations de flexion du pneu. Nous montrons qu’il existe
théoriquement trois régimes vibratoires qui sont : le régime modal à basse fréquence caractérisé par un ou
quelques modes, le régime de champ diffus qui présente une énergie vibratoire plus ou moins homogène et le
régime de champ direct à hautes fréquences ou l’énergie décroît à mesure que l’on s’éloigne du point
d’excitation. Cependant, pour des pneus réels qui présentent un fort taux d’amortissement, seuls les régimes
de champ modal et de champ direct sont atteints.
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Méthode de calcul MF-HF pour le Pass-By Noise : couplage radiosités et tirs de rayons
M. Rety, N. Noe
[Résumé]
La réglementation impose aux constructeurs automobiles de commercialiser des véhicules dont les niveaux sonores émis à l’extérieur restent inférieurs à une certaine valeur limite. Dans un contexte industriel très contraint, la simulation numérique permet d’anticiper les problèmes liés à cet objectif, en estimant les niveaux rayonnés. Il s’agit de couvrir l’ensemble du spectre audible. Néanmoins, les méthodes de calcul classiques de type FEM avouent leurs limites en MF et HF, où les longueurs d’onde associées impliquent de traiter des modèles numériques très lourds, avec des temps de calcul incompatibles avec les délais de développement. Les approches par méthode énergétique permettent de s’affranchir de cette limite fréquentielle, mais avec des hypothèses fortes sur la propagation puisque la notion de phase disparaît. Ainsi, la méthode des radiosités repose sur l’hypothèse d’échanges radiatifs et diffus de l’énergie. Sa mise en œuvre opère en des temps de calcul très courts. La méthode des tirs de rayons, obéissant aux lois de l’optique géométrique, est une autre alternative permettant de couvrir les hautes fréquences, cette fois sans négliger les aspects de phase, et donc les phénomènes d’interférence. En combinant ces deux méthodes, il devient possible de calculer les FRF en MF et HF et de tirer profit de chacune d’elle. Les environnements, confiné pour le compartiment moteur et champ libre pour l’extérieur, se prêtent naturellement à cette technique de couplage. Dans cette présentation, nous proposons de présenter cette méthode de calcul innovante, associant radiosités et tirs de rayons. Un 1er cas test, sous la forme d’un modèle simplifié de compartiment moteur, permet de présenter sa mise en œuvre, en explicitant les choix de modélisation et les hypothèses de calcul retenus. Enfin, des résultats sur la base d’un second cas industriel, seront présentés.
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Analyse de Sensibilité et Sélection de Modèle pour Prédire le Bruit de Passage des Véhicules Automobiles
H. Hamdad, C. Pézerat, B. Gauvreau, C. Locqueteau
[Résumé]
Actuellement, pour commercialiser un véhicule, les constructeurs doivent se soumettre à un test d’homologation en bruit extérieur. Le règlement ECE R51-03, spécifie les niveaux sonores admissibles que peut rayonner un véhicule automobile en roulage. Ce règlement est appliqué depuis le 1er juillet 2016 (changement de méthode d’essai sur piste et sévérisation des niveaux sonores admissibles). L’étude présentée ici consiste précisément à développer une aide à la modélisation totale du bruit de passage d’un véhicule, comme le préconisent les essais réglementaires. Le but est de quantifier avec précision ce bruit plus tôt dans le cycle de développement du véhicule, i.e. avant l’étape d’industrialisation. Il faut donc se placer dans la recherche d’un compromis entre précision des estimations, sensibilité aux paramètres, robustesse de la méthode et efficacité numérique. Pour cela, plusieurs modèles de synthèse sont développés, où la différence principale réside dans la représentation fréquentielle et spatiale du groupe motopropulseur. Ces modèles permettent tous de combiner le débit acoustique des sources les plus influentes (moteur, admission, échappement, rayonnement des volumes d’échappement ainsi que le bruit de contact pneumatique/chaussée), avec la propagation acoustique entre ces sources et le point récepteur qui se trouve à 7.50 m de l’axe de la piste d’essai, tout en prenant en compte le déplacement du véhicule. Les différentes causes de variabilité et d’incertitude liées aux paramètres critiques de la modélisation sont ensuite identifiées et quantifiées, et la façon dont elles se propagent et impactent le résultat final est appréhendée. Une étude d’analyse de sensibilité globale est réalisée afin d’étudier l’impact de l’incertitude et la variabilité des paramètres d’entrée sur les sorties du modèle. Le meilleur modèle est ensuite choisi à partir de la comparaison entre le calcul et la mesure, en se basant sur une théorie de sélection de modèle.
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Modélisation par éléments finis du contact roue/rail non stationnaire dans un repère Eulérien : application au crissement en courbe
O. Chiello, V.-V. Lai, J.-F. Brunel, P. Dufrénoy
[Résumé]
Une part importante des bruits émis au passage des véhicules guidés sur rail est liée aux vibrations des structures induites par les efforts générés au niveau des contacts roue/rail. Les mécanismes de génération de ces bruits peuvent être linéaires comme c’est le cas pour le bruit de roulement mais aussi non linéaires par exemple dans le cas de bruits d’impact transitoires ou de crissements en courbe. Les modèles de contact roue/rail généralement utilisés, même les plus élaborés comme le logiciel CONTACT développé par Kalker, sont basés sur des hypothèses simplificatrices qui ne sont pas forcément vérifiées dans ces cas difficiles combinant roulement, contact frottant et dynamique des structures. Dans ce papier, on développe une formulation dynamique par éléments finis complète du contact roue/rail non stationnaire avec frottement dans une repère Eulérien, incluant une discrétisation fine de la zone de contact et un traitement rigoureux du contact de type Signorini/Coulomb. Une application au crissement en courbe est proposée. Une analyse de stabilité ainsi qu’un calcul temporel non linéaire par intégration numérique permettent de mettre en évidence les phénomènes d’instabilités et de vibrations auto-entretenues à l’origine du crissement.
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Une méthode de tir adaptée pour l’estimation des vibrations auto-entretenues à l’origine du crissement d’un frein à disque ferroviaire
O. Chiello, L. Charroyer, J.-J. Sinou
[Résumé]
Grâce aux nombreux travaux de recherche réalisés ces dernières années, les principaux phénomènes vibratoires à l’origine du crissement des freins à disque en moyenne et haute fréquence sont aujourd’hui bien identifiés. Dans la plupart des cas, des instabilités par couplage modal de l’équilibre quasi-statique glissant semblent être responsables des vibrations auto-entretenues du système. Ces instabilités peuvent être caractérisées en première approche à l’aide d’une analyse fréquentielle linéarisée. Toutefois, l’estimation des amplitudes et du contenu spectral complet des oscillations en régime stationnaire nécessite une analyse non linéaire plus délicate à mettre en œuvre d’un point de vue calculatoire. Les deux techniques les plus utilisées sont l’intégration numérique dans le domaine temporel à partir de conditions initiales données et l’équilibrage harmonique permettant la recherche directe de régimes périodiques ou quasi-périodiques. Dans le cas de modèles éléments finis comportant de nombreux degrés de libertés les deux méthodes conduisent souvent à des coûts de calcul (charge et mémoire) trop importants pour être utilisés en pratique. Dans ce papier, une alternative est proposée pour l’estimation de régimes périodiques dans les cas mono-instables. Il s’agit d’une méthode de tir adaptée permettant une approximation des vibrations auto-entretenues en quelques itérations. La méthode est testée sur un modèle simplifié de frein à disque ferroviaire.
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Chair(s) : |
M. Lavandier, Univ Lyon, ENTPE, Laboratoire Génie Civil et Bâtiment, 69120, Vaulx-En-Velin, France |
O. Macherey, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, 13453, Marseille, France |
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Effet différencié d’un simulateur de perte auditive sur la compression cochléaire et la sélectivité fréquentielle
N. Grimault, T. Irino, S. Dimachki, A. Corneyllie, R. Patterson, S. Garcia
[Résumé]
Un simulateur de perte auditive a été réalisé, basé sur un modèle inversé de filtres auditifs compressifs de type Gammachirp. Les données expérimentales recueillies ont permis de mettre en évidence que l’usage de ce simulateur dégrade en temps réel les seuils auditifs absolus et élargit les filtres auditifs dans des proportions comparables à la population de malentendants cibles (i.e. pertes auditive neurosensorielle inférieure à 40 dB HL) lorsque ces filtres auditifs sont estimés avec la méthodologie classique des bruits à échancrures. Par ailleurs, ce simulateur dégrade la perception de la parole dans le bruit à la manière d’une perte auditive. Cette nouvelle étude présentera des données de modélisation dans l’objectif de déterminer de façon différenciée la contribution de la perte de compression cochléaire et la contribution de la perte de sélectivité fréquentielle dans l’élargissement des filtres auditifs estimés.
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Perception de signaux sonores ferroviaires sous protecteurs auditifs – le cas de populations ayant des atteintes auditives
J.-P. Arz, N. Grimault, O. El Sawaf
[Résumé]
Dans les environnements bruyants, la perception de signaux acoustiques
indiquant un danger est impérative pour assurer la sécurité des travailleurs.
Cette problématique se pose notamment lorsque des protecteurs individuels
contre le bruit (PICB) sont portés car ils pourraient dégrader la perception
des signaux avertisseurs de danger. De plus, le fait que le port de PICB peut
dégrader la perception des signaux est plus particulièrement à craindre
lorsque les travailleurs présentent des atteintes auditives.
Dans ce contexte, l’INRS, le CRNL et la SNCF ont collaboré pour réaliser des
tests psychoacoustiques auprès de personnes normo-entendantes et non normo-
entendantes. Ces tests menés en laboratoire ont consisté à mesurer les seuils
masqués de plusieurs alarmes en présence de bruits ferroviaires, avec et sans
PICB. Les méthodes et les résultats expérimentaux sont présentés pour
différentes classes d’atteintes auditives. L’objectif final est de déterminer
jusqu’à quel degré d’atteintes auditives le port de PICB peut être autorisé en
toute sécurité en milieu ferroviaire.
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Modélisations de l’influence des effets conjoints du port de protecteur auditif et des atteintes auditives
O. El Sawaf, N. Grimault, J.-P. Arz
[Résumé]
L’exposition des travailleurs à de forts niveaux de bruit peut nécessiter l’utilisation de protecteurs individuels contre le bruit (PICB) lorsque les autres solutions de réduction de bruit ne peuvent pas être mises en place. La question se pose alors de savoir si, pour les utilisateurs, la capacité à détecter des signaux utiles (avertisseur de danger, alarmes de fonctionnement) dans le bruit n’est pas détériorée par le port de PICB, en particulier pour des personnes présentant des atteintes auditives. L’approche classique pour évaluer l’influence du port de PICB consiste à réaliser des tests perceptifs individuels. Dans la pratique, si l’on souhaite caractériser différents degrés d’atteintes auditives, cela implique de réunir une population suffisamment importante pour chaque degré afin d’obtenir des résultats statistiquement significatifs.
Afin de palier à cette contrainte, l’INRS et le CRNL collaborent pour développer des outils permettant d’évaluer plus facilement les effets cumulés du port de PICB et des atteintes auditives.
Deux approches sont en développement : d’une part des simulations sonores reproduisant les effets de différents degrés d’atteintes auditives et du port de PICB afin de réaliser les tests perceptifs sur une population normo-entendante restreinte ; d’autre part un modèle de détection d’alarmes dans le bruit.
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Amélioration de l'intelligibilité de messages de parole dans une automobile pour des passagers malentendants
E. Parizet, J. Rouch
[Résumé]
L’intelligibilité de messages émis par une voiture (instructions GPS, radio...) peut être améliorée par la combinaison d’un filtrage et d’une compression dynamique.
Dans cette étude, un simulateur de pertes auditives (Grimault et al., 2016) a été utilisé pour optimiser les caractéristiques du filtre selon le profil de pertes auditives des passagers. L’approche retenue a consisté à maximiser le Speech Intelligibility Index dans du bruit intérieur de voiture, tout en maintenant inchangé le niveau global de la parole. Un algorithme génétique a été utilisé pour déterminer le gabarit de filtre permettant d’atteindre cet optimum.
L’efficacité des modifications ainsi déterminée a été mesurée auprès de 10 auditeurs normo-entendants (pour lesquels le simulateur de pertes auditives était utilisé) et 10 auditeurs souffrant de pertes auditives variées (légères à modérées), dans deux bruits intérieurs d’automobile. Une réduction de 8 à 9 dB du seuil de réception de la parole a été mesuré, indépendamment du bruit de fond utilisé.
On dispose ainsi d’un moyen simple d’améliorer l’intelligibilité des différents messages vocaux transmis par la voiture aux passagers.
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“Turn an ear to hear”: how hearing-impaired and unimpaired listeners alike can optimise their speech intelligibility in noisy environments
J. Grange, J. Culling
[Résumé]
For speech intelligibility in noise, the Jelfs et al. (2011) model of
spatial release from masking predicts a substantial benefit of listeners
facing away from the target speech when interferers are spatially separated
(Culling et al., 2012). Grange & Culling’s (2016a) normal-hearing (NH)
baseline study confirmed the predicted head-orientation benefit (HOB).
Grange & Culling’s (2016b) showed how cochlear implant (CI) users, in a
sound-treated lab, could reap a 30∘ HOB similar to that of NH listeners (up
to 5 dB), without compromising their lip-reading. A highly realistic
restaurant simulation over headphones demonstrated the robustness of NH
listeners’ 30∘ HOB (1-2 dB) with multiple interferers and reverberation.
Grange et al. (2017b) demonstrated how this head-shadow benefit extended to
mild-to-moderately hearing impaired (HI) listeners and simulated CI users
(using the SPIRAL vocoder, Grange et al, 2017a). Speech-reception thresholds
were elevated, from NH, by 3 and 12 dB for HI listeners and simulated CI
users, respectively; a 30∘ head turn provided 1-3 dB HOB, depending on
position in the restaurant and interferer type. Significantly more HOB was
obtained in CI simulations employing voice rather than noise interferers
(interaction not found with NHs). NH and CI listeners were generally poor at
spontaneously exploiting HOB; evidence-based guidance on ”turning an ear to
hear” and training for hearing-impaired listeners would help them with the
far-too-often poor acoustical accessibility of social settings. Jelfs et al. (2011) Hear.Res. 275(1-2), 96-104.
Culling et al. (2012) Ear&Hear. 33(6), 673-682.
Grange & Culling (2016a) JASA 139(2), 703-712.
Grange& Culling (2016b) JASA 140(6), 4061-4072.
Grange et al. (2017a) JASA-EL 142(5), EL484-489.
Grange et al. (2017b) ISAAR 2017 proceedings (in print).
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Chair(s) : |
O. Macherey, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, 13453, Marseille, France |
M. Lavandier, Univ Lyon, ENTPE, Laboratoire Génie Civil et Bâtiment, 69120, Vaulx-En-Velin, France |
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La Réduction de Bruit et le Relèvement Spatial du Masquage de la Parole
G. Hilkhuysen, T. Green, S. Rosen, M. Huckvale
[Résumé]
Les malentendants souffrent d’une réduction d’intelligibilité de la parole, particulièrement en présence du bruit. Pourtant, même les malentendants peuvent profiter d’une augmentation d’intelligibilité, lorsque la cible et le bruit sont séparés spatialement. Ce phénomène est connu sous le nom de ërelèvement spatiale du masquage de la parole’. De plus, de nombreuses méthodes ont été conçues afin de réduire le bruit coexistant, tout en améliorant la perception de la parole. Ces algorithmes de réduction de bruit sont actuellement omniprésents dans les appareils auditifs. Néanmoins, peu est encore connu de leurs effets sur le relèvement spatial.
Dans cette contribution, nous présentons les résultats d’une recherche qui se focalise sur la réduction de bruit et le relèvement spatial du masquage. Les participants ont été confrontés aux signaux binauraux traités par un algorithme de réduction de bruit en simulant plusieurs situations acoustiques réelles : une cantine, une classe d’école, une salle de réunion et une chambre anéchoïque. Il est montré que cet algorithme nuit au relèvement spatial. Nous présentons également des prédictions des effets des algorithmes sur le relèvement spatial par des métriques d’intelligibilité de la parole, au but d’optimaliser les algorithmes, c’est-à-dire d’augmenter au lieu de diminuer le relèvement spatial du masquage de la parole.
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Développement d’un modèle binaural de prédiction de l’intelligibilité de la parole dans le bruit pour des auditeurs malentendants
T. Vicente, M. Lavandier, J. Buchholz
[Résumé]
Un modèle binaural est proposé dans le but de prédire l’effet de l’audibilité des signaux sonores, chez des auditeurs normo-entendants et malentendants, sur le seuil de réception de la parole (SRT) en présence de sources de bruits non-stationnaires, et sur le démasquage spatial observé lorsque ces sources sont simulées à des positions différentes de la parole cible. Le modèle est basé sur celui proposé par Collin et Lavandier (2013). Désormais, l’audiogramme de chaque auditeur est une donnée d’entrée du modèle qui est prise en compte pour calculer des prédictions individuelles. Le modèle utilise le signal de parole cible et les signaux des masqueurs à chaque oreille pour calculer la différence de niveau et de phase interaurale (ILD et ITD). Le rapport signal sur bruit (SNR) à la meilleure oreille et l’avantage dû au démasquage binaural sont ensuite calculés, par bande de fréquence et intervalle de temps, avant de prédire un SNR ëbinaural’ global comparable à des mesures de SRT.
Le modèle a été utilisé pour décrire les résultats d’une expérience menée avec des auditeurs normo-entendants et malentendants. Cette expérience inclut des stimuli avec différents niveaux d’audibilités obtenus en faisant varier le niveau sonore global des signaux. Ceux des malentendants sont amplifiés de façon linéaire ou non linéaire en suivant les méthodes proposés par Dillon (2012). Certains stimuli sont créés artificiellement sans ITD, cela permet d’étudier la contribution de l’écoute à la meilleure oreille dans le démasquage spatial indépendamment du démasquage binaural. Les masqueurs utilisés sont de la parole vocodée, des bruits dont l’enveloppe est modulée par un signal de parole. Les deux sources de bruit de l’expérience sont disposées soit au même endroit que la source cible, en face de l’auditeur (0∘), soit séparées à +90∘ et -90∘. Les performances du modèle sont évaluées en termes de corrélation et d’erreur absolue moyenne entre mesures et prédictions.
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Comparison of 3D audio reproduction systems for hearing devices evaluation
V. Durin, L.S.R. Simon, H. Wüthrich, N. Dillier
[Résumé]
The use of Higher Order Ambisonics (HOA) and Vector-Based Amplitude Panning (VBAP) for hearing devices evaluation in an anechoic environment has been discussed in past studies [Oreinos et al. 2016, Grimm et al. 2015]. However, no comparison of these systems using hearing aids has yet been conducted in a real room at the sweet spot and for off-centered positions. The directivity of hearing devices beamformers was compared for HOA, VBAP, Distance-Based Amplitude Panning (DBAP), and Multiple-Direction Amplitude Panning (MDAP) at the center of the system, 10 centimeters off-centered, and 20cm off-centered. Measurements were conducted in two different rooms with two different loudspeaker setups. Results show that at the center, 5th order Ambisonics and VBAP give results closer to that of real sources than 3rd order HOA, MDAP, and DBAP. When getting away from the center, the performance of 5th order Ambisonics and VBAP decreases and is similar to that of MDAP. A perceptual evaluation was then conducted comparing VBAP, 3rd and 5th order HOA. In this experiment, normal hearing participants, either fitted with hearing aids or unaided, were asked to localize bursts of noise in semi-random positions.
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Evaluation subjective d’un algorithme de spatialisation binaurale pour aides auditives par des sujets normo-entendants et malentendants
G. Courtois, H. Lissek, P. Estoppey, Y. Oesch, X. Gigandet
[Résumé]
Les performances des aides auditives peuvent être significativement améliorées dans des situations acoustiques complexes par l’utilisation de systèmes à microphone sans fil. La voix du/des locuteur(s) est captée par un microphone situé à faible distance de la bouche, ce qui garantit un signal exempt de bruit et de réverbération. Le signal de parole est ensuite modulé et transmis via une connexion sans fil jusqu’aux aides auditives. Bien qu’offrant une amélioration significative de l’intelligibilité de la parole, ces systèmes proposent un rendu diotique et ne permettent donc pas de restituer les informations spatiales relatives à la position du/des locuteurs. Cela engendre un sentiment d’isolation et une perception peu naturelle du son, mais aussi des difficultés à localiser et/ou identifier le(s) locuteur(s). Un dispositif assurant la localisation en temps réel du/des locuteurs a été récemment proposé. Il inclut un algorithme de spatialisation qui permet de restaurer les indices binauraux correspondant aux positions spatiales déterminées. Dans cette étude, 22 sujets malentendants ont évalué cet algorithme de spatialisation. La moitié de ces sujets disposait d’une forte expérience des systèmes à microphones sans fil. Un groupe contrôle de dix sujets normo-entendant était également inclus dans l’étude. En comparant le rendu diotique actuel avec le signal binaural résultant de l’algorithme, les sujets ont indiqué leur préférence selon différents critères et pour différents stimuli audio-visuels. Les résultats montrent que la majorité des sujets malentendants expérimentés préfère le rendu binaural dans certains scénarios, ce qui n’est pas le cas chez les sujets normo-entendants et les sujets malentendants non expérimentés.
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Coding strategies inspired by speech statistics may help mitigate the spread of excitation in cochlear implants
J. Grange, J. Culling
[Résumé]
The spread of excitation (SOE) along cochlear implants (CIs) is commonly
believed to cause CI users’ speech-in-noise intelligibility to plateau above
8 effective channels (Friesen et al., 2001). Consequently, a faithful CI
simulation should exhibit a knee point shift to lower numbers of effective
channels with increased SOE. Vocoders typically incorporate SOE by
distributing envelope contributions from activated electrodes to the same
number of carriers; however, these vocoders do not show the expected effect.
SPIRAL, a tonal vocoder (Grange et al., 2017), decouples the reconstruction
and analysis stages by using a fixed, large number of tone carriers intended
to better represent the continuous spiral ganglion.
A first study employing SPIRAL revealed the knee-point shift effect.
Increasing SOE elevated speech-reception thresholds (SRTs), but a knee-point
remained without simulated current spread, suggesting that SOE is not the
only limiter of effective channel number.
Factor analysis (FA) showed that the temporal-modulation information carried
by speech is distributed in bands whose widths grow non-monotonically with
frequency. Given spectral smearing by SOE, optimizing information
transmission must be considered in the design of CI coding strategies. A
scree plot shows that 5-7 channels should suffice to transmit the speech
information. Consequently, speech statistics may be a fundamental limiter of
effective channel number.
A second study employed FA-inspired CI-coding strategies aimed at optimizing
information transmission. Little SRT improvement beyond 5 FA-inspired
channels was found, regardless of simulated SOE. Mitigating SOE may demand
spectral warping, which may require more adaptation. A perceptual learning
experiment may help reveal the full potential of FA-inspired CI-coding
strategies.
Friesen et al. (2001) JASA 110(2), 1150-1163.
Grange et al. (2017a) JASA-EL 142(5), EL484-489.
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La fusion bilaterale chez les implantés cochléaires
N. Janssen, J. Marozeau
[Résumé]
La capacité de fusionner une information auditive arrivant aux deux oreilles
d’un auditeur normo-entendant nous semble naturelle et évidente. Toutefois,
pour un auditeur soufrant de pertes auditives cette capacité peut-être
rapidement remise en cause. Une perte de fusion bilatérale peut entrainer une
diminution de la capacité de localiser les sources sonores dans l’espace ainsi
que la perception de la parole dans un milieu bruité. Pour des personnes
portant deux implants cochléaires, l’information auditive est transmisse par
deux séries d’électrodes qui peuvent être de modèles différents et implantées
à différentes profondeurs dans la cochlée. Il est donc incertain si ces
personnes peuvent fusionner l’information venant de deux appareils différents. Une tâche objectives de fusion bilatéral a été développée et validée avec 12
normo-entendants, huit malentendants bilatéraux portant des prothèses
auditives et six implantés cochléaires bilatéraux. Cette tâche a été inspirée
par l’illusion de gamme bilatérale proposée par Diana Deutsch. Les résultats
indiquent que seulement deux implantés cochléaire sur six sont capables de
fusion bilatérale. Leurs scores sont fortement reliés avec des mesures
d’ajustement de hauteurs entre les deux oreilles. Cela suggère alors qu’afin
d’obtenir une fusion bilatérale chez les implantés cochléaires un bon
ajustement entre les deux appareils est une nécessité.
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Influence de la fréquence fondamentale sur la fusion binaurale
J. Clarke, G. Hilkhuysen, O. Macherey
[Résumé]
Les patients implantés cochléaires bimodaux portent un implant cochléaire (IC)
dans une oreille et une aide auditive (AA) dans l’autre oreille. L’audition
résiduelle concerne le plus souvent les basses fréquences (BF), qui sont par
ailleurs mal transmises par l’IC. Pour mieux comprendre comment les patients
bimodaux peuvent combiner les informations électrique HF et acoustique BF et
en quoi la fréquence fondamentale des sons influe sur cette fusion, nous
cherchons ici à valider un protocole expérimental avec des participants normo-
entendants (NE).
Deux complexes harmoniques, un contenant les BF (associées à ce que
transmettrait l’AA) et l’autre les HF (simulant l’information transmise par
une électrode) sont présentés simultanément et sont modulés en fréquence. Dans
une tâche adaptative de type 3I, 2AFC, le sujet doit détecter l’intervalle
dont les modulations de fréquence sont incohérentes (modulation est en
opposition de phase). Les seuils de profondeur de modulation étaient mesurés
dans 4 conditions distinctes : les deux complexes harmoniques étaient
présentés soit dans une seule oreille (cas monaural) soit dans deux oreilles
(cas binaural), et les fréquences fondamentales (F0) des deux complexes
étaient soit égales, soit différentes.
Les données préliminaires suggèrent qu’il est plus facile de détecter
l’incohérence de modulation lorsque les complexes ont la même F0 (en accord
avec Carlyon et al. 1992 pour le cas monaural). Dans le cas binaural, les
seuils de profondeur de modulation sont plus élevés, suggérant une fusion plus
difficile des composantes BF et HF entre les deux oreilles. Avec des F0
différentes, la majorité des participants n’ont pas réussi à effectuer la
tâche. Ces résultats semblent indiquer un avantage à avoir la même F0 entre
les deux oreilles pour fusionner les informations et ce, même si les complexes
sont présentés dans des régions fréquentielles distinctes.
Les implications de ce résultat pour les stratégies de stimulation des
implants bimodaux ainsi que des premières données obtenues chez des
malentendants implantés bimodaux seront présentées.
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'Qu'entend un implanté cochléaire?'
C. Karoui, C. James, M. Marx, O. Macherey
[Résumé]
Nous cherchons ici à mieux comprendre ce qu’entend réellement un implanté
cochléaire afin d’obtenir un équivalent acoustique de la stimulation
électrique.La complexité de la cochlée et le nombre limité des régions
fréquentielles stimulées par les électrodes induit un non-respect de la
transmission d’une information fréquentielle strictement selon la carte
tonotopique théorique induisant un décalage fréquentiel.
Une expérience de comparaison qualitative de sons a été
établie. 9 patients SSD-IC ont été inclus.
Sur 8 blocs, le sujet effectuait une tâche de comparaison à choix forcé
durant 36 essais. Chaque essai était composé de deux intervalles
consécutifs. Dans le premier intervalle, le sujet entendait une phrase
uniquement via son implant suivi de la même phrase traitée par une première
simulation acoustique via son oreille saine. Dans un deuxième intervalle, le
sujet réentendait la même phrase via l’implant mais suivi d’une deuxième
simulation acoustique. Pour chaque essai, le sujet devait indiquer laquelle
des deux simulations acoustiques proposées ressemblait le plus à la phrase
transmise via l’implant.
Les deux simulations acoustiques différent suivant le type de vocodeur
utilisé ousuivant le décalage fréquentiel induit. Le but étant d’identifier
quel simulateur ressemblait le plus à ce que les implantés perçoivent et si
le décalage fréquentiel avait également un impact perceptif.
Les résultats indiquent une préférence significative pour la simulation
acoustique PSHC développée par Hilkhuysen et Macherey(2014) par rapport
aux autres simulations. Cependant, de fortes différences inter-individuelles
dans les préférences ont également été observées.
Enfin, la simulation de la perception d’un décalage fréquentiel est en
faveur du moindre mismatch (i.e. Le patient semble s’être habitué à ce
décalage) pour 4/9 des sujets. Ces derniers ont significativement préféré
les simulations acoustiques sans décalage fréquentiel à celles d’un décalage
d’une octave. Ces résultats seront expliqués par les CT-SCANS post-chirurgie
pour 6/9 des sujets.
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Chair(s) : |
C. Vergez, LMA, CNRS, UPR 7051, F-13453, Marseille Cedex 13, France |
F. Silva, Aix Marseille Univ., CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, 13453, Marseille Cedex 13, France |
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Formulation analytique de la pression interne d'un modèle idéalisé d'instrument conique à anche
T. Colinot, J. Kergomard
[Résumé]
En termes de production du son, les instruments coniques à anche, dont les saxophones, les bassons et les hautbois, sont un sujet peu documenté, notamment vis-à-vis de leurs homologues cylindriques comme les clarinettes. Une analogie de fonctionnement avec les instruments à cordes frottées a été formulée par plusieurs auteurs, et dans le cadre d’une approximation géométrique du résonateur tronconique consistant à le remplacer par deux résonateurs cylindriques en parallèle, souvent appelée ”saxophone traversier”, il est possible de retrouver pour les instruments à anche la solution analytique bien connue du mouvement de Helmholtz. La pression interne apparaît alors comme un signal rectangulaire. En s’inspirant de résultats formulés sur les instruments à cordes frottées par Lawergren (Lawergren B., Acta Acustica united with Acustica, 1980), cette étude propose une nouvelle forme d’onde analytique continue pour la pression interne à l’entrée du résonateur d’un instrument conique. Le raisonnement repose sur la satisfaction de conditions fondamentales d’ordre physique, et permet également de formuler une nouvelle approximation de la fréquence de jeu d’un instrument conique, à comparer à des approximations analytiques existantes. Les résultats analytiques montrent une bonne adéquation avec des signaux de synthèse issus d’un modèle idéalisé, en particulier lors de l’épisode d’anche battante caractéristique du premier registre des instruments coniques à anche.
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Ability of a one-DOF lip model to predict some aspects of human trumpet performance
V. Fréour, L. Velut, H. Masuda
[Résumé]
In this study the ability of a simple lip model to reproduce the behavior of a
human trumpet player is evaluated through comparisons between numerical
simulations and measurements. A model of the {player-instrument} system is built
from a simple one-degree-of-freedom lip model, non-linearly coupled to the
instrument described by its acoustic input impedance. Multiple sound simulations
are performed and compared to results obtained from playing measurements (in-vivo
measurements) with respect to some acoustic descriptors. Analysis of two trumpet
models show good agreement between simulations and measurements, with regards to
the differences between instruments, supporting the relevance of this simple
model to predict some attributes of a human performance. One long-term objective
of this work is to support the design process of new instruments by providing
some numerical tools that allow to predict the dynamic response of the {player-
instrument} system from instrument design specifications.
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L’analyse de stabilité linéaire pour évaluer la facilité d’émission des cuivres - Etude comparative de trombones ténor et basse
J. Gilbert, L. Leblanc, C. Vergez
[Résumé]
Les cuivres en situation de jeu peuvent être modélisés par des systèmes dynamiques. Une première étape classique d’analyse de tels systèmes est l’analyse de stabilité linéaire (ASL). Cette analyse donne une information pertinente sur le comportement global du cuivre en situation de jeu. D’une certaine manière, elle permet d’évaluer la facilité d’émission en associant la note la plus facile à jouer au minimum local de la pression de seuil donnée par ASL, le paramètre de contrôle étant la fréquence de résonance mécanique des lèvres caractérisant le masque du musicien. Ce travail propose une analyse comparative d’un trombone ténor et d’un trombone basse, par l’approche théorique de l’ASL d’une part, par l’approche expérimentale d’autre part (utilisation d’une embouchure instrumentée pour mesurer les pressions de seuil). Les deux trombones se distinguent essentiellement par une perce moyenne différente, petite pour le ténor (rayon 12 mm) et plus grande pour le basse (rayon 13.5 mm). Il est vérifié que le trombone ténor est plus facile à jouer pour les notes aigues.
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Les cuivres, un problème classique de dynamique non linéaire ?
J. Gilbert, S. Maugeais, C. Vergez
[Résumé]
Les cuivres en situation de jeu peuvent être modélisés par des systèmes dynamiques. Pour cela il suffit d’adapter le modèle physique élémentaire à 3 équations. Le cuivre (oscillateur acoustique) couplé aux lèvres vibrantes (oscillateur mécanique) via l’écoulement, est décrit par son impédance d’entrée représentée par une superposition de modes. Les cuivres peuvent donc être étudiés avec les outils classiques de la dynamique non linéaire. Si une première étape classique d’analyse de tels systèmes est l’analyse de stabilité linéaire (ASL), le calcul de diagrammes de bifurcation restait à faire. Nous proposons ici une première étude s’appuyant sur l’utilisation de la bibliothèque AUTO, outil de continuation et d’analyse des bifurcations reposant sur la collocation orthogonale. Des résultats préliminaires provenant de l’analyse d’un bichromateur à anche simple ont permis d’évaluer la pertinence de l’outil AUTO.
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Modélisation physique, simulation à bilan de puissance garanti et examen de régimes d'un appareil vocal simplifié
F. Silva, T. Hélie
[Résumé]
Nous proposons ici une modélisation minimale d’appareil vocal garantissant un bilan de puissance équilibré. L’approche retenue est celle des systèmes
Hamiltoniens à ports qui met l’accent sur les transferts internes et externes de puissance. La modularité de ce formalisme facilite l’interconnexion de composants
élémentaires (ici les plis vocaux, l’écoulement glottique et le conduit vocal) tout en garantissant la passivité de l’ensemble.
Une attention particulière est portée à la non-linéarité responsable de la phonation : l’écoulement glottique entre les plis vocaux en mouvement. Une extension
des travaux de Lopes et Hélie (CFA 2014, Acta Ac. United with Acustica 2016) permet d’aborder le cas asymétrique. Un schéma de simulation numérique du
modèle préservant le bilan de puissance est ensuite exploité pour examiner des configurations représentatives de voix saines et pathologiques. On illustre par
exemple les échanges énergétiques en présence de plis vocaux asymétriques. Dans un dernier temps, on examine les seuils de phonation et les régimes
d’oscillation auxquels ce modèle minimal peut donner naissance.
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Chair(s) : |
H. Lissek, Laboratoire du Traitement du Signal 2, 1015, Lausanne, Suisse |
J. Fortineau, GREMAN UMR7347 CNRS, U.Tours, INSA-CVL, 41000, Blois, France |
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Modélisation numérique du rayonnement acoustique en milieu ouvert en fluide thermovisqueux
N. Joly, S. Durand, P. Honzik
[Résumé]
En complément des effets de propagation, les effets de diffusion liés à la viscosité et à la conduction thermique du fluide doivent être pris en compte dans certains modèles, en particulier pour les dispositifs de petites dimensions. Des outils de modélisation de l’acoustique en fluide thermovisqueux, basés sur la méthode des éléments finis, sont aujourd’hui disponibles et utilisés par exemple pour l’étude de transducteurs acoustiques miniatures. Si ces outils sont adaptés à la modélisation de domaines fluides bornés, tels qu’une cavité de couplage ou une cavité arrière, la prise en compte en fluide thermovisqueux d’une condition de rayonnement en face avant de membrane, ou à l’extrémité d’un évent, reste délicate dans les modèles numériques. La solution qui est généralement retenue consiste à mailler un domaine fluide borné et à appliquer une condition à la limite approchée sur sa frontière externe, ce qui rend compte de façon plus ou moins approximative des conditions de rayonnement du point de vue du dispositif, et ne permet pas de décrire finement le champ rayonné en espace ouvert. Dans un modèle en éléments finis, la représentation intégrale du champ permet de rendre compte de la condition de rayonnement en espace ouvert, en considérant la seule composante acoustique du champ en dehors des couches limites thermovisqueuses. Dans le modèle, le calcul des intégrales ne pose pas de difficulté, mais l’usage de la représentation intégrale nécessite certaines précautions pour son implémentation dans un code FEM. Les potentialités de l’utilisation de cette technique sont présentées, en particulier pour la modélisation fine de dispositifs métrologiques, ainsi qu’une application illustrée à partir d’un exemple bi-dimensionnel.
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Modélisation analytique et numérique d'un microphone capacitif miniature à membrane carrée et couche de fluide arrière comportant une discontinuité d'épaisseur
M. Bruneau, P. Honzik, S. Durand, N. Joly
[Résumé]
Ces travaux portent sur la mise au point d’un modèle de microphones capacitifs miniatures (MEMS) à sensibilité élevée en regard des dimensions de ses composants, modèle qui soit fiable sur toute l’étendue du domaine de fréquences couvert par le capteur. Dans ce contexte, un microphone à membrane carrée et à contre-électrode de dimensions réduites, qui permet de loger le ”petit réservoir” à l’arrière de la membrane à la périphérie de l’électrode afin de réduire l’encombrement global sans réduire la sensibilité, fait l’objet d’une étude analytique dont la précision tend à répondre aux exigences de certaines applications. Le champ de déplacement modal de la membrane doit tenir compte de la discontinuité de charge à l’arrière pour permettre d’interpréter avec précision le comportement du capteur sur toute l’étendue du domaine de fréquences couvert : c’est ainsi que ce champ de déplacement est exprimé sur une base de fonctions propres orthogonales qui sont modélisées par ”morceaux” compatibles avec la discontinuité d’épaisseur arrière et reliés entre eux par des conditions d’interfaces adaptées. Le champ de pression et de vitesse particulaire acoustique dans l’espace inter-électrodes est quant à lui modélisé sur la base du formalisme intégral de l’acoustique en fluide thermo-visqueux ; la fonction de Green retenue est connue d’une façon analytique qui évite l’usage de développements modaux mal adaptés aux couplages du champ acoustique arrière avec le champ modal de la membrane. Enfin, le champ de pression acoustique dans le ”petit réservoir” est supposé uniforme. Les résultats analytiques pour la déformée de la membrane et la sensibilité du microphone sont présentés et discutés en regard des résultats numériques obtenus par une méthode d’éléments finis qui a fait ses preuves par ailleurs.
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Effets de la température sur les propriétés électro-mécaniques d’un microphone capacitif et de son préamplificateur
T. Lavergne, C. Guianvarc’H, L. Risegari, P. Honzik, R. Gavioso
[Résumé]
Les microphones capacitifs sont en général conçus pour fonctionner en conditions atmosphériques. Les modèles associés devraient être applicables hors de ces conditions, mais les validations expérimentales en restent limitées. De plus, ces modèles n’intègrent pas les effets de la température sur les propriétés de la membrane, ni sur le préamplificateur. Ainsi, il est difficile aujourd’hui de prévoir avec précision le comportement de ces microphones à des températures éloignées de 20∘C. Ceci pose problème notamment dans les méthodes acoustiques associées à la thermométrie primaire pour redéfinir l’échelle internationale des températures. Dans ces méthodes, la température thermodynamique est déduite de la vitesse du son mesurée dans un gaz noble en cavité. Les capteurs et sources acoustiques utilisés sont des microphones capacitifs du commerce dont le comportement doit alors être bien compris dans une large gamme de températures. La technique de la grille d’entraînement a déjà permis d’apprécier l’influence de la nature et de la pression du gaz sur le comportement de microphones. L’objectif principal du présent travail est de caractériser, avec cette même technique, les effets de la température sur les propriétés électro-mécano-acoustiques d’un microphone capacitif, afin de pouvoir intégrer ces nouveaux paramètres dans des modèles existants ou à prévoir. La grille d’entraînement fournit à la membrane une excitation d’origine électrostatique et permet donc de caractériser son comportement mécanique dans le vide. La technique de la tension insérée permet, elle, d’isoler et d’analyser la contribution du préamplificateur dans la réponse globale du microphone à la grille d’entraînement. Le banc de mesure utilisé ici permet de travailler en hélium, argon et sous vide, de 100K à 300K. Les retombées à prévoir sont, entre autres, la consolidation de bases théoriques et expérimentales pour la compréhension, l’étalonnage et la conception de transducteurs acoustiques dédiés à de nouveaux besoins.
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Dimensionnement d’un dispositif d’excitation acoustique pour veine d’essais aéroacoustiques
J.C. Le Roux, P. Herzog, J. Golliard
[Résumé]
Le CTTM conçoit, pour le compte de l’Université du Mans, une veine aéro-acoustique dédiée à l’étude des traitements acoustiques présents dans les nacelles d’avion. Cette veine doit posséder un dispositif d’excitation permettant un pilotage de la mesure mode par mode tout en assurant un niveau sonore très élevé. La conception de ce dispositif d’excitation acoustique a été effectuée en plusieurs étapes. Premièrement une analyse du cahier des charges a été faite pour définir une spécification des sources unitaires et un protocole de test associé qui utilise une veine de petite section. Cette étape a permis de choisir le type, le nombre, et le mode de montage des sources unitaires. Dans un second temps, nous avons cherché à optimiser le positionnement des sources unitaires sur la veine de manière à avoir un pilotage des modes le plus efficace possible. La démarche a consisté à maximiser le couplage acoustique entre les sources et les modes de la veine. Un premier choix de positions jugées favorables a d’abord été établi sur la base de critères simples et a intégré les contraintes pratiques d’implantation des sources. Une vérification des performances potentielles du dispositif a ensuite été réalisée en analysant la matrice des transferts modaux correspondante. l’exposé illustrera cette démarche par quelques exemples, en insistant sur les compromis nécessaires pour gérer des contraintes souvent contradictoires.
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Tenue aux radiations de capteurs ultrasonores haute fréquence dédiés à la mesure de distance au sein de réacteurs à haut flux
M. Chrifi Alaoui, Y. Calzavara, E. Le Clézio, G. Despaux
[Résumé]
Ce travail s’inscrit dans la continuité d’une étude décrite lors du CFA 2016
sous l’intitulé Caractérisation ultrasonore par capteur multiphysique haute
fréquence au sein de réacteurs. Il vise au développement d’un système de
mesure de distance inter-plaque au sein de réacteurs de recherche. Ce
paramètre est en effet essentiel à l’évaluation de modifications
micrométriques de l’élément combustible (gonflement, couche d’oxyde...) et
devrait, à terme, être relié à son historique de vie.
Une première étape a permis de réaliser un dispositif ultrasonore et de
confirmer la faisabilité de mesures in-situ haute résolution. L’étude
présentée ici vise, dans une stratégie de fiabilisation du dispositif, à
quantifier la tenue aux radiations des composants du capteur et des
connectiques. Douze dispositifs ultrasonores ont donc été réalisés et
soumis, conjointement avec des échantillons des constituants des capteurs, à
une expérimentation d’irradiation. Celle-ci s’est déroulée pendant trois
mois dans une cellule d’irradiation gamma à l’Institut ARC-Nucleart de
Grenoble. La dose de rayonnement reçue par les composants est de 3.5 MGray
correspondant à 10 heures de fonctionnement continu du capteur au contact de
plaques combustibles post-irradiation.
Un suivi continu, à distance, de la réponse des dispositifs a été élaboré,
via un système électronique représentatif des conditions expérimentales des
mesures in-situ. Une étude précise de l’évolution de leurs caractéristiques,
incluant fréquence centrale et amplitude des signaux, sera présentée.
Néanmoins, une première analyse des résultats démontre que les dispositifs
ont maintenu leur fonctionnement tout au long de l’irradiation, prouvant la
robustesse des capteurs développés. Dans un second temps, les évolutions
observées seront corrélées aux variations de sensibilité des dispositifs
pour envisager une mise en situation dans un élément combustible autorisant
une imagerie in-situ du canal d’eau assurant le refroidissement.
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Imagerie par Microscopie Acoustique Haute Résolution de l’Interface Pastille-Gaine dans un Crayon Combustible
H. Saikouk, D. Laux, E. Le Clézio, B. Lacroix, K. Audic, R. Largenton, E. Federici, G. Despaux
[Résumé]
Les crayons combustibles au sein des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) sont
constitués de pastilles de céramique (UO2 ou MOX) empilées dans des gaines en
alliage de zirconium. Avant l’irradiation, il existe un jeu de fabrication
entre les pastilles et la gaine de l’ordre d’une centaine de microns, mais au
cours de l’irradiation, ce jeu est rapidement réduit ou totalement rattrapé du
fait des différentes déformations que les pastilles et la gaine subissent. La
nature du contact entre la pastille et la gaine n’étant pas homogène, une
caractérisation, non destructive, fine et locale à haute résolution (10 µm),
avec une distribution axiale, azimutale et également radiale, est nécessaire
pour mieux connaître l’état du crayon en fonction du taux de combustion.
C’est dans ce contexte que nous réalisons à l’Institut d’Electronique et des
Systèmes de l’Université de Montpellier grâce à une collaboration avec le
Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, un microscope
acoustique haute résolution destiné à terme à être introduit dans une cellule
de haute activité au LECA-STAR à Cadarache. Ce microscope, possédant un
transducteur ultrasonore avec une lentille de focalisation, est adapté à
l’analyse de l’interface Pastille-Gaine et permettra d’imager la face interne
de la gaine d’un crayon irradié depuis la surface, pour déterminer la présence
et la nature d’un contact à une échelle de quelques dizaines de microns. Ce
papier présentera ce nouveau type de microscope et les premiers résultats
obtenus en laboratoire.
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Un transducteur acoustique directif dont la direction de propagation dépend de la fréquence, pour les ondes de Lamb dans les plaques minces
S. Karkar, M. Collet, J. Grando
[Résumé]
De nombreuses applications en contrôle non destructif, surveillance de structures, ou encore pour le nettoyage de surfaces, nécessitent une localisation particulière des ondes utilisées pour sonder un système. Que ce soit pour interroger une zone précise de la structure, ou pour obtenir une concentration en énergie suffisante, par exemple pour révéler des défauts peu lisible dans le domaine linéaire, la possibilité de localiser les ondes, et de choisir le lieu de cette localisation est important. Dans ce cadre, le développement de transducteurs directifs est alors d’un intérêt majeur. Basé sur le plan de Fourier, on propose d’appliquer une méthode de design de transducteurs piezoélectrique pour la génération d’ondes de Lamb dans les plaques mince, possédant une directivité élevée, et dont la direction principale est pilotée en fréquence (frequency-steerable acoustic transducer, ou FSAT). Après avoir exposé la méthodologie, on proposera des simulations numériques par éléments finis de façon à estimer le caractère directif des transducteurs obtenus, ainsi que les niveaux énergétiques atteignables en pratique.
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Calcul de flux d’énergie par méthode numérique pour les ondes élastiques guidées
T. Laroche, A. Clairet, T. Baron
[Résumé]
Quel que soit le domaine d’application des transducteurs électroacoustiques, la nécessité
d’augmenter leurs performances est résolument présente et ce aussi bien pour les configurations
fondés sur la propagation des ondes élastiques de surface (SAW) que de volumes (BAW). Ceci
répond entre autres aux marchés émergeants des objets connectés ainsi qu’aux nouvelles
exigences du domaine des communications.
Les outils numériques de conception permettent actuellement d’investiguer un large spectre de
pistes d’optimisation. La géométrie des électrodes,
leur agencement, la nature du métal ou encore dans le choix des matériaux piézoélectriques sont
classiquement considérés lors des étapes de design[1].
Cependant, certains phénomènes physiques ne sont pas systématiquement considérés mettant en
périle la robustesse de la conception.
Nous présentons dans ce travail les effets du beam steering (différence de
direction de propagation entre le flux d’énergie et le vecteur d’onde) sur les performances des
transducteurs[2]. En effet, si ils sont bien connus pour les matériaux monolithique, le cas des
structures dispersives voire des réseaux d’excitation n’ont fait l’objet que de très peu de
développements théoriques.
Nous proposons ici de généraliser la formulation du vecteur de Poynting dans les matériaux
piézoélectriques homogènes aux structures multicouches en tenant compte de la structure
d’excitation. À cette fin, nous définisson une méthode numérique établie à partir de l’analyse
éléments finis (FEA) du système élastique étudié. Nous présentons par ailleurs des résultats
expérimentaux sur les effets du beam steerring au sein d’un transducteur électroacoustique qui
permettent de valider la théorie. Ce développement est enfin déployé pour l’analyse et la conception
de résonateurs BAW dédiés à la métrologie et de transducteurs SAW pour des applications RF dans
le domaine des capteurs passifs
et de l’identification à distance d’objets. Références : [1] T. Laroche et al., ”Progress in Theoretical and Numerical Tools Devoted to
Understanding of Acoustic Devices Behavior”, Mechanical engineering, 2013/08/28 [2]W. Steichen, et al., ”Composants acoustiques utilisés pour le filtrage” Techniques de l’ingénieur,
2008/02/10
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Chair(s) : |
J. Fortineau, GREMAN UMR7347 CNRS, U.Tours, INSA-CVL, 41000, Blois, France |
E. Le Clézio, Université de Montpellier - IES, 34095, Montpellier, France |
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Développement et validation d'une métasurface acoustique orientable large-bande composée de résonateurs électroacoustiques actifs
H. Lissek, E. Rivet, T. Laurence, R. Fleury
[Résumé]
Nous proposons un concept de métasurface acoustique orientable en réflexion, effective sur une large bande de fréquences, à l’aide de cellules actives. La métasurface est composée d’un réseau de haut-parleurs petits devant la longueurs d’onde, dont l’impédance acoustique peut être programmée par contrôle actif afin d’ajuster la phase du coefficient de réflexion en tout point de la métasurface. La stratégie de contrôle s’inspire des Résonateurs Electroacoustiques Actifs, utilisant un asservissement du transducteur en courant, basé sur une captation microphonique devant sa membrane, permettant d’obtenir une large gamme d’impédances acoustiques sur un même haut-parleur.
Ce papier présente la méthodologie de dimensionnement des Résonateurs Electroacoustiques permettant d’obtenir un angle de réflexion prédéfini pour une incidence donnée, et des validations numériques et expérimentales permettent de vérifier les performances du concept. L’aspect large-bande du contrôle sera en particulier discuté.
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Estimation de paramètres d'un haut-parleur électrodynamique non linéaire
D. Bouvier, T. Lebrun, T. Hélie, D. Roze
[Résumé]
Le haut-parleur électrodynamique est un système multi-physique. Sa modélisation est en première approximation décrite par le modèle linéaire de Thiele et Small (T&S). Toutefois, la pratique expérimentale montre plusieurs limites sévères de ce modèle : suspension non linéaire raidissante, phénomènes de couplage électro-mécanique non linéaires, effets hystérétiques ou de mémoire longue, etc. De nombreux travaux visent à modéliser ou identifier ces phénomènes complexes via des méthodes adéquates et parfois sophistiquées. Cet article présente une estimation des paramètres d’un modèle de haut-parleur incluant deux phénomènes non linéaires : le comportement de la suspension et le couplage électro-mécanique. L’estimation repose sur une méthode robuste et récente de séparation par ordre homogène des termes composant une série de Volterra. Il est alors possible d’extraire la réponse du système linéarisé (qui suit un modèle de T&S classique), puis d’en estimer les paramètres en appliquant des méthodes traditionnelles adaptées aux représentations d’état (linéaires). Les contributions non linéaires de la représentation d’état sont ensuite calculées à partir des termes d’ordres supérieurs et des paramètres de T&S estimés. La méthode est appliquée à un haut-parleur de type woofer, et les paramètres linéaires du modèle estimé sont comparés à ceux donnés par le constructeur. Les courbes caractéristiques de la suspension et du couplage électro-mécaniques sont présentées, et leur déviation par rapport au comportement linéaire est discutée.
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Caractérisation de l’impédance de charge mécanique d’un transducteur à conduction cartilagineuse à partir de la mesure de son impédance électrique
Y. Pène, R. Liupekevicius Carnielli, J. Dury, J. Rosier
[Résumé]
Dans le sillage du développement systèmes de communication à conduction
osseuse, certains fabricants s’intéressent désormais à la réalisation de
système d’écoute à conduction cartilagineuse. Contrairement à la conduction
osseuse où il existe des mastoïdes artificielles dotées de capteur de force,
il n’existe aucun moyen de mesurer objectivement la réponse d’un transducteur
avec une impédance de charge mécanique correspondant à une zone cartilagineuse
comme le tragus. Il n’existe pas non plus de modèle électro-acoustique
permettant de simuler la charge appliquée à un transducteur positionné sur une
telle zone. L’objectif de ce travail est l’implémentation d’une méthode
permettant de mesurer l’impédance complexe de charge mécanique du transducteur
à partir d’une simple mesure de son impédance électrique, avec et sans charge
[2]. L’approche choisie permet notamment des conditions de mesures identiques
à celle d’utilisation du système. Les mesures sont ensuite effectuées sur un
ensemble d’individus permettant la constitution d’une base de données. La
variabilité de la fonction mesurée est ensuite étudiée selon des critères tels
que l’âge, le sexe, le pourcentage de masse graisseuse ou après positionnement
et repositionnement du système d’écoute. Enfin, un modèle électro-acoustique
basé sur des critères physiques ainsi que sur les différentes mesures
effectuées est proposé. Les différents résultats obtenus seront ensuite mis en
relation avec ceux d’une étude permettant une mesure objective du son perçu en
conduction cartilagineuse.
[1] Nishimura T, Hosoi H, Saito O, Miyamae R, Shimokura R,
Yamanaka T, et al.
Cartilage Conduction Is Characterized by Vibrations of the Cartilaginous
Portion of the Ear Canal. PLoS ONE 10(3): e0120135, 2015.
[2] Doutres O., Dauchez N., Genevaux J.M., Lemarquand G., On
the use of a
loudspeaker for measuring the viscoelastic properties of sound absorbing
materials, J. Acoust. Soc. Am., 124 (6), EL335-EL340, 2008.
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Caractérisation microrhéologique ultrasonore de produits cosmétiques par analyse multifréquence
V. Gauthier, S. Serfaty, J.-Y. Le Huérou
[Résumé]
Les produits cosmétiques sont des matériaux combinant plusieurs liquides immiscibles, dans lesquels sont dispersées des macromolécules, tels des surfactants, des gélifiants, ou des épaississants, permettant de modifier leurs structures internes, au travers par exemple des tensions de surfaces, du mécanisme de coalescence, etc. Ceci implique des changements dans leurs propriétés viscoélastiques, à échelles microscopique et macroscopique, mais aussi dans leur stabilité et leur apparence. Ainsi un contrôle précis de l’évolution de la structure, basée sur les propriétés viscoélastiques à échelle mésoscopique est envisageable pour ces fluides complexes. L’étude proposée ici, présente le suivi de grandeurs caractéristiques de la viscoélasticité de matières molles en utilisant des ondes de cisaillement ultrasonores dont les fréquences vont de 5MHz à 45MHz. La technique microrhéologique utilisée, fait appel à un quartz de coupe AT pour générer des contraintes de cisaillement microscopique par propagation d’onde dans le fluide complexe en contact avec le capteur. Les propriétés mécaniques du matériau sont extraites de l’impédance du quartz autour de ses résonances, au travers du module complexe de cisaillement. Différents matériaux ont été étudiés pour valider cette investigation multi-échelle : des émulsions huile/eau dont la taille et la concentration des micelles varient, ainsi que des gels de silice en formation. Les premières font apparaitre une dépendance en fréquence du module de cisaillement en loi de puissance, dont l’exposant varie de 0,83 à 0,96, ce qui correspond aux résultats de la littérature compris entre 0,5 et 1. Les seconds permettent de mettre en évidence la continuité de cet exposant au cours de la formation d’un sol gel, depuis son état Newtonien à son état très élastique. Cette étude démontre que les produits cosmétiques peuvent être caractérisés aisément par la microrhéologie multifréquence, qui pourrait être utilisée en ligne pour leur optimisation en amont de la production.
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Chair(s) : |
E. Le Clézio, Université de Montpellier - IES, 34095, Montpellier, France |
H. Lissek, Laboratoire du Traitement du Signal 2, 1015, Lausanne, Suisse |
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Impact des propriétés viscoélastiques de la couche de passivation d'un CMUT
M. Hery, A. Boulme, D. Certon
[Résumé]
Les transducteurs capacitifs micro-usinés (ou CMUT) sont une alternative
prometteuse aux technologies piézoélectriques pour la réalisation des
réseaux multi-éléments, dédiés à l’imagerie ultrasonore. La modélisation de
ces technologies est une phase clé des étapes de fabrication de ces
dispositifs. Cette phase de conception permet en effet de lancer la
fabrication des masques de photolithographie nécessaires aux différentes
phases de micro-gravure des transducteurs CMUT. Nous avons mis en place une stratégie de modélisation dite multi-échelle où
l’on peut déterminer la réponse électroacoustique complète d’un réseau de
sources CMUT. Aujourd’hui, ce modèle ne tient pas compte de la couche de
passivation (matériau polymère de type silicone, viscoélastique) utilisée
pour protéger la face du transducteur avant mais aussi pour assurer une
isolation galvanique entre le patient et la sonde. Il faut donc étendre le
modèle actuel à la prise en compte de la viscoélasticité. Le modèle développé prend en compte la présence d’un milieu semi-infini
viscoélastique par la méthode des éléments de frontière. Ce modèle repose
sur une discrétisation des équations mécaniques du CMUT par un schéma de
différences finies. L’implémentation des matrices de frontière nécessite de
connaître la fonction de Green 3D du milieu semi-infini couplé aux CMUTs. Le
calcul est mené dans le domaine des ondes planes, et l’implémentation
numérique, pour des raisons de temps de calcul et de taille mémoire, a
nécessité une ré-écriture complète sous forme vectorielle avec
parallélisation de la matrice de frontière. Nous présentons, en premier lieu, le calcul de la fonction de Green 3D avec
une confrontation avec les résultats de la littérature. Le gain en
performances numériques est comparé à d’autres méthodes d’implémentation
numérique. Enfin, nous comparons la réponse électroacoustique d’un
transducteur CMUT avec et sans prise en compte des effets de
viscoélasticité. Nous discuterons de l’impact de cette viscoélasticité sur
les modes couplage inter-CMUTs.
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Etude par Eléments Finis des effets des pertes d’un transducteur piézoélectrique soumis à des variations de température
T. Meurisse, D. Damjanovic
[Résumé]
Les transducteurs ultrasonores sont largement utilisés, notamment pour le suivi de la santé des systèmes (SHM), et le contrôle non destructif. Pour cela, un résonateur piézoélectrique met en vibration une structure pour produire les ondes ultrasonores qui serviront à l’analyse du système.
Le comportement de ces transducteurs est dépendant de leur environnement, notamment de la température. Les paramètres mécaniques des métaux (Young, Poisson), ainsi que les coefficients mécanique (compliance), diélectrique (permittivité), de couplage (piézoélectrique) et les pertes associées des matériaux piézoélectriques peuvent varier si le changement de température est important. Si la dépendance à la température de ces différents matériaux peut être indépendamment déterminée expérimentalement, l’effet sur les performances du transducteur reste à étudier.
Un transducteur simple, basé sur des données expérimentales, est étudié via Eléments Finis. Il est constitué d’un résonateur piézoélectrique (disque) collé sous une membrane en acier inoxydable. Le comportement mécanique de la colle est considéré similaire à celui de l’or. Les effets des pertes sur la première résonance de l’admittance du transducteur et sur le niveau sonore qu’il délivre sont étudiés entre 20∘C et 300∘C. Augmenter la température réduit la raideur des métaux tout en augmentant leur amortissement. Tous les coefficients du matériau piézoélectrique utilisé lors de cette étude voient leur valeur augmenter (sa raideur diminue donc) et leurs pertes varier. En particulier, les pertes diélectriques sont plus basses à 300∘C qu’à 20∘C. Cela a pour effet de diminuer la fréquence de résonance du transducteur et d’augmenter l’amplitude de son admittance, sans variation du niveau sonore à la résonance. Une erreur d’un ordre de grandeur sur l’estimation des pertes du matériau piézoélectrique a d’importantes conséquences sur l’admittance à la résonance (élastiques), l’antirésonance (élastiques, diélectriques, piézoélectriques), et hors de la résonance (diélectriques). Seule une erreur sur les pertes élastiques a un effet sur le niveau sonore généré.
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Homogénéisation de Céramiques Piézoélectriques Texturées Sans Plomb pour la Transduction Ultrasonore
A. Balé, A.-C. Hladky-Hennion, R. Rouffaud, P. Marchet, F. Levassort
[Résumé]
Aujourd’hui, les céramiques piézoélectriques sont intégrées dans de nombreux
dispositifs et en particulier pour les applications ultrasonores (sous-
marines, imagerie médicale, CND...). La plupart intègre des matériaux de type
PZT (Pb(Zr,Ti)O3) mais cela pose des problèmes sanitaires et
environnementaux dûs au plomb qu’ils contiennent. De ce fait, de nombreuses
études sont actuellement en cours pour le développement de céramiques sans
plomb (K0.5Na0.5NbO3 et BaTiO3)
qui possèderaient des propriétés électromécaniques au moins équivalentes à
la composition générique PZT. Le développement de céramiques texturées sans
plomb doit permettre d’atteindre cet objectif tout en produisant des
échantillons de grande taille. Ces matériaux peuvent être considérés de
façon assez simple comme un composite contenant trois phases : une phase
monocristalline dont la proportion augmente en fonction du taux de
texturation, une phase polycrystalline qui correspond à la matrice d’origine
et une phase poreuse (air) plus ou moins importante en fonction des
conditions de frittage. En prenant en compte ce matériau à une échelle bien
supérieure à celle de la microstructure, il est considéré comme homogène et
caractérisé par un jeu de constantes effectives. Dans ce cadre, cette étape
d’homogénéisation n’a fait l’objet que de peu d’études, et est ici abordée à
l’aide d’une méthode d’homogénéisation reposant sur la généralisation des
connexions séries et parallèles. On considère pour ce modèle un volume
élémentaire représentatif (VER) qui permet d’extraire un tenseur élasto-
électrique effectif. Parallèlement, une étude paramétrique par éléments
finis a été effectuée sur le même VER afin de corroborer les résultats
obtenus et d’explorer les limites du modèle développé. Les résultats obtenus
montrent d’une part qu’un très fort taux de texturation est nécessaire et
d’autre part que la présence de porosité n’est pas néfaste pour optimiser
les propriétés recherchées. Enfin, les propriétés théoriques de
transducteurs mono-élément (bande passante, sensibilité) intégrant ces
matériaux sont quantifiées et comparées à celles de transducteurs à base de
PZT.
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Le titanate de baryum : un matériau piézoélectrique sans plomb pour la transduction ultrasonore
R. Ul, M. Lematre, M. Pham Thi, L.P. Tran Huu Hue
[Résumé]
Le titanate de baryum BaTiO3 est historiquement un des premiers matériaux à être utilisé dans la fabrication de dispositifs piézoélectriques. Cependant il a rapidement été remplacé lors de la découverte des PZT (zirconate titanate de plomb), qui présentent des propriétés piézoélectriques supérieures. L’inconvénient dans l’utilisation de ce type de matériau est l’utilisation d’une grande proportion de plomb qui présente des risques sanitaires et pour l’homme et pour l’environnement. De plus les régulations apparues ces dernières années, comme au niveau européen REACH ou la directive RoHS, promeuvent le développement de matériaux piézoélectriques sans plomb afin de remplacer progressivement celui-ci. Ainsi un nouvel intérêt est porté au titanate de baryum.
Cette étude présente une céramique de titanate de baryum dopé dont la synthèse a été optimisé afin d’être facilement reproduite au niveau industrielle. Le dopage du matériau avec des ions cobalt permet d’obtenir une céramique piézoélectrique dure qui peut résister à de fortes contraintes électriques. De plus un codopage avec des ions Ca2+, Co2+/3+ et Nb5+, permet d’augmenter sensiblement les propriétés piézoélectriques du matériau. Ainsi un d33 > 250 pC/N est atteint ainsi qu’un kt > 45%. Enfin, des transducteurs acoustiques mono-éléments ont été fabriqués à partir des matériaux synthétisés et sont comparés à des transducteurs fabriqués avec des céramiques de PZT dur.
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A small-size ocean wave energy harvester based on inertial mass
S. Yongjie, B. Dubus
[Résumé]
In order to continuously supply electrical power to small-size ocean observation equipment such as sonobuoys, a device harvesting energy of ocean waves is proposed. It consists of two main parts: a magnet fixed to the floating case which follows the motion of the ocean surface; a moving coil and an inertial mass joined together and connected to the case via a flexible spring. Because of inertial mass and spring, a lag appears between coil/mass and case motions. Based on Faraday’s law of electromagnetic induction, a voltage is induced in the coil due to relative velocity between the coil and the magnet and kinetic energy of the ocean wave is converted into electrical energy. Compared to the traditional linear permanent magnetic generator used in offshore power plant, this device has the advantage of to be free of movement and to have a small size with respect to ocean wavelength. This energy harvesting device is first analysed based on vibration equations of a single degree of freedom system. The performance is then simulated using FEM software and circuit analysis. Finally, vibration experiments are conducted on a prototype mounted on a shaker and immersed in a water tank in order to characterize energy harvesting performance.
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Chair(s) : |
A. Lhémery |
E. Moulin, Univ. Valenciennes, CNRS, F-59313, Valenciennes, France |
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Vers la caractérisation en temps-réel des propriétés de structures planes par ondes élastiques guidées
N. Bochud, J. Laurent, D. Royer, C. Prada-Julia
[Résumé]
Les ondes élastiques guidées offrent de nombreux avantages pour le contrôle non-destructif et la caractérisation de matériaux isotropes ou anisotropes. Leur nature dispersive et multimodale est particulièrement utile lorsque l’on désire employer des longueurs d’ondes supérieures à l’épaisseur du matériau ou lorsqu’il est nécessaire de mesurer des propriétés dans le plan de la plaque. L’identification du tenseur d’élasticité requiert la résolution d’un problème inverse, souvent rendue complexe par l’extraction des données et leur comparaison avec les courbes de dispersion théoriques. Pour faire face à ces limitations, nous proposons une méthode de mesure d’ondes guidées utilisant un réseau linéaire de transducteurs contrôlé par une électronique multi-voie. Une résolution du problème inverse par algorithmes génétiques est ensuite mise en œuvre afin de retrouver de manière optimale les propriétés de la plaque. La contribution majeure de cette étude repose sur la définition d’une fonction coût construite à partir de l’équation de dispersion, permettant de prendre en compte les modes guidés d’ordre supérieur sans la nécessité d’associer les données expérimentales à un mode spécifique. Cette procédure évite le calcul des courbes de dispersion et les erreurs liées à l’identification des modes. En comparaison avec les algorithmes classiques de recherche des racines de l’équation caractéristique, le gain en temps de calcul de notre procédure est supérieur à cent. L’efficacité de la méthode est démontrée avec des données mesurées sur des plaques possédant différents types de symétrie. Les résultats obtenus montrent qu’elle permet d’estimer simultanément et en moins d’une minute le tenseur d’élasticité et la direction de propagation à partir d’une seule mesure effectuée hors-plan principal de symétrie. Un excellent accord est observé entre les propriétés estimées et des valeurs de référence. Par conséquent, cette méthode ouvre des perspectives prometteuses pour la caractérisation en temps-réel de matériaux industriels composés de structures multicouches ou fortement anisotropes.
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Caractérisation de collages structuraux par ondes SH
L. Attar, D. Leduc, M. Ech Cherif El Kettani, J. Galy, M.V. Predoi, P. Pareige
[Résumé]
Nous nous intéressons dans cette étude à l’évaluation et la caractérisation de la qualité d’adhésion dans des collages structuraux métal/adhésif/métal par ondes guidées transversales à polarisation horizontale (ondes SH). L’approche est numérique par éléments finis, et expérimentale avec excitation et réception par des transducteurs EMAT.
Les échantillons étudiés ont été réalisés avec des niveaux d’adhésion différents, obtenus par modifications de leurs propriétés adhésives (traitement mécanique et/ou chimique des surfaces métalliques) et cohésives (taux de réticulation de l’adhésif, ajout de graisse dans l’adhésif). Le modèle rhéologique de Jones a été résolu numériquement par éléments finis, permettant l’obtention des courbes de dispersion des ondes SH pour différentes constantes de raideur. La comparaison des courbes de dispersion expérimentales et numériques a permis de dégager un critère qualifiant les niveaux d’adhésion dans les différents échantillons.
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Imagerie rapide adaptative pour le contrôle non destructif par ultrasons de matériaux à géométrie complexe
N. Laroche, E. Carcreff, D. Braconnier
[Résumé]
Le but du contrôle non destructif par ultrasons est d’inspecter les matériaux
industriels sans les endommager. L’approche conventionnelle consiste à appliquer
des lois de retards dans le système électronique pour focaliser les signaux
ultrasonores sur une zone spécifique du matériau inspecté. À l’inverse, les
méthodes delay and sum (DAS) permettent de focaliser en chacun des
points de la zone de reconstruction; ce qui produit généralement des images de
meilleure qualité. Ces méthodes s’appliquent en post-traitement à partir de
signaux défocalisés. Pour chaque point de la zone inspectée, on somme les
contributions produites par des réflecteurs potentiellement localisés en ce
point dans les signaux obtenus pour chaque paire émetteur-récepteur. Ces
techniques ”temporelles” requièrent le calcul précis des temps de vol ou time
of flight (TOF). Ces temps de vol sont calculés de façon triviale dans le
cas d’une inspection en contact. Néanmoins, dans le cas de l’inspection d’une
pièce à surface complexe et inconnue, une bonne estimation du profil de surface
est essentielle à la reconstruction d’une image de qualité. Pour cela, nous
proposons une méthode de reconstruction à partir d’un seul jeu de données. La
première étape de cette technique est l’estimation de la surface de la pièce. La
seconde étape est la reconstruction de l’image finale prenant en compte le
profil de l’interface entre les deux milieux et considérant la réfraction. Ces
méthodes d’imagerie adaptative ont été développées dans des cadres mono-
statique, multistatique et d’imagerie en onde plane et tendent vers le temps-
réel. Nous illustrons ces résultats à partir de mesures réelles réalisées avec
des blocs d’aluminium contenant des défauts artificiels. Nous montrons également
que nos méthodes s’adaptent à des géométries très complexes telles que les
bourrelets de soudure.
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Localisation passive de défauts dans une plaque par identification des sources de bruit localisées
L. Chehami, E. Moulin, F. Benmeddour, J. Assaad, J. De Rosny, C. Prada-Julia
[Résumé]
La surveillance passive de l’état de santé des structures constitue une
alternative intéressante aux méthodes ultrasonores actives. Elle consiste à
exploiter les sources acoustiques naturellement existantes dans les conditions
d’usage de la structure (bruits aérodynamiques, vibrations, etc.). En effet,
les fonctions de Green dans une plaque réverbérante peuvent être reconstruites
par corrélation d’un bruit ambiant dont les sources sont uniformément
réparties sur la surface. Cette approche permet de localiser un défaut en
exploitant la différence entre les corrélations des signaux acquis avant et
après l’apparition du défaut. Dans les cas où les sources de bruit sont plus
ou moins concentrées sur des zones limitées de la surface de la plaque, la
qualité de reconstruction passive des fonctions de Green est réduite. La
méthode de localisation s’avère néanmoins toujours applicable, à condition que
les positions des sources de bruit coïncident avant et après l’apparition du
défaut. Ce travail propose donc une méthode d’identification des zones de
sources de bruit préalable à la localisation du défaut. Celle-ci consiste à
construire un dictionnaire de référence qui contient toutes les fonctions de
corrélations de bruit créé sur une zone localisée. L’identification de la zone
de bruit est déterminée à partir de l’erreur quadratique entre la corrélation
dans le cas d’un défaut et celles du dictionnaire. Afin de valider ce
principe, des essais expérimentaux ont été effectués sur une plaque
d’aluminium de 2 m x 1 m et 6 mm d’épaisseur. Le bruit est généré par
frottement sur de petites zones de la plaque. Les résultats expérimentaux
montrent une bonne identification de sources de bruit, permettant par
conséquent une localisation correcte des défauts.
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Toward a time-lapse inversion of surface waves for the monitoring of soils and structures
A. Wang, M. Le Feuvre, O. Abraham, D. Leparoux
[Résumé]
Rayleigh waves propagate along the surface of a solid with high energy and weak geometric attenuation, making them a popular choice for near-surface imaging [1], [2]. Provided that a source is emitting in a large frequency band and with a suitable array of sensors, surface waves can be measured for a variety of wavelengths. Since their penetration depth of surface waves is related to wavelength, analysis of seismic signal gives access to a large range of depth. In order to infer the mechanical properties of the medium as a function of depth, an inverse procedure is required that minimizes a misfit function between observed and modeled data. This process could be efficient for monitoring the temporal evolution of these properties. However, a small change of model parameters can have low or moderate effects on observed surface waves data [3], [4]. Moreover, noise is unavoidable in experimental acquisition, which further increases uncertainties in the inversion results. In this study, the effect of small variations of the medium properties is discussed against inversion of shear wave velocity profiles obtained from dispersion curves. Our objective is to determine a new formulation of the inverse problem, which makes it possible to directly invert the temporal variation of model parameters, rather than the parameters themselves at each time step. Therefore, both the direct and inverse problems need to be studied in order to select new observables which are sensitive to small variations of the medium. [1]S. Foti, ”Rayleigh waves,” Multistation Method Geotech. Charact. Using Surf. Waves, p. 32, 2000.
[2]K. Aki and P. G. Richards, Quantitative Seismology, 2nd Ed. 2002.
[3]S. Foti et al., Guidelines for the good practice of surface wave analysis: a product of the InterPACIFIC project. 2017.
[4]Socco, ”Surface-wave method for near-surface characterization: a tutorial,” Surf. Geophys., pp. 165-185, 2004.
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Développement de capteurs acoustiques pour le suivi du séchage des bétons
S. Ndao, M. Duquennoy, C. Courtois, M. Ouaftouh, M. Rguiti, F. Rivart, C. Pelegris, M. Gonon, G. Martic, F. Jenot, S. Humblet
[Résumé]
Exploitées depuis des années pour la réalisation des composants électroniques, les ondes acoustiques de surface (SAW) sont désormais également utilisées dans le monde de la mesure industrielle. L’offre en produits finis est encore très restreinte. Mais l’absence d’électroniques embarquées et l’interrogation sans fil font partie de ses meilleurs atouts. Dans le cadre de ce projet, nous développons des capteurs d’humidité basés sur la technologie IDT (Inter Digital Transducer) pour la génération et la détection des ondes acoustiques de surface. Ces capteurs sont destinés à fonctionner à haute température (500∘C) pour le suivi du séchage du béton réfractaire. Dans ce dernier cas en particulier, une évaporation brusque de l’eau lors des cycles de séchage risque d’exercer de fortes pressions au niveau des pores et par conséquent conduit à des risques d’endommagement de la
structure. L’optimisation du cycle de séchage du béton doit être associée à des mesures physiques in-situ pertinentes (humidité, pression, température) et à de la modélisation thermomécanique. La disponibilité en temps réel de ces données physiques via des capteurs spécifiques intégrés dans le béton, est donc une clef pour un monitoring efficace du cycle de mise en œuvre. Ainsi, pour ce projet et ses contraintes spécifiques (coût modéré, mesure jusqu’à des températures élevées (T≤500∘C)), il semble que les capteurs d’humidité basés sur des transducteurs inter-digités à ondes acoustiques sont les plus à même de répondre au cahier des charges. En effet, il est possible de choisir indépendamment la nature de la couche sensible à l’humidité, la nature du substrat piézoélectrique et enfin l’architecture du réseau d’électrodes. Nous avons donc développé des capteurs d’humidité basés sur des dispositifs à ondes acoustiques de surface. Les résultats obtenus seront l’objet de cette présentation.
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Propagation des ondes ultrasonores dans le béton : comparaison de modélisations numériques 2D et de Contrôles non Destructifs in situ
T. Yu, J.-F. Chaix, L. Audibert, D. Komatitsch, V. Garnier, J.-M. Henault
[Résumé]
Cette étude focalise sur la propagation des ondes ultrasonores dans un milieu avec une forte hétérogénéité comme celle présente dans le béton. Un modèle numérique 2D adapté au béton est construit dans Specfem2D (méthode des éléments spectraux) afin de simuler la propagation des ondes dans un milieu hétérogène. D’abord, une onde plane longitudinale diffusée par de multiples diffuseurs est simulée dans le domaine élastique et une étude paramétrique est faite en prenant en compte la distribution des tailles, la concentration et la forme des diffuseurs. A partir des évolutions de la vitesse de phase de l’atténuation des ondes cohérentes (selon la fréquence), ces simulations sont comparées avec des modèles d’homogénéisation (Waterman-Truell et Conoir-Norris). Ensuite, afin de prendre en compte la dispersion dans le mortier, la viscoélasticité est introduite dans la loi de comportement par un facteur de qualité Q constant (modèle à Q constant) pour la matrice du milieu hétérogène. Les facteurs de qualité pour le mortier sont mesurés en immersion respectivement pour les ondes longitudinales et transversales. Finalement des simulations sont réalisées avec ce modèle numérique et comparées avec des mesures in situ réalisées sur un mur de béton d’une maquette d’enceinte de confinement d’une centrale nucléaire (VeRCoRs - EDF).
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Approche numérique et expérimentale de la multidiffusion des ultrasons dans les solides élastiques hétérogènes Application à la caractérisation non destructive des bétons
S. Rakotonarivo, M. Ramaniraka, J.-F. Chaix, T. Yu, V. Garnier
[Résumé]
Les phénomènes de multidiffusion des ondes acoustiques sont largement étudiés dans la littérature et montrent qu’il est possible sur la base d’observations d’ondes diffusées de caractériser les milieux explorés. Si le cas des milieux fluides et infinis est relativement accessible à partir de l’approximation de diffusion, les milieux élastiques posent encore un certain nombre de questions telles que l’influence des conversions de modes, la présence de frontières (ou interface) dans les domaines d’étude ou encore le caractère dispersif et visqueux des matériaux sur les signaux observés.
A partir de simulations numériques 2D, différents cas d’étude sont envisagés : matrice et diffuseurs élastiques, différentes conditions aux limites, différents taux de diffuseurs, ... Les signaux obtenus sur les limites du domaine sont étudiés (en transmission, rétrodiffusion, ou diffusés en surface, ...) pour extraire des paramètres d’intérêt comme par exemple la diffusivité D et/ou la dissipation σ basés sur l’hypothèse de diffusion, ou d’autres paramètres en fonction du régime établi, utiles dans les problématiques de caractérisation. Des comparaisons à l’expérience sur des milieux modèles composés d’une matrice organique et de tiges d’aluminium sont établies. Ces travaux montrent le potentiel des techniques basées sur l’exploitation de la multidiffusion dans les milieux hétérogènes et permettent en partie la validation des modèles numériques 2D développés.
Finalement une application à la caractérisation non destructive d’un endommagement de béton est proposée sur la base de configuration expérimentale intégrant des capteurs à technologie multiélément et/ou laser pour l’obtention de signaux d’ondes multiplement diffusées.
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Chair(s) : |
E. Moulin, Univ. Valenciennes, CNRS, F-59313, Valenciennes, France |
A. Lhémery |
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Caractérisation Ultrasonore de Matériaux Utilisés dans les Reproductions de Sculptures du Patrimoine Culturel
N. Wilkie-Chancellier, A. Arciniegas, L. Martinez, S. Serfaty
[Résumé]
La Réunion des Musées Nationaux - Grand Palais (RMN-GP) réalise des
reproductions d’œuvres d’art en résine polyester à partir de moules de
sculptures en marbre grand format avec l’objectif de remplacer les originaux
affaiblis par une exposition extérieure, permettant de conserver la
présentation en imitant l’esthétique originale. Cependant, ces reproductions
se dégradent en raison de leur exposition en extérieur et de leur
vieillissement. Ceci conduit la communauté à mener des recherches liées à la
conservation préventive et à la surveillance structurelle des reproductions.
Le but de cette recherche est d’étudier les matériaux utilisés pour produire
des reproductions du patrimoine culturel de sculptures en marbre (Jardin du
Château de Versailles, musée Rodin). Ce travail présente une technique permettant d’identifier les signatures
acoustiques des matériaux composites polyester/poudre de marbre. Via des
transducteurs de fréquence 1 MHz, la méthode par contact a été utilisée pour
générer successivement les ondes de compression, de cisaillement et de
Rayleigh dans les différents échantillons. Dans un premier temps, les
vitesses acoustiques des ondes de volume ont été mesurées dans les trois
directions de symétries des échantillons pour estimer les propriétés
mécaniques globales (Module d’Young, Module de cisaillement, ...) et la
vitesse de l’onde de Rayleigh. Deuxièmement, l’onde de Rayleigh a été suivie
expérimentalement au cours de sa propagation en utilisant la vibrométrie
laser. Les résultats montrent le potentiel de cette approche instrumentale pour
étudier ces matériaux à base de polyester. La comparaison des différentes
signatures acoustiques et des paramètres pertinents identifiés autorisent
une classification des propriétés des structures polyester de base, ainsi
que l’apport de la charge en poudre de marbre pour chacune d’elles. Ce
travail ouvre des perspectives très intéressantes pour l’optimisation des
matériaux utilisés dans le remplacement des œuvres et de la surveillance
structurelle de la santé de ces reproductions au fil du temps.
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Suivi à haute température de propriétés ultrasonores d'une résine époxy en cours de polymérisation
N. Ghodhbani, P. Marechal, H. Duflo
[Résumé]
Dans cette étude, le suivi ultrasonore de propriétés en temps réel est étudié pour quantifier les changements de propriétés physiques et mécaniques lors de la fabrication de structures composites.
Ainsi, une méthode expérimentale de caractérisation en transmission a été développée dans le but de caractériser une réaction de polymérisation à haute température et d’évaluer la sensibilité en température du matériau viscoélastique résultant.
Dans un premier temps, le suivi ultrasonore de propriétés d’une résine thermodurcissable est effectué dans un dispositif reproduisant les conditions expérimentales de fabrication d’un matériau composite avec un procédé dit RTM, c’est-à-dire une polymérisation isotherme à T = 160∘C. Pendant ce durcissement, la résine passe de son état liquide visqueux initial à un état solide viscoélastique final. Entre ces états, on observe un stade de transition vitreux, au cours duquel les propriétés physiques changent fortement, c’est-à-dire une augmentation de la vitesse ultrasonore jusqu’à sa valeur stable et une augmentation transitoire de l’atténuation ultrasonore marquant le passage dit de transition vitreuse.
Dans un second temps, l’inspection par ultrasons de la résine thermodurcissable est effectuée pendant un processus de chauffage et de refroidissement pour étudier la sensibilité à la température après le durcissement. Ce type de caractérisation conduit à identifier la dépendance aux propriétés ultrasonores avant, pendant et après la température de transition vitreuse Tg.
Finalement, cette étude est composée de deux parties complémentaires: la première est utile pour l’optimisation du durcissement, tandis que la seconde permet la caractérisation viscoélastique lors d’un recuit à l’issue de la fabrication, dans une plage de température incluant la température de transition vitreuse.
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Caractérisation ultrasonore de matériaux polymères durant un procédé de rotomoulage
J. Fortineau, S. Boucaud Gauchet, A. Arciniegas, A. Guiroy, J. Bustillo, H. Achdjian, F. Vander Meulen
[Résumé]
Dans le cadre de H2020, le développement de la filière hydrogène, en particulier son stockage, impose un
accroissement des performances mécaniques des réservoirs de stockage impliquant la fabrication de vessie
d’étanchéité en polymère à hautes performances. Le procédé de fabrication actuel de ces vessies, le
rotomoulage, limite ses développements en raison de connaissances insuffisantes in situ de l’évolution des
propriétés du polymère en temps réel. Le suivi des propriétés ultrasonores dans le polymère en évolution
pendant le rotomoulage paraît être une solution originale et prometteuse non seulement pour le
développement de nouveaux matériaux mais également pour l’optimisation du procédé avec les matériaux
actuels. Dans ce travail, une instrumentation adaptée à un prototype de rotomouleuse a été mis en place, en tenant
compte des contraintes (température, mouvement) inhérentes au procédé.. Elle permet le suivi des propriétés
des ondes acoustiques dans le polymère. La célérité et les variations de l’atténuation sont mesurées lors des
différentes phases du rotomoulage. Les évolutions de propriétés des ondes ultrasonores sont comparées aux évolutions des propriétés de la
matière mesurées par des techniques plus classiques (température, rhéomètre). L’intérêt de la caractérisation
ultrasonore est alors mis en évidence.
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Caractérisation de collages aéronautiques par synthèse de fronts d’ondes en ultrasons laser
R. Hodé, S. Raetz, V. Gusev, M. Ducousso, N. Cuvillier, V. Tournat
[Résumé]
De nos jours, le développement de méthodes non destructives pour quantifier la tenue mécanique d’assemblages aéronautiques collés est devenu primordial, notamment pour les collages structuraux. L’obtention de ces moyens d’évaluation et de contrôle non destructifs permettrait de lever l’un des derniers verrous technologiques qui limite actuellement le déploiement important de cette technique d’assemblage dans l’industrie aéronautique. Le collage, comparé aux méthodes plus conventionnelles (rivetage,...), possède de nombreux avantages. Il permet notamment une meilleure distribution des contraintes mécaniques, un allègement des structures et une réduction substantielle des coûts de fabrication. Pour quantifier la tenue mécanique d’un assemblage collé non destructivement, la méthode proposée tire profit de la sollicitation mécanique subit par l’interface de collage lors de la réflexion d’ondes élastiques volumiques sur celle-ci. Une variation de tenue mécanique de l’assemblage devrait en effet se traduire par une variation des coefficients de réflexion. Afin que le contrôle soit réalisable dans un contexte industriel, la génération et la détection sans contact de ces ondes sont réalisées par laser et sur la même surface libre de l’assemblage. Pour permettre une étude paramétrique, la propagation des ondes a été simulée. Une méthode détaillée dans la réf. [1] a été appliquée sur les signaux simulés pour synthétiser des fronts plans d’ondes élastiques se propageant dans l’assemblage et formant un angle contrôlé avec la normale à la surface libre. La réflexion de ces fronts d’ondes au niveau de l’interface à caractériser peut ainsi être étudiée en utilisant les lois de Snell-Descartes : considérant connus les matériaux (épaisseurs, propriétés mécaniques), les coefficients de réflexion sont obtenus par résolution d’un problème inverse. L’analyse de leur évolution en fonction de la tenue mécanique permet alors de conclure quant à la pertinence d’utiliser ces coefficients pour caractériser/évaluer un collage. [1] F. Reverdy et al., J. Appl. Phys. 90, 4829 (2001).
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Décomposition modale d’un champ ultrasonore complexe dans un guide bidimensionnel pour la génération sélective de modes guidés
V. Serey, N. Quaegebeur, P. Micheau, P. Masson, M. Castaings, M. Renier
[Résumé]
Les systèmes SHM basés sur la propagation d’ondes ultrasonores guidées sont utilisés pour des structures
larges dans les secteurs de l’Aéronautique ou du Génie Civil. Les ondes de Lamb ou SH sont généralement
employées car elles se propagent sur de longues distances tout en sondant l’épaisseur des pièces. Des
modes moins conventionnels se propagent dans les guides d’ondes de section droite finie, tel qu’un barreau
de section rectangulaire. Pour un même produit fréquence-épaisseur, davantage de modes sont présents
dans un barreau que dans une plaque, et les champs de déplacement peuvent présenter plusieurs nœuds et
ventres suivant la largeur du guide. Le nombre élevé de modes et la proximité de leurs longueurs d’onde
rendent difficile l’utilisation de la transformée de Fourier bidimensionnelle pour l’analyse du champ. Obtenir la
résolution en nombre d’onde suffisante pour séparer les différents modes dans l’espace de Fourier
demanderait un relevé sur des longues distances, parfois supérieures aux dimensions de la structure à
contrôler. Nous proposons une technique alternative pour le calcul des amplitudes complexes des modes
guidés composant un champ ultrasonore. Elle consiste à mesurer les trois composantes du déplacement
suivant la largeur du barreau, puis à décomposer cette mesure dans la base modale du guide, calculée avec
la méthode SAFE 2D. Le potentiel de cette méthode est démontré pour la génération de modes purs avec
plusieurs sources quasi-ponctuelles. En excitant successivement chacune des sources, cette technique
conduit à leur fonction de transfert. Une inversion du problème permet de définir les excitations à appliquer à
chaque source simultanément pour générer un mode guidé pur. Une validation expérimentale est menée sur
un barreau d’aluminium instrumenté par des transducteurs piézoélectriques collés, et les composantes du
déplacement du champ ultrasonore sont mesurées par une sonde laser 3D.
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Chair(s) : |
A. Lhémery |
E. Moulin, Univ. Valenciennes, CNRS, F-59313, Valenciennes, France |
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Suivi de l’évolution des contraintes internes d’un acier soumis à un effet de fatigue flexion-rotative, par une méthode ultrasonore multiéléments
M. Shaira, P. Guy, J. Courbon
[Résumé]
La flexion rotative permet de réaliser rapidement des essais de fatigue à grand nombre de cycles, et ainsi a connu récemment une grande popularité. Sur éprouvette massive, l’amorçage de fissure se fait sur un défaut de surface, puis la fissure se propage lentement en bord d’éprouvette, zone la plus sollicitée. Nous souhaitons à terme étudier l’influence de canaux de refroidissement internes sur la tenue en fatigue de pièces réalisées en fabrication additive. Pour vérifier que la flexion rotative permet de caractériser de tels canaux, nous l’avons appliquée à des éprouvettes de fabrication classique en acier 20MC5, mais percées par électro-érosion d’un canal décentré, de façon à localiser l’amorçage dans la zone mince entre le plafond du canal et le bord de l’éprouvette.
Une méthode non destructive par ultrasons utilisant un transducteur ultrasonore performant multiélément, a été appliquée pour suivre l’évolution et la propagation de ces fissures, au cours d’essais de fatigue interrompus, les résultats encourageants, qui montrent la faisabilité de la détection précoce et du suivi de l’évolution des fissures seront présentés et discutés.
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Caractérisation ultrasonore et mécanique d'un matériau bio-composite à base de farine de bois d'olivier et de polypropylène
N. Bouhamed, S. Souissi, P. Marechal, M. Ben Amar, O. Lenoir, R. Leger, A. Bergeret
[Résumé]
Cette étude traite de l’évaluation des propriétés mécaniques d’un matériau bio-composite à base de polypropylène (PP) renforcé par des fibres végétales farine de bois d’olivier (FBO).
Dans un premier temps, divers bio-composites PP/FBO avec des teneurs variables en FBO (0, 10, 20 et 30% en masse), ont été mis en oeuvre par extrusion bi-vis puis mis en forme par moulage par injection. L’effet de la teneur en FBO d’une part et de la modification chimique de cette dernière par l’ajout du silane comme agent de couplage d’autre part, sont les deux paramètres qui font l’objet de la présente étude de sensibilité.
Dans un second temps, les propriétés ultrasonores des bio-composites et leur variabilité sont mesurées et discutées. Le protocole expérimental de caractérisation ultrasonore en immersion est détaillé. Pour ces premiers résultats, l’hypothèse d’homogénéité et d’isotropie du matériau est discutée. Les résultats d’évaluation non-destructive ultrasonore sont alors comparés avec ceux obtenus avec des essais destructifs de traction mécanique.
Enfin, les résultats de caractérisation via ces deux méthodes sont comparés et discutés. L’influence significative du traitement de la FBO avec l’agent de couplage silane est mise en évidence, démontrant nettement que le silane favorise l’adhésion de la charge d’origine végétale qu’est la FBO avec la matrice polymère en PP.
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Effet du vieillissement hydrique sur le comportement statique et en fatigue cyclique d'un éco-composite
M. Abakar
[Résumé]
L’utilisation de matériaux composites constitués d’une résine époxyde et des
fibres de verre soulève de plus en plus des questions tant au niveau sanitaire
qu’environnementale. Une solution alternative consiste à utiliser de
composites issus totalement ou partiellement de ressources fossiles, ce qui
représente un enjeu environnemental non négligeable pour les générations
futures. La difficulté de l’évaluation des performances de ces matériaux dans
un milieu agressif reste un obstacle, susceptible d’en gêner considérablement
leur utilisation. Ce travail présente les résultats expérimentaux de l’effet
du vieillissement en eau des matériaux composites à fibres de lin et la
matrice Greenpoxy. L’étude expérimentale a été effectuée sur deux stratifiés
(croisés [0/90]s et [±45]s). Dans un premier temps, les propriétés mécaniques
ont été identifiées en fonction de la durée du vieillissement. Dans la
deuxième étape, les effets des interactions entre le vieillissement et le
comportement en fatigue cyclique (traction-contraction) ont été étudiés.
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Évaluation l'effet de congélation sur le lait UHT par la méthode des impulsions échos ultrasonores
E.H. Ouacha, B. Faiz, A. Moudden, I. Aboudaoud, H. Banouni
[Résumé]
Le travail présente des nouvelles méthodes, qui permettent le suivi l’influence de congélation sur le lait UHT. L’utilisation des ultrasons est un outil très adapté pour l’évaluation non destructive pour contrôle la qualité des produits agroalimentaires précisément des produits laitiers au début de la production. La propagation des ondes ultrasonores dépend directement des propriétés du milieu de propagation. Les techniques utilisées sont basées sur un traitement de signal des ondes ultrasonores rétrodiffusées par des récipients qui contiennent du lait UHT. Le suivi des paramètres ultrasonores en fonction de la durée de la congélation du lait montre leurs sensibilités à la variation de la structure microbiologie de produit. Nous résultats expérimentaux, confirment la fusibilité de la technique ultrasonore pour contrôler l’effet de la congélation sur le lait UHT.
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Amélioration de la sensibilité de mesure du paramètre non linéaire de fluides Homogènes en mode écho
L. Haumesser, F. Vander Meulen
[Résumé]
Le paramètre non linéaire B/A est un indicateur dont l’intérêt s’exprime en
imagerie médicale ou en caractérisation de fluides. Son expression est
proportionnelle à la distorsion quadratique d’une onde acoustique initialement
sinusoïdale, au fur et à mesure de sa propagation. Ainsi, de la sensibilité
avec laquelle est mesuré ce facteur de distorsion dépend le contraste des
images obtenues ou la finesse du contrôle.
Le point de départ de cette étude est l’évaluation du paramètre non linéaire
de fluides homogènes en émission réception (mode écho). Dans cette
configuration, il est établi que la distorsion du train d’onde effectuant un
aller-retour dans le fluide est favorisée lorsque le réflecteur a une
impédance supérieure à celle du fluide. Ce faisant, la signature acoustique du
système fait apparaître plusieurs trains d’ondes successifs. Les suivants ont
effectué des allers-retours supplémentaires au sein du réflecteur avant d’être
reçus par le transducteur. Chaque train d’onde fournit la possibilité
d’évaluer le paramètre non linéaire. Dans ce travail, quatre valeurs ont pu
être obtenues.
Par ailleurs, il existe une relation de phase entre ces trains d’ondes.
Lorsque l’on combine les contenus fréquentiels, cette relation est à l’origine
d’une dispersion du facteur de distorsion conduisant, pour les conditions
décrites dans ce travail, à une sensibilité accrue d’un facteur vingt par
rapport à l’exploitation du premier train d’onde seul. Cette amélioration
ouvre la possibilité de réduire la distance de propagation de l’onde dans le
milieu à tester pour ainsi en réduire le volume nécessaire.
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Emission Acoustique dynamique pour la caractérisation du comportement non- linéaire des matériaux composites
X. Yu, M. Bentahar, S. Montresor, C. Mechri
[Résumé]
De précédents travaux ont montré que les matériaux composites microfissurés présentent généralement un
comportement non-linéaire hystérétique. En expérimentant des essais en dynamique lente suivis
simultanément par émission acoustique (EA), nous proposons une approche non destructive. Cette approche
met en lumière le lien entre les signaux d’EA et le conditionnement/relaxation des matériaux étudiés. Des
matériaux composites (béton polymère, composite fibre de verre...) microfissurés sont mis en résonance
en flexion à fort niveau durant le conditionnement. La fréquence de résonance (# 100 Hz) étant assez faible
par rapport au signaux d’EA, il est possible de séparer l’activité acoustique (EA) du signal d’excitation.
Pendant l’essai en dynamique lente, les signatures acoustiques sont identifiées et les signaux enregistrés
sont comparés avec les signaux d’EA d’un essai mécanique pour le même matériau par des analyses en
ondelettes. Les résultats montrent que les signaux d’EA obtenus en dynamique lente et lors d’essais
mécaniques sont similaires (amplitude, contenu fréquentiel...). Il devient alors possible d’établir un lien entre
les mécanismes d’endommagement et les comportements non-linéaires observés dans le matériau.
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Amplitude Modulation Imaging for detection and characterization of an embedded crack
E. Carcreff, S. Haupert, G. Renaud, Y. Ohara
[Résumé]
An ultrasonic technique for imaging nonlinear scatterers, such as cracks, buried in a medium has been recently proposed. The method called amplitude modulation imaging (AMI) consists of a sequence of three acquisitions for each line of the image. It has been implemented with conventional phased array transducers. The first acquisition is obtained by transmitting with all elements of the phased array while the second and third acquisitions are obtained by transmitting with odd elements only and even elements only, respectively. An image revealing nonlinear scattering in the medium is reconstructed line by line by subtracting the responses measured with second and third acquisitions (odd elements and even elements) from the response obtained with all elements transmitting. AMI was shown to provide higher detection specificity of the crack than conventional ultrasound imaging. The goal of this study is to better understand the capabilities and limitations of AMI by determining its resolution, its sensitivity and robustness compared to conventional ultrasound imaging for two different metallic samples with partially closed crack.
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Modeling for Wave Propagation and Energy Losses in Solids with Cracks: the MMD-FEM Code
V. Aleshin, S. Delrue, K. Truyaert
[Résumé]
The importance of modeling in NDT is due to the fact that it allows one to interpret experimentally measured indicators and finally retrieve parameters of damage. This concern stimulated us to develop modeling support for nonlinear ultrasound techniques by combining an available finite element software with a realistic crack model based on an original method of memory diagrams (MMD). The method has been recently proposed for automating the account for friction-induced hysteresis in the mechanical response of rough surfaces excited by arbitrarily changing normal and tangential displacements. The resulting load-displacement relationship represents a boundary condition that has to be set at surfaces of inner boundaries appearing in a material with cracks. The boundary condition is then used by the FEM code for calculation of stresses and strains in material’s volume. In practice, the FEM part has been programmed in COMSOL that enables one to implement user-defined boundary conditions calculated in an external MATLAB procedure.
The advantage of the MMD-FEM modeling toolbox is in its computational efficiency that results from the multiscale approach in which the influence of microscopic features (roughness) is integrated in the response of a mesoscopic cell (crack segment) that drastically simplifies the account for rough contact geometry. Moreover, the instantaneous friction-induced loss of mechanical energy is also easily calculated that makes it possible to add the heat transport module and to study heat diffusion in materials with cracks excited acoustically. We give some calculation examples and show how the suggested toolbox assists NDT thermography methods. Examples concerning the ultrasound propagation and nonlinear acoustic effects are also considered.
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Chair(s) : |
J. Maillard, CSTB, 38400, Saint-Martin-D'Heres, France |
V. Koehl, Lab-STICC, Université de Brest, 29200, Brest, France |
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Caractérisation et auralisation de la contribution du rail dans le bruit ferroviaire
A. Kacem, J. Maillard, N. Martin, B. Faure
[Résumé]
Le bruit des transports ferroviaires est composé de plusieurs contributions
sonores. Le bruit de roulement, généré par la roue et le rail, représente la
source principale pour des vitesses de circulation comprises entre 50 et 300
km/h. Le travail présenté dans cet article concerne le développement d’une
méthode de simulation auditive du bruit de roulement ferroviaire et traite plus
particulièrement le bruit émis par le rail au passage d’une roue. Les travaux
existants sur le sujet modélisent généralement cette contribution par une source
ponctuelle située au point de contact roue/rail. Cette approximation n’est pas
toujours valide en particulier dans les hautes fréquences pour lesquelles le
rayonnement acoustique du rail s’étend sur une distance importante. L’approche
proposée ici utilise un modèle étendu basé sur une ligne de monopôles. Les
caractéristiques du champ acoustique rayonné par le rail sont présentées ainsi
que la technique de synthèse proposée. Les résultats des comparaisons avec les
modèles existants, basées sur des plans temps-fréquences, illustrent la
pertinence de l’approche utilisée. La prise en compte du caractère étendu permet
la conservation des interférences émises par le rail dans les hautes fréquences.
Ces interférences audibles ne sont pas reproductibles en utilisant un modèle
simplifié à base d’une source ponctuelle unique.
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Influence de la distance de propagation et du type de configuration urbaine sur les sensations auditives gênantes dues au bruit routier urbain
P.-A. Vallin, C. Marquis-Favre, L.-A. Gille, W. Ellermeier
[Résumé]
Les cartes de bruit établies dans le cadre de la Directive Européenne 2002/49/CE indiquent le niveau des bruits de transport en chaque point de toute ville européenne de plus de 100 000 habitants. Ce seul niveau de bruit, sous la forme de l’indice LDEN, niveau jour-soir-nuit, n’est pas toujours représentatif de la gêne due au bruit des transports, d’autres facteurs acoustiques entrant en jeu. Ces facteurs peuvent engendrer des sensations auditives, comme la sensation due à des composantes tonales aiguës ou à des modulations d’amplitude, contribuant au caractère gênant du bruit routier urbain. Cette étude s’intéresse à l’évolution de ces sensations auditives avec la distance de propagation et le type de configuration urbaine. Un logiciel de calcul de propagation acoustique est utilisé pour modéliser différentes situations de propagation en milieu urbain. Ce logiciel, validé d’un point de vue perceptif lors d’une précédente étude, permet de filtrer des enregistrements sonores menés près des sources de bruit afin de simuler la propagation du bruit routier urbain à différentes distances et dans différentes configurations. Une expérience, comprenant une écoute de ces bruits filtrés et impliquant 30 participants, a été conduite en laboratoire afin d’évaluer l’effet de la distance et du type de configuration urbaine sur les sensations auditives gênantes dues au bruit routier urbain. Comme attendu, les résultats de cette expérience ont montré une influence significative de la distance de propagation, permettant une première caractérisation des sensations avec la distance. Ils ont également mis en évidence un faible effet du type de configuration sur les sensations gênantes étudiées.
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Auralisation des deux-roues motorisés
J. Maillard, S. Bianchetti
[Résumé]
Le bruit des transports est perçu majoritairement comme une nuisance importante en milieu urbain. En particulier, le trafic routier représente une source prépondérante de la gêne perçue et les deux-roues motorisés contribuent fortement à cette gêne, notamment dans certaines grandes villes où leur proportion peut atteindre un tiers des véhicules. Le bruit des deux-roues a déjà été caractérisé lors de travaux antérieurs et les modèles d’émission associés sont désormais intégrés dans les méthodes de calcul normalisées. Ces outils, utilisés pour la cartographie prévisionnelle du bruit en ville, fournissent des niveaux de bruit moyen : la contribution des deux-roues est ici estimée à partir d’une puissance acoustique moyenne fonction de la densité de véhicules et de leur vitesse moyenne. Les récents progrès en auralisation apportent un outil d’analyse complémentaire qui se révèle intéressant pour étudier en détails des phénomènes complexes liés à la diversité des sources de bruit ou bien pour communiquer des résultats aux non-spécialistes. Cette approche nouvelle permet de simuler auditivement l’exposition au bruit. Elle donne accès à une évaluation directe de la gêne par l’écoute ainsi qu’à l’évolution temporelle des niveaux de bruit. Cet article présente l’extension d’une technique d’auralisation, développée pour les voitures, aux deux-roues motorisés. L’émission acoustique du véhicule utilise une synthèse granulaire dont les données proviennent de mesures embarquées du bruit moteur. Après avoir décrit les mesures réalisées sur plusieurs deux-roues, la qualité de la synthèse est évaluée par comparaison aux enregistrements du bruit à l’émission. Le modèle de l’évolution du régime moteur en fonction de la vitesse du véhicule est également présenté. Finalement, une première validation de l’approche est proposée par comparaison des séquences sonores auralisées et des séquences enregistrées, pour différentes configurations de bruits au passage.
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Analyse-Synthèse de Réponses Impulsionnelles Directionnelles – Application aux Processeurs de Réverbération Hybride
O. Warusfel, F. Zagala, T. Carpentier, M. Noisternig
[Résumé]
La disponibilité de réseaux microphoniques sphériques suscite un intérêt croissant dans les domaines de l’acoustique architecturale, de la réalité virtuelle et de la production musicale. Les réponses impulsionnelles directionnelles mesurées avec ces réseaux microphoniques, éventuellement couplés à des réseaux de haut-parleurs sphériques offrent un haut degré de réalisme et ouvrent un large champ de manipulations sonores. Cependant, leur exploitation requiert différentes étapes de traitement, notamment pour leur débruitage, leur représentation dans le domaine temps/fréquence/espace (e.g. relief de décroissance, identification de la direction d’incidence des réflexions) et pour l’extraction de différentes grandeurs acoustiques (e.g. temps de réverbération, critère de diffusion). Dans cette étude, nous présentons une adaptation des méthodes d’analyse-synthèse, développées initialement dans le cadre de réponses monophoniques, et étendues au cas des réponses impulsionnelles directionnelles en recourant au formalisme des harmoniques sphériques. Cette méthode est exploitée dans le cadre des réverbérateurs hybrides constitués d’un étage de convolution tridimensionnelle dédié à la reproduction des premières réflexions couplé à un réseau de retard rebouclés simulant le profil temps-fréquence de la réverbération tardive. Cette méthode de réverbération offre un compromis intéressant entre authenticité du résultat sonore et puissance de calcul requise. Elle est particulièrement adaptée à la simulation d’espaces ou de lieux dont on veut reproduire les propriétés acoustiques singulières (salles de concert, espaces urbains, sites historiques ou archéologiques).
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Impact de différentes portions temporelles de bruits de survol d’avions sur le désagrément global
A. Minard, B. Mellot, P. Boussard, J.-F. Sciabica
[Résumé]
La problématique du bruit de passages d’avions au voisinage des aéroports
est centrale dans l’industrie aéronautique. Depuis de nombreuses années, les
niveaux de bruit perçus au sol ont été significativement réduits, mais il
apparait maintenant primordial, afin d’améliorer les prochaines générations
d’avions, d’identifier et comprendre les caractéristiques responsables du
désagrément perçu par les riverains. Or, le bruit d’un passage d’avion
présente de larges variations de niveau sonore et de contenu spectral
pendant toute sa durée. Par exemple, certaines composantes, telles que les
Fréquences Multiples de Rotation, n’apparaissent pas durant la totalité du
signal, en raison de leurs directivités. Il est par conséquent important de
s’intéresser aux aspects temporels du bruit de passage d’avion et à leur
relation avec l’évaluation du désagrément.
La présente étude aborde cette question en comparant les évaluations de
désagrément de signaux temporels tronqués selon différentes longueurs.
Quatre sons de survols de référence, dont 2 présentent des Fréquences de
Rotation Multiples, ont été resynthétisés. Différentes portions de ces
signaux, de 5, 10 et 20 secondes et centrées sur différentes parties du
survol, ont ensuite été extraites. Le désagrément de chaque morceau de
signal a alors été évalué à l’aide d’une méthode d’évaluation comparative,
où plusieurs stimuli sont présentés en même temps.
Les résultats révèlent principalement qu’aucun segment de 5 secondes n’est
représentatif du survol complet en termes de désagrément, tandis que seuls
les 2 premiers segments de 10 secondes (début et milieu du survol) donnent
des évaluations comparables aux signaux entiers. D’un point de vue pratique,
ces résultats ouvrent d’intéressantes possibilités pour les travaux futurs
sur la perception des sons de survol d’avion, où des extraits plus courts
pourraient remplacer les signaux complets. Cependant, ces résultats obtenus
sur des signaux de synthèse nécessitent d’être généralisés sur des
enregistrements, et sur une plus grande variété de signatures sonores.
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Etude en simulateur d'alarmes de chantier d'autoroute dans le cadre d'un dispositif de sécurité pour agents d'exploitation
A. Minard, S. Coeugnet, A. Dommes, F. Vienne, M. Lou
[Résumé]
Afin d’assurer la sécurité des usagers des autoroutes, du personnel
d’intervention et des travailleurs sur les chantiers peuvent être déployés
tandis que la circulation est maintenue. Ces interventions mettent souvent
en jeu la sécurité de ces agents, et, malgré les campagnes d’information
auprès des usagers, les accidents ne sont pas rares. Le projet FUI YELLOW
s’inscrit dans ce cadre, dans le but de mettre au point un système
permettant d’informer les agents d’un danger imminent, en cas d’anomalie
dans le flux de circulation. Le processus de mise au point de ce système
comporte des phases d’étude perceptive d’alarmes sonores, d’intégration dans
un simulateur de chantier et intervention sur route à chaussées séparées
(e.g. autoroute), et enfin de test de prototype in situ.
L’étude présentée se concentre sur l’évaluation perceptive d’alarmes
sonores , notamment en contexte de réalité virtuelle. Les alarmes sonores
produites par une sirène du commerce ont tout d’abord été étudiées à l’aide
d’un test d’écoute dans le but de comparer les différents types
d’alarmes proposés et identifier ceux favorisant la perception de
l’urgence. Les alarmes identifiées ont ensuite été intégrées dans un
environnement de réalité virtuelle, proposant une simulation audiovisuelle
de chantier. Enfin, une expérience a été réalisée dans ce
simulateur, où il a été demandé à des agents participants de réaliser
plusieurs tâches représentatives de la situation réelle, tandis qu’une
anomalie se produisait. Différentes conditions - absence d’alarme, alarme
sonore, alarme haptique - étaient déclenchées lors d’une anomalie, et le
comportement des agents était observé dans chaque cas. Cette étude a permis
de montrer que le déclenchement des alarmes, d’autant plus lorsque celles-ci
sont de nature sonore, favorise la mise en sécurité des agents. Ces
résultats semblent confirmer le bien-fondé d’un tel dispositif. La suite du
projet comprend une expérimentation in situ de ce dispositif.
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Croiser habitudes et expérimentations pour un diagnostic partagé du paysage sonore
J.-D. Polack, P. Gaudibert, E. Geisler, N. Gourlot, T. Manola, A. Perez-Munoz, S. Tribout
[Résumé]
La nécessité d’abandonner la seule lutte contre le bruit pour mettre en œuvre une approche plus qualitative
et transversale ne fait aujourd’hui plus de doute. Or, malgré plusieurs avancées significatives, une résistance
semble perdurer pour que toutes les actions et réflexions en cours aient une réelle résonance sur la prise en
compte de la dimension sonore dans les projets d’aménagement de l’espace. C’est dans cette perspective
que se situe le projet DIAGPART, financé par l’ADEME.
Le but du projet DIAGPART était double :
1. objectif scientifique : mieux comprendre comment les multiples acteurs du paysage sonore urbain
(acousticiens, designers urbains, chercheurs appliqués en sciences humaines et sociales, soundmakers,
acteurs locaux) mobilisent le paysage sonore dans leurs activités quotidiennes ; mettre en évidence les outils,
méthodes, approches, formalisation mobilisés par les différents acteurs du paysage sonore urbain lors d’une
analyse sonore ; et comprendre si et comment ils (pourraient) mobiliser d’autres approches et disciplines
dans leur activité.
2. objectif opérationnel : proposer un outil pour aider à la mise en place d’une analyse transversale du
paysage sonore urbain, adressé aux différentes parties prenantes (designers, chercheurs, habitants, acteurs
locaux...).
Afin de répondre à ces questions, en plus d’un recensement de la façon dont les différentes parties prenantes
abordent les atmosphères et les paysages sonores, 6 ateliers de discussion et d’expérimentation in situ
(basés sur la méthodologie du groupe de discussion) et un séminaire croisé ont été effectués.
Les résultats de cette recherche sont liés à la fois à la connaissance scientifique des moyens par lesquels
l’analyse du paysage sonore urbain est réalisée par les acteurs du paysage sonore, et à une boîte à outils que
les parties prenantes peuvent utiliser pour approcher le paysage sonore urbain d’une manière plus
interdisciplinaire et globale.
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Chair(s) : |
P. Guillemain, LMA, CNRS, UPR 7051, F-13453, Marseille Cedex 13, France |
M. Curtit, ITEMM, 72000, Le Mans, France |
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Caractérisations objectives et subjectives d’anches simples en situation de jeu
J.-F. Petiot, A. Munoz, B. Gazengel
[Résumé]
Dans le cadre d’un travail visant à décrire la qualité perçue des anches simples de saxophone ténor à l’aide
d’indicateurs objectifs, 20 anches de marques et forces différentes sont évaluées subjectivement par 7
musiciens de niveaux et styles différents. L’évaluation consiste à jouer chaque anche sur un même bec et
pour différents instruments (saxophone ténor). Chaque musicien évalue sur une échelle continue les
descripteurs facilité de jeu , timbre et qualité globale . Par ailleurs, chaque musicien joue chaque
anche sur un bec instrumenté connecté à un cylindre reproduisant une clarinette simplifiée. Le bec
instrumenté permet de mesurer le déplacement de l’extrémité de l’anche et la différence de pression entre la
bouche et le bec. L’analyse des signaux de pression dans le bec et de déplacement permet de calculer des
indicateurs de jeu tels que la pression de seuil, le centre de gravité spectral. L’analyse statistique des
résultats subjectifs montrent que quelques musiciens seulement sont robustes et qu’un musicien a un
jugement très différent des autres. L’analyse des corrélations entre données objectives et descripteurs
subjectifs montre que la facilité de jeu est fortement corrélée à la pression moyenne dans la bouche et aux
centres de gravité spectraux de la pression dans le bec (global, pair, impair). Le timbre, fortement corrélé à la
facilité de jeu, est aussi corrélé à ces paramètres objectifs. Finalement un modèle permettant de prédire les
descripteurs subjectifs à l’aide de la pression moyenne dans la bouche et du centre de gravité spectral impair
est proposé.
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Étude qualitative d'un panel d'anches de clarinette par corrélations canoniques généralisées
P.-A. Taillard, J.-P. Dalmont
[Résumé]
Un panel de 40 anches de clarinette Vandoren classic, forces 2 à 3.5 a été
joué,
mesuré et analysé par différentes méthodes indépendantes. 1) un musicien
professionnel a évalué chaque anche selon 4 critères subjectifs (avec 4
répétitions à l’aveugle).
Parallèlement, les anches ont été montées sur un bec M30, instrumenté
par un capteur de pression dans la chambre du bec et par 2 capteurs optiques
mesurant le déplacement de la pointe de l’anche (gauche/droite). Ce
dispositif est complété par une lèvre artificielle en silicone dont le
déplacement est contrôlé par une vis micrométrique. Les anches ont été
soumises à des mesures répétées à l’état sec (sans humidification
préalable) ou humide (après quelques minutes de jeu normal). Ces mesures -
réalisées pour différentes embouchures - sont les suivantes: 2) mesure quasi
statique de section aéraulique en fonction de Δp 3) mesure du
déplacement de la pointe de l’anche
en fonction de Δp 4) photographie du canal vu de face 5) diagramme
de bifurcation avec un cylindre d’environ 30 cm de
long, joué par la bouche artificielle. Ces mesures sont complétées par 6)
simulation du jeu par synthèse physique à partir des pressions de jeu
enregistrées lors de l’étape 5) à l’aide d’un modèle mécanique non linéaire
d’anche issu de l’étape 3) et d’un modèle non linéaire de section aéraulique
issu de l’étape 2). Les banques de données correspondant à ces 6 types de
données ont été analysées par corrélations canoniques généralisées. Les
résultats prouvent l’existence d’au moins 4 facteurs indépendants présentant
des corrélations statistiquement hautement significatives avec toutes les
banques de données. Cette étude ouvre la voie à un tri qualitatif des anches
réalisé immédiatement après la fabrication. Les critères proposés autorisent
une optimisation de la
géométrie de l’anche d’après la table du bec ou vice versa.
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Modélisation multimodale de guides d'onde complexes appliquée à la facture des instruments à vent
J.-B. Doc, S. Félix
[Résumé]
La famille des vents compte de nombreux instruments construits autours de formes géométriques complexes, comportant des courbures et/ou des variations de section (bocal, pavillon...). Une prise en compte réaliste de ces géométries dans un calcul d’impédance d’entrée est cruciale, particulièrement dans le contexte actuel d’optimisation numérique de la perce d’instruments. Une modélisation fine de la forme des instruments est encore limitée à des méthodes numériques lourdes, peu propices à l’optimisation numérique. Ce travail a pour but d’appliquer la méthode multimodale aux problématiques rencontrées en facture instrumentale. Cette méthode permet une modélisation réaliste de la géométrie des instruments à vent pour un faible coût numérique, et avec des raffinements que ne permettent pas les méthodes analytiques classiques. Parmi ceux-ci on peut citer la prise en compte du rayonnement acoustique pour des guides de forme complexe. Cette première étude vise à étudier l’influence de la géométrie d’un instrument à vent sur ses résonances et son rayonnement acoustique. L’impédance d’entrée et les champs de pression et de vitesse rayonnées sont calculés pour un clairon droit (tube cylindrique avec un pavillon en sortie). Une étude paramétrique sur la géométrie de l’instrument met en avant la précision de la méthode multimodale et sa capacité à estimer des quantités variées, telles que la directivité ou l’intensité rayonnée, pouvant venir en aide à la facture instrumentale.
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Les harpions sur les harpes anciennes: approche par la simulation numérique
J.-L. Le Carrou, C. Issanchou, C. Touzé
[Résumé]
Les contacts corde/obstacle jouent un rôle essentiel dans de nombreux instruments de musique tels
que la basse électrique, le sitar ou la tampoura. Ils sont à l’origine d’importants transferts d’énergie
qui confèrent aux instruments leur sonorité singulière. En particulier, sur certaines harpes, notamment
médiévales, des données iconographiques indiquent que de petits obstacles à la vibration des
cordes peuvent être installés à proximité de l’une des extrémités des cordes. Ils s’agit de harpions,
dont l’évolution de la forme et du réglage au cours de l’histoire semble mal connue. Dans l’étude [1]
consacrée à ces harpions, les auteurs explorent certaines hypothèses quant à leur forme en
s’appuyant sur des documents historiques et sur l’expertise de musiciens contemporains.
Nous mettons ici en oeuvre des hypothèses sur la forme des harpions par simulation numérique afin
de proposer un approfondissement de la prospection initiée en [1]. Pour ce faire, nous nous
appuyons sur la méthode numérique développée dans [2] pour laquelle des développements récents
permettent d’améliorer les temps de calcul impliqués. [1] V. Musson-Gonneaud et C. Besnainou (2009). Les harpions, questions organologiques
et musicales : quel réglage pour quel usage sur les harpes anciennes aujourd’hui ? . Dans : La
Musique et ses instruments , sous la dir. de M. Castellengo et H. Genevois. Delatour France, p. 37-
66. [2] C. Issanchou, S. Bilbao, J.-L. Le Carrou, C. Touzé et O. Doaré (2017). A modal-based
approach to the nonlinear vibration of strings against a unilateral obstacle: simulations and
experiments in the pointwise case , Journal of Sound and Vibration 393, p. 229-251.
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Optimisation de la perce interne d’instruments de la famille des flûtes : une approche mathématique d'un problème de facture instrumentale
C. Bonvoisin, B. Fabre, F. Jouve
[Résumé]
L’histoire de la facture instrumentale fait apparaître, au sein de mêmes familles d’instruments, de nombreuses variations, qui prennent place sur les plans historique et géographique. Ainsi sur les instruments de la famille des flûtes, on trouve sur la surface du globe une importante diversité d’instruments aux mécanismes de production du son identiques, comme on l’observe en comparant le ney à la flûte traversière par exemple ; mais l’on trouve également, dans une même aire géographique, des évolutions notoires dans la conception de l’instrument - on peut penser aux changements dans la facture instrumentale en Europe occidentale, entre les fifres du Moyen-Âge, les flûtes baroques et les flûtes Boehm. Cette mise en perspective historique ouvre des questions pour l’acoustique des instruments de musique, particulièrement pour les flûtes : comment expliquer ces évolutions, et comment ces explorations peuvent-elles permettre de proposer des perspectives neuves pour la facture de flûtes ? Les travaux sur cette problématique sont fondés jusqu’à présent sur un modèle de résonateur par des lignes de transmissions. Notre approche propose une alternative à cette modélisation, afin notamment de tenter de dépasser certains a priori sur la géométrie des instruments étudiés. Nos travaux s’inscrivent dans la continuité de ceux de Romain Joly ([1]) : à partir d’une modélisation du résonateur par une équation aux dérivées partielles 3D en régime stationnaire, proposer une description 1D approchée dans l’hypothèse d’un instrument allongé. Les résultats obtenus mathématiquement permettent notamment de simuler numériquement le comportement d’instruments aux géométries très générales, et ainsi d’envisager, par des procédés d’optimisation, une réinterprétation des perces historiques permettant de poser les bases d’explorations ultérieures. [1] Joly, Romain. ”How opening a hole affects the sound of a flute.” Journal of Spectral Theory 1 (2011)
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Caractéristiques acoustiques de guitares construites avec et sans bois tropicaux – Leonardo Guitar Research Project
F. Ablitzer, F. Gautier, C. Zhou, G. Paiva, J. Walraet
[Résumé]
La guitare classique et la guitare folk sont généralement fabriquée en utilisant des pièces de bois tropicaux (le palissandre, l’ébène ou l’acajou). Le projet européen Leonardo, (http://www.leonardo-guitar-research.com ), se fixe pour objectif d’examiner si la présence de bois tropicaux induit une spécificité, une signature acoustique particulière. Pour cela, un nombre conséquence de paires de guitares de géométries identiques mais utilisant des bois tropicaux et des bois européens de substitution ont été fabriquées par plusieurs écoles de lutherie. Des tests d’écoute directs, consistant en des comparaisons en aveugle effectuées par des musiciens professionnels ne permettent pas d’identifier de spécificités de façon claire.
L’objectif de la communication est de procéder à une comparaison fine de sons obtenus au moyen d’une synthèse sonore hybride. Dans cette démarche, les cordes sont décrites analytiquement et le couplage avec la caisse est représenté par un ensemble de modes déterminés expérimentalement au point de couplage. L’avantage de cette technique est de permettre des synthèses sonores des différentes caisses dans lesquelles le geste instrumental et les caractéristiques des cordes sont strictement identiques, la caisse étant la seule caractéristique variable.
L’ensemble des caractéristiques acoustiques de la caisse de l’instrument (paramètres modaux au chevalet, mobilité au chevalet, son de caisse, taux de décroissance) sont regroupés à des fins de comparaisons et de catégorisation pour l’ensemble des instruments testés (14 paires de guitares classiques, 7 paires de guitares folk). Les mesures et analyses sont traitées au moyen de la plateforme PAFI, qui sont constituent un outil d’aide à la Facture Instrumentale (http://pafi.univ-lemans.fr/).
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Chair(s) : |
M. Curtit, ITEMM, 72000, Le Mans, France |
P. Guillemain, LMA, CNRS, UPR 7051, F-13453, Marseille Cedex 13, France |
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Research and development of a casual wind instrument: Venova(TM)
H. Masuda
[Résumé]
A completely new type of casual wind instrument Venova(TM) ”YVS-100” based on a branch-pipe structure was developed by Yamaha and released recently on the market. Although this musical instrument sounds similarly to a single-reed instrument build out of a tapered tube, such as the saxophone, Venova(TM) has is smaller in size and has a lighter weight compared to the regular saxophone. It also allows performance with finger tone holes, similarly to the recorder. These characteristics were made possible by a branched-pipe and meandered-pipe structures. In this paper, we introduce the theory, technology, and the different development steps which led to this new product. In particular we explain the research and development processes from the initial acoustic concept, to the realization of a playable and original music instrument.
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Acoustique du Venova
J.-P. Dalmont
[Résumé]
Le Venova est un saxophone à perce cylindrique créé par la firme Yamaha. L’idée de départ est de réaliser l’analogie bien connue entre un instrument à anche de perce conique et un instrument de perce cylindrique dans lequel l’anche serait placée non pas au bout de l’instrument mais quelque part le long du tuyau. Une des difficultés dans la réalisation d’un tel instrument avec un bec est que celui-ci ajoute un volume qui cause une inharmonicité importante rendant le jeu difficile voire impossible. Par une méthode d’optimisation probablement numérique les ingénieurs de la firme Yamaha ont réussi à résoudre ce problème d’inharmonicité et à produire un instrument facile à jouer. Ce faisant ils ont découvert fortuitement une géométrie incluant le bec dont l’impédance d’entrée est strictement identique à celle d’un saxophone cylindrique.
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Méthodologie de conception pour de nouveaux instruments à anche
T. Colinot, P. Guillemain, J.-B. Doc, C. Vergez, M. Jousserand
[Résumé]
L’évolution des instruments à vents est assurée par les facteurs d’instruments, par un processus de développement itératif d’essai-erreur demandant un grand savoir-faire et la réalisation de nombreux prototypes. Des avancées récentes dans les possibilités de modélisation et de simulation numérique appliquées aux instruments de musique rendent envisageable le développement d’outils numériques d’assistance aux luthiers. Nous engageons une réflexion sur l’utilisation de certains de ces outils, notamment les méthodes d’optimisation numérique basées sur l’impédance d’entrée et la synthèse par modèle physique envisagée comme une méthode de prototypage virtuel. De tels outils sont appliqués à la conception d’un saxophone cylindrique. Les dimensions de l’instrument conçu sont optimisées numériquement pour ajuster son impédance d’entrée à une mesure réalisée sur un saxophone alto professionnel. Les écarts de l’impédance de l’optimum obtenu à l’impédance cible font l’objet d’une analyse selon des descripteurs comme la hauteurs des pics du module de l’impédance ou l’inharmonicité. Cette étude est complétée par la comparaison des résultats de synthèse numérique pour la cible et l’instrument conçu, notamment en termes de régimes produits en fonction des paramètres de contrôles imposés par le musicien. Malgré des différences notables sur les impédances, les comportements des deux modèles de synthèse présentent d’importantes similarités qualitatives. Cette étude permet de mettre en évidence l’importance de la synthèse numérique dans un contexte d’optimisation numérique appliquée à la facture instrumentale.
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Aide à la conception par la simulation en éléments finis d’un corps de saxophone alto
J. Cottier, M. Jeanneteau, J. Selmer, V. Gibiat
[Résumé]
Depuis quelques années, l’entreprise Henri SELMER Paris réalise des calculs en éléments finis pour enrichir ses connaissances sur le fonctionnement acoustique du saxophone. Cette partie simulation vient compléter la démarche Recherche de l’entreprise qui réalise depuis de nombreuses années des mesures d’impédance d’entrée sur ses instruments. Après avoir concentré, dans un premier temps, nos efforts sur le bocal du saxophone, nous étendons maintenant le calcul au corps de l’instrument. Nous avons procédé par étapes en commençant par un corps sans cheminée avec une extrémité ouverte ou fermée pour ensuite ajouter au problème une cheminée ouverte ou fermée. La géométrie à l’interface entre la cheminée et le tube conique engendre un champ de pression et de vitesse complexe. Il est alors nécessaire de bien raffiner le calcul dans cette zone notamment pour tenir compte de l’angle entre le champ de vitesse et les parois de la cheminée, ceci ayant un impact direct sur les pertes visco-thermiques. Nous présenterons les premiers résultats obtenus sur un corps de saxophone alto équipé d’une unique cheminée.
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L’atelier virtuel : vers une conception optimale d’instruments à vent évolutive à destination des facteurs
J. Chabassier, R. Tournemenne
[Résumé]
Notre projet contribue à proposer des solutions d’optimisation pour la facture d’instruments à vent.
L’approche est basée sur une interaction forte avec les facteurs et les instrumentistes, en vue de
définir des critères intéressants à optimiser de leur point de vue. Après avoir transcrit
quantitativement ces critères sous la forme d’une fonction coût et d’un espace de paramètres de
conception, nous souhaitons mettre en oeuvre des techniques numériques de pointe (éléments finis
(FEM), inversion de la forme d’onde complète (FWI), réseau de neurones, techniques d’optimisation
variées) versatiles (en termes de modèles, de formulations, de couplages) pour résoudre le problème
d’optimisation. Nous souhaitons en particulier nous appuyer sur le fait que les ondes sonores dans
les instruments satisfont les lois de l’acoustique dans les tuyaux (Equations aux Dérivées Partielles),
ce qui nous donne accès à la technique de l’inversion de la forme d’onde complète, utilisable en
domaine transitoire ou harmonique. Les méthodologies que nous souhaitons utiliser présentent
l’avantage de faiblement dépendre du critère choisi, et de pouvoir s’adapter à de multiples situations
physiques (décomposition multimodale dans le tuyau, présence de l’embouchure, ...), qui pourront
donc être modifiés a posteriori. L’objectif est de procéder par itérations entre la facture instrumentale
et l’outil de conception optimale (l’atelier virtuel) afin de se rapprocher à terme de critères
représentatifs du timbre de l’instrument et de la facilité de jeu.
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Comment l’optimisation peut-elle être une aide à la facture instrumentale ?
A. Ernoult, S. Missoum, M. Jousserand, P. Guillemain, C. Vergez, P. Sanchez
[Résumé]
Lorsqu’un facteur fabrique un nouvel instrument de musique à vent, il essaye d’optimiser certaines qualités musicales du son produit (la justesse, le timbre, etc). Il est souvent nécessaire de faire un compromis entre ces critères ce qui explique en partie la diversité des modèles existant pour un même type d’instrument. Ce compromis, difficilement quantifiable, se fait en partie en modifiant la perce de l’instrument. Il est donc lié à la réponse acoustique du résonateur, elle-même caractérisée par ses paramètres modaux (fréquences de résonances, amplitude des pics, etc). Cependant, le lien entre ces grandeurs acoustiques et les qualités musicales sont difficiles à prédire. Il est donc complexe de déterminer a priori le compromis à faire entre ces différents critères acoustiques. Certains algorithmes d’optimisation permettent de s’en abstenir à travers le front de Pareto. Ce front correspond à l’ensemble des configurations pour lesquelles l’amélioration d’un critère (par ex. la fréquence du premier pic) entraîne nécessairement la dégradation d’un autre critère (par ex. l’harmonicité). Cet outil permet donc d’expliciter la compétition entre ces critères. Le compromis de facture se fait donc, en toute connaissance, après la phase d’optimisation. Le front de Pareto semble donc adapté à l’aide à la facture instrumentale en proposant un ensemble restreint de géométries au facteur et non une unique solution dictée par les choix de l’acousticien.
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Chair(s) : |
J.-L. Le Carrou, Sorbonne Université, F-75005, Paris, France |
N. Henrich-Bernardoni, Gipsa-Lab, 38402, Saint-Martin-D'Hères, France |
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Le contrôle des instruments chanteurs
C. d'Alessandro, L. Feugère, O. Perrotin, S. Delalez, B. Doval
[Résumé]
La voix n’est pas un instrument de musique, car il n’y a pas d’objet externe mis en jeu par les
membres ou par le souffle. La synthèse numérique permet pour la première fois une coupure entre
le sujet et sa voix, en construisant des instruments chanteurs manipulés par les mains, les pieds,
ou par toutes sortes d’interfaces humain-machine.
Cependant, les possibilités de contrôle des instruments chanteurs sont encore limitées à certains
aspects. Je mentionnerai ici les travaux que j’ai mené avec plusieurs collègues sur: le contrôle de
l’intonation par un stylet sur une tablette graphique et des gestes d’écriture ; le contrôle des
voyelles et de la qualité vocale sur une surface ; le contrôle syllabique du rythme par des points
d’ancrage. Les modèles de synthèse sous-jacents utilisent soit la simulation du modèle source
filtre, soit la modification d’échantillons préenregistrés et étiquetés, soit la
sélection/concaténation/modification d’unités comme les diphones ou les disyllabes.
Le contrôle des instruments chanteurs est multimodal, impliquant l’ouïe ainsi que la vue, le toucher,
et la kinesthésie. Cette combinaison sensorielle et motrice permet dans certain cas de rendre les
l’instruments chanteurs plus justes et précis que la voix, la vue privilégiant les aspects mélodiques
et l’audition des aspects rythmiques.
Miroir de la voix, l’instrument chanteur autorise toutes sortes de spéculations : musicales bien sur,
avec le Chorus Digitalis, chœur de voix de synthèse, mais aussi pour l’analyse des pratiques
vocales, pour l’éducation ou la rééducation, en renforçant l’apprentissage de gestes vocaux par
des traces visuelles, des gestes manuels ou corporels. Le statut symbolique de la voix est
également affecté par la possibilité de contrôler et de produire le son vocal en dehors du corps :
corps augmenté, mise en scène de l’expression vocale, double de la voix, jeu de la voix d’un.e
autre.
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De la capacité d’une bouche artificielle à reproduire le geste d'un musicien
B. Gazengel, A. Munoz, J.-P. Dalmont
[Résumé]
Dans le but de caractériser des anches simples en situation de jeu, une bouche artificielle (BA) en aspiration a été développée. Dans cette BA un bec instrumenté est monté sur un résonateur cylindrique débouchant sur un volume tampon, lui-même connecté à un aspirateur provoquant une dépression dans le bec. Le bec instrumenté permet la mesure de la pression dans le bec, dans la bouche du musicien (ou en champ libre dans le cas de la BA) et du déplacement de l’extrémité de l’anche. Une lèvre artificielle, en contact avec l’anche, est placée sur un système de déplacement à 2 dimensions. Les paramètres de contrôle de cette BA sont la valeur de la dépression créée dans le bec et la position (x,y) de la lèvre. Elle permet, entre autre, d’estimer les paramètres de jeu (pression de seuil, pression moyenne, centre de gravité spectral) et les paramètres d’embouchure équivalents (raideur, amortissement, masse) de façon répétable pour des valeurs des paramètres de contrôle donnés. En retirant le système de déplacement il est possible pour un musicien de jouer le système. La comparaison des mesures obtenues avec un musicien avec celles obtenu avec la BA permet de déterminer la plage de positions de la lèvre pour laquelle la machine reproduit au mieux le jeu du musicien. L’analyse des signaux de pression et de déplacement de l’anche dans cette plage de fonctionnement optimal montre que la bouche artificielle reproduit fidèlement le geste du musicien pour la nuance piano . Pour des niveaux sonores plus élevées, le déplacement de l’anche en situation artificielle est différent du déplacement observé en situation naturelle, en particulier dans la phase d’ouverture lorsque l’interaction anche-lèvre est importante. Il apparait que pour s’approcher au plus près du jeu d’un musicien il faudrait revoir la conception de la lèvre.
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Jeux spectraux dans le chant Höömij Mongol et Tuva
M. Castellengo, J. Curtet, C. Savariaux, N. Henrich-Bernardoni
[Résumé]
Le chant Höömij, une culture vocale que l’on retrouve en Asie Centrale, fascine et interroge (Curtet, 2013). Ces chanteurs Mongols ou Tuva produisent des mélodies en sélectionnant certains harmoniques d’une source acoustique laryngée. Cette sélection finement contrôlée par le chanteur met en interaction la fréquence centrale d’une résonance du conduit vocal, appelée ici formant vocalique, et celle de l’harmonique visé. Plusieurs techniques sont pratiquées, qui impliquent un contrôle de la langue et des lèvres. Faisant suite à un travail publié précédemment (Castellengo et al., 2014), nous présentons les différentes techniques vocales de 7 chanteurs professionnels (4 chanteurs Mongols, 2 chanteurs Tuvas, 1 chanteur français formé au chant mongol). Chacun d’eux maîtrise deux techniques de base : 1/ le contrôle - par le deuxième formant vocalique (F2) - des harmoniques produits par une source glottique vibrant à une fréquence fondamentale d’environ 200 Hz. 2/ le contrôle - par le premier formant vocalique (F1) -des harmoniques produits par les vibrations couplées des plis vocaux et des plis vestibulaires à une fréquence fondamentale très basse (± 70 Hz). L’analyse acoustique de ces productions révèle une grande richesse spectrale associée à la mélodie harmonique. L’énergie spectrale se répartit dans la zone des deux premiers formants, mais également bien au-delà (3-5 kHz) dans une zone spectrale qui n’a jusqu’à présent été que peu explorée pour ce style de chant.
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Le contrôle du timbre par les pianistes experts : investigation de l’effet du « poids » sur la mécanique du piano
C. Traube
[Résumé]
La technique pianistique développée à l’Université de Montréal est fondée sur une organisation du geste qui
vise, d’une part, à servir l’expressivité sonore, et d’autre part à minimiser les blessures. Cette technique
s’appuie sur le contrôle de paramètres tels que le poids et la vitesse d’attaque ainsi que par le choix et la
coordination de mouvements spécifiques qui sont au service du son désiré et répondent à la conception
musicale de l’interprète. En collaboration avec des pianistes experts, nos recherches visent à explorer les
différentes caractéristiques du rapport geste-son qui s’établit dans le contexte de cette approche de la
technique au piano. En particulier, nous cherchons à évaluer l’effet sur la mécanique du piano et sur le
son produit de la variation de paramètres du geste instrumental tels que la vitesse d’attaque et le poids, ainsi
que des mouvements coordonnées que sont la roue, la rotation et le coup de bras. En ce qui concerne la
variation du poids exercé sur la touche, paramètre distinct de la vitesse d’attaque du point vue du
pianiste, nous observons différents comportements du mécanisme de double échappement, notamment au
niveau de l’interaction entre le rouleau et le bâton d’échappement, et une variation de timbre indépendante
de l’intensité du son produit.
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Jouabilité du violoncelle : étude des paramètres de contrôle du musicien
T. Wofford, C. Fritz, B. Fabre
[Résumé]
Les relations entre les propriétés physiques (matériau, géométrie, modes de
vibration,...) des instruments à cordes frottées et leurs qualités (timbre,
jouabilité, ...) ne sont pas bien connues. L’admittance au chevalet, la force
minimale de frottement de l’archet et les diagrammes de Schelleng et de
Guettler qui en découlent sont souvent utilisés pour discuter de la
jouabilité des instruments, sans que le lien entre cette jouabilité
mécanique et celle qui est perçue par les musiciens ait été validé.
Grâce à un système de capture de mouvement, les déplacements relatifs du
violoncelle et de l’archet ont été enregistrés lors de l’évaluation par une
musicienne professionnelle de deux instruments. Des cellules
piezoélectriques placées dans le chevalet, sous chacune des cordes, ont
permis d’enregistrer la vibration des cordes. Les données de mouvement, de
vibration des cordes et de calibrage permettent d’estimer les paramètres de
contrôle : force, vitesse, position et angles de l’archet, numéro de la
corde jouée et longueur effective de cette corde. Les évaluations
qualitatives de la musicienne complètent les données.
La stratégie générale de contrôle développée par la musicienne implique des
paramètres se trouvant assez loin des limites de force d’archet minimale et
maximale de Schelleng, ce qui suggère que des petites variations de ces
limites ne jouent probablement pas de rôle important dans l’évaluation. Une
stratégie de changements de coups d’archet a également été identifiée,
impliquant une distribution des temps d’attaque compatible avec l’étude
précédente de Guettler sur le violon. Cependant, de nombreuses attaques avec
des durées inacceptables (selon le critère de Guettler) n’ont pas été
rejetées par la violoncelliste dans certains contextes musicaux.
Les résultats présentés invitent à repenser l’étude de la jouabilité des
instruments, en se plaçant en contexte de jeu musical et en intégrant la
complexité des éléments de contrôle de la production sonore.
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Analyse et catégorisation du geste: application à la harpe de concert
G. Rocheman, J.-L. Le Carrou, B. David
[Résumé]
Le geste de l’instrumentiste est un élément clé, fruit d’un long apprentissage, dans la boucle d’interaction instrument-instrumentiste. Il est à la fois conditionné par la partition, et déterminant pour le contrôle du timbre, même pour les instruments en oscillations libres comme la harpe de concert. Des travaux récents ont permis de mesurer de manière très précise la trajectoire du doigt de l’instrumentiste pinçant la corde, soit par une méthode directe (caméra rapide) [1] ou soit par méthode indirecte (fourche optique) [2], constituant ainsi une base de données de près de 7000 pincements produits par 21 harpistes, pour plusieurs notes sur toute la tessiture de l’instrument, et dans différents contexte de jeu.
L’objectif de notre travail est d’analyser cette base de données en vue de quantifier les différences entre harpistes, interprétations et contextes de jeu. Pour cela, nous avons mis en place deux approches via des algorithmes d’extractions de caractères et de clustering : d’abord l’analyse directe des trajectoires, puis celle de leurs conséquences sonore par synthèse sonore hybride. Les résultats montrent l’importance du contexte musical dans la forme des trajectoires. En effet, l’étude des trajectoires de pincement permet de différencier les pincements d’arpèges des pincements d’accords, distinguer les musiciens les uns des autres, comprendre leurs diverses stratégies de jeu, d’étudier les contraintes mécaniques imposées par la partition au tempo choisi, et enfin distinguer les nuances gestuelles qui pilotent les intentions d’interprétation et leur importance plus ou moins grande dans la production sonore. [1] Chadefaux, Delphine. Interaction musicien/instrument: le cas de la harpe de concert. Diss. Paris 6, 2012.
[2] Pàmies-Vilà, Montserrat, Étude du jeu du harpiste, CFA, 2016.
[3] Woodhouse, Jim, On the Synthesis of Guitar Plucks, ACTA Acustica united with Acustica, 2004
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Chair(s) : |
D. Dragna, École Centrale de Lyon, LMFA UMR CNRS 5509, 69134, Écully, France |
D. Marx |
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Comportement d'un liner acoustique par approche de type Lattice Boltzmann
F. Simon, P. Marchner, R. Roncen, F. Chevillotte
[Résumé]
Les matériaux absorbants (appelés liner) employés dans les nacelles moteur pour réduire le bruit de fan, sont de type résonateur d’Helmholtz et disposent de parois perforées collées à un nid d’abeille placé sur un fond réfléchissant. Le rapport ”épaisseur de paroi/ diamètre des trous” situé généralement autour de 1 rend les impédances acoustiques dépendantes du niveau sonore incident et des vitesses d’écoulement rasants, ce qui est pénalisant pour le dimensionnement optimal des liners. Si le comportement linéaire des liners, basé essentiellement sur la friction visqueuse au sein des trous, est relativement bien décrit par les modèles (semi)-empiriques, les effets non-linéaires dus à la génération et au lâcher de tourbillons acoustiques à la périphérie des trous nécessitent une approche numérique afin d’introduire des termes correctifs dans les modèles (par ex. par l’intermédiaire d’un coefficient de décharge). En ce sens, la résolution de l’équation de Boltzmann à l’échelle mésoscopique constitue une alternative à la simulation numérique directe (DNS) des équations de Navier-Stokes compressibles. Cet article décrit le modèle numérique associé à l’étude d’un liner, le processus de calcul et les informations déduites du logiciel LaBS-porous implémenté par Matelys. Une analyse des effets non-linéaires dus au niveau de pression incident est conduite pour deux configurations de liners et validée par mesures microphoniques et optiques (LDV) en tube à impédance. Il apparait, d’une part, que ce type d’approche est particulièrement bien adapté à un calcul intensif (par ex. calcul avec 10 à 15 millions de cellules en quelques heures) et, d’autre part, que la visualisation de l’écoulement au sein d’un orifice, le développement de la couche limite acoustique et les zones de recirculation sont bien capturées. Il pourrait ainsi être employé dans le futur pour réaliser le design de matériaux avec un objectif de linéarité dans une gamme de niveau donnée.
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Effets de l’écoulement sur l’impédance d’une chambre partitionnée contenant un matériau poreux
T. Humbert, E. Tchouboum A Gam, Y. Aurégan
[Résumé]
Le comportement acoustique d’un matériau absorbant en présence d’un écoulement rasant est toujours mal compris, malgré son importance en conditions réelles (aéronautique, automobile, etc). En particulier, la différence entre l’impédance mesurée quand les ondes acoustiques se propagent dans le sens de l’écoulement, et celle mesurée quand la propagation a lieu dans le sens contraire, n’est pas expliquée. Cette présentation décrit de nouvelles mesures opérées sur une chambre partitionnée dont les cellules contiennent un matériau poreux. Dans un premier temps, l’échec des modèles classiques à prédire le comportement acoustique avec écoulement de tubes localement traités est à nouveau montré. Puis, deux modèles introduisant un second paramètre en complément de l’impédance pour décrire le comportement avec écoulement du traitement sont appliqués et comparés.
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Influence de la section de cavité sur le comportement à réaction localisée de traitements SDOF et DDOF
M. Versaevel, L. Moreau, E. Lacouture
[Résumé]
Les traitements acoustiques intégrés aux nacelles de turboréacteur sont dans
leur version la plus simple des traitements SDOF (Single Degree Of Freedom)
formés d’une peau perforée, d’une âme alvéolaire en nid d’abeille et d’une peau
arrière réfléchissante. Leur version améliorée DDOF (Double Degree Of Freedom)
est formée de deux étages de nid d’abeille séparée par une peau poreuse
intermédiaire. Dans les deux cas, ces traitements sont dits à réaction localisée
car il n’y a pas de propagation des ondes acoustiques transversalement à
l’intérieur du matériau. En effet, les clinquants des cellules de nid d’abeille
forment un ensemble de résonateurs indépendants les uns des autres et elles sont
suffisamment petites (diamètre de l’ordre de 10mm) pour que seul le mode plan
puisse se propager dans celles ci.
Si l’on augmente la section des cellules, la fréquence de coupure des modes va
diminuer et on va perdre ce comportement à réaction localisée quand un second
mode va apparaitre.
Des essais de perte par insertion ont été réalisés sur des panneaux SDOF et DDOF
pour différentes sections de cavités. Les résultats expérimentaux sont
parfaitement cohérents de la théorie pour les traitements SDOF : dès que le
premier mode non plan apparait, le traitement perd son caractère à réaction
localisée et se comporte comme un muffler . En revanche, pour les panneaux
DDOF, on constate que si un seul des deux étages a des cavités suffisamment
petites, le comportement à réaction localisé est conservé, quelle que soit la
section des cavités de l’autre étage.
Ces résultats expérimentaux se corrèlent aux résultats numériques obtenus avec
le code ACTRAN-TM.
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Traitement acoustique à base de micro-fentes et de plaques déformables
M. Farooqui, M.E. D’Elia, Y. Aurégan
[Résumé]
Le bruit à basse fréquence est très difficile à supprimer ou à atténuer avec des dispositifs ayant une épaisseur beaucoup plus petite que la longueur d’onde du son. Il y a donc un besoin de matériaux acoustiques innovants, efficaces à basse fréquence et capables de faire face aux contraintes spatiales sévères résultant des applications réelles.
Nous présentons donc un matériau qui combine deux effets acoustiques. Le premier effet est lié à l’atténuation dans une micro-fente d’une largeur de quelque dizaine de micromètres. Le second effet est lié à la déformation d’une plaque qui vibre sous l’action de l’onde acoustique incidente. Ces deux effets se combinent en parallèle pour former un dispositif permettant une atténuation qui est à la fois basse fréquence et large bande tout en ayant un encombrement extrêmement réduit.
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Utilisation d'un modèle contrainte-impédance pour décrire la propagation dans un conduit traité avec écoulement
Y. Aurégan
[Résumé]
Avec écoulement, l’effet acoustique d’un mur traité ne peut pas être décrit par une seule quantité, telle l’impédance du mur. Au moins deux quantités sont nécessaires. En plus de l’impédance, il faut tenir compte d’une force longitudinale instationnaire exercée par la paroi sur le l’écoulement.
Cette force est due soit à des effets visqueux, soit au transfert instationnaire de quantité de mouvement de l’écoulement vers le mur traité. Cette présentation décrit un modèle contrainte-impédance où les deux variables utilisées sont l’impédance et le facteur de friction qui relie la pression à une contrainte tangentielle au mur. L’utilisation d’une contrainte surfacique permet de mieux comprendre les mécanismes de transfert de quantité de mouvement entre l’écoulement et la paroi à proximité d’un traitement acoustique.
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Chair(s) : |
D. Marx |
D. Dragna, École Centrale de Lyon, LMFA UMR CNRS 5509, 69134, Écully, France |
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Propagation Acoustique dans les Tuyaux Annelés en Présence d’Écoulement
J. Golliard, T. Humbert, Y. Aurégan
[Résumé]
Les tuyaux annelés ( corrugated pipes) se retrouvent dans de nombreuses applications industrielles où une flexibilité globale et une rigidité locale sont toutes deux requises. C’est le cas par exemple pour les tuyaux d’aspirateur ou les conduites servant au transport de gaz naturel sur une installation off-shore.
Outre les caractéristiques intéressantes de ce type de tuyau en présence d’écoulement, liées aux interactions entre l’onde acoustique et les couches de cisaillement (amplification des ondes sonores, sifflement, etc), le principal sujet de cette présentation est l’analogie qui peut être établie avec le comportement des revêtements utilisés pour réduire les émissions acoustiques des moteurs d’avion.
En particulier, on a montré que la propagation acoustique dans le tuyau annelé est très différente si l’onde voyage dans la même direction que l’écoulement ou dans le sens inverse à celui-ci.
La mesure de la matrice de diffusion, réalisée ici pour différentes vitesses d’écoulement et deux longueurs de conduite, permet la reconstruction des nombres d’onde se propageant dans la partie annelée, celle-ci étant alors modélisée par une impédance équivalente.
Cette impédance peut finalement être calculée, soit en utilisant la condition d’Ingard-Myers au niveau du mur, soit en utilisant une version modifiée de celle-ci introduisant un second paramètre permettant de mieux prendre en compte l’effet de l’écoulement sur la propagation acoustique.
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Identification de modes acoustiques pour les matériaux absorbants en aéronautique
J. Golliard, T. Humbert, G. Gabard, Y. Aurégan
[Résumé]
Une façon de mesurer l’impédance d’un matériau absorbant consiste à reconstruire les nombres d’onde axiaux des modes se propageant dans la partie traitée d’un conduit à l’aide de microphones placés face au traitement, puis dans un second temps à déterminer l’impédance de surface de celui-ci.
Cette présentation s’intéresse à la première étape de cette méthode dite d’éduction et propose de comparer différents algorithmes d’identification modale, ceci afin d’optimiser la reconstruction des modes basses fréquences ainsi que des modes d’ordres élevés. En utilisant le calcul des modes d’un conduit traité en présence d’un écoulement cisaillé, la méthode expérimentale est simulée numériquement en fixant et donc en connaissant le contenu modal et l’impédance.
Cette démarche permet entre autres de déterminer le nombre minimum de microphones et leur position optimale permettant une reconstruction fidèle du contenu modal sur l’ensemble des fréquences. La sensibilité de la reconstruction de l’impédance par rapport au bruit (de mesure, ou celui engendré par les forts écoulements) est également évaluée.
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Optimisation de forme pour la conception des cavités de liner
G. Tissot, G. Gabard
[Résumé]
Les traitements acoustiques de type ”liner” permettent la réduction du bruit rayonné par les moteurs d’avion. Les contraintes d’encombrement, de poids et de plages fréquentielles d’atténuation souhaitées étant de plus en plus restrictives, la conception de traitements efficaces devient un réel défi. Dans cette étude, nous nous intéressons à modifier la forme de la cavité, de sorte d’absorber les ondes acoustiques à des fréquences aussi basses que possibles. Pour cela, nous proposons une stratégie d’optimisation de forme et de topologie par méthode adjointe. Dans ce contexte, la frontière du domaine est déplacée de sorte de faire décroître une fonctionnelle coût. Des modifications topologiques peuvent survenir naturellement lors de ce processus par fusion ou resserrement des trous du domaine. A l’inverse afin d’éviter des minimums locaux, une procédure de création de nouveaux trous doit être mise en place par le calcul du gradient topologique. Deux fonctionnelles coût sont comparées. Nous adoptons pour commencer un point de vue modal, où la sensibilité de modes propres associés aux résonances de la cavité est utilisée afin de déplacer ces modes vers des fréquences plus basses dans le plan complexe. Une deuxième stratégie, plus robuste, consiste à viser une impédance cible sur une plage de fréquence donnée. Une approche de domaines fictifs avec une description du domaine par une fonction level-set est utilisée pour représenter les variations du domaine, en particulier les changements topologiques. Une méthode de type X-FEM (Extended finite element method) est utilisée afin de prendre en compte de manière précise la frontière de la géométrie qui ne coïncide pas avec le maillage fixe. La stratégie proposée sera employée afin d’optimiser des configurations choisies a priori prise comme condition initiale, et pour explorer de nouveaux concepts dans un contexte de compréhension physique des champs de sensibilité et de la solution optimale.
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Slow Sound acoustic diode
V. Achilleos, Y. Aurégan, V. Pagneux
[Résumé]
Electrical diodes appeared more than a century ago and since this date this unidirectional device has
a huge application in many practical system. In this view, considerable efforts have been made to
control other types of wave, including acoustic where numerous applications can be imagined
ranging from biomedical ultrasound imaging to environmental noise reduction. Different
configurations have been proposed to achieve directional propagation using nonlinearity, breaking the
time invariance of the system by modulating some of its properties over time, or else biasing the
system with a vectorial field. In this study, the flow is used as a vectorial field that break reciprocity. It
is known for a long time that the flow convective effect leads to nonreciprocal sound propagation. In particular, we demonstrate theoretically and experimentally that an acoustical diode can be made
in an airflow duct by slowing down the acoustic wave. In the Slow Sound region, the effective sound
velocity can be so low that no wave can propagate against the flow while the propagation is still
possible in the flow direction. The sound is slowing down by putting locally reacting tubes in the wall
of the duct. This phenomenon can occur on a large frequency range that can be extended to very low
frequencies.
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Anomalous sound attenuation behaviours in lined ducts
J. Liu, W. Guo, W. Bi, D. Yang, Y. Aurégan, V. Pagneux
[Résumé]
It is well established that sound attenuation in a lined duct is mainly decided by the least
attenuated mode. The least attenuated mode will have the maximum attenuation rate when
lining impedance is close to the branch point or Exceptional point (EP) at which both the
eigenvalues and their corresponding eigenfunctions of a pair of modes, the least attenuated
mode and its neighbour, coalesce. Therefore, much effort has been devoted to increasing the
attenuation rate of the least attenuated mode by tuning the liner close to EP. In this paper, we
focus on the sound propagation in a 2D semi-infinite lined duct on the premise of no flow. The
liner is assumed to be locally reacting and therefore is modelled as impedance. A source is
located at x=0 and will propagate to infinity. We show that the above
conclusion is correct only when x is very large, or x→
∞, i.e., the least attenuated mode only decides the asymptotic behaviour. When
x is not very large, e.g., kx<20, where </latex>$k=
{\omega}/c_0$</latex>, called transient region, the total sound power could remain nearly no
attenuation, even though the lining impedance is close to EP and the least attenuated mode
has the maximum attenuation rate. We show that the sound pressure field resembles Gaussian
beam and it circumvents the liner. This nearly non-attenuation sound field is achieved by a
special source, we call it the worst source. We then concentrate on how to obtain this source
and the relationship between the worst source and practical sources. The effects of other
parameters on the transient behaviours, e.g., frequency, lining impedance, propagation
distance, etc., are studied as well. This nearly non-attenuation sound field should be avoided in
practically lined ducts.
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Concepts originaux de silencieux passifs pour l’aéronautique
J.-M. Ville, E. Perrey-Debain
[Résumé]
L’étude de l’efficacité des silencieux pour réduire le bruit rayonné par l’entrée d’air ou l’échappement d’un moteur d’avion nécessite la mise en œuvre de moyens de mesure et d’outils de modélisation qui soient proches des conditions aéro-acoustiques d’utilisation de ces systèmes, on peut citer notamment le contexte parfois hautement multimodal dû aux dimensions mises en jeu ainsi que la présence d’un écoulement porteur occasionnant des effets de convection important sur la propagation des ondes. L’UTC travaille en relation avec l’industrie aéronautique sur des concepts originaux de traitements acoustiques qui puissent satisfaire un cahier des charges contraignant excluant à priori les matériaux poreux classiques. L’analyse et la confrontation des résultats des matrices de diffusion calculés par modélisation numérique avec ceux issus des essais menés sur le banc d’essai de section circulaire et développé dans le cadre du projet européen DUCAT ont été réalisées pour trois types de liners: (i) des liners composés de tubes Herschel Quincke associés en série et intégrés à un traitement classique type plaque perforée-nid d’abeille ont montré une efficacité notable aux fréquences de passage des pales tout en maintenant un bon niveau d’atténuation sur une large gamme fréquentielle. Un brevet a été déposé sur ce principe. (ii) L’étude d’un traitement acoustique composé d’une plaque perforée et d’une mousse métallique a montré que ce concept de liner non localement réactif s’avère intéressant pour le traitement des basses fréquences. (iii) Dans le cadre d’une démarche de conception d’un silencieux pour le conduit d’échappement d’un moteur d’hélicoptère qui prend en compte la contenu modal du champ incident et le spectre d’émission de la source, un matériau composé d’une plaque perforée placée sur des cavités résonantes est étudié en fonction de leurs distributions axiale et angulaire.
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Applications of time-domain impedance simulations to non-linear liners and sound transmission through perforates
G. Gabard, O. Dazel
[Résumé]
Time-domain representations of the acoustic impedance of a surface are generally preferred when simulating
broadband sound fields and non-linear effects, as these situations are less amenable to the more common
simulation methods based in the frequency domain. In this communication, we discuss the use of time-
domain impedance representations to tackle two specific applications. Firstly, the modelling and use of a non-linear response of a liner is discussed. A number of simple models are
revisited, including those of Rice and Cummings. The implementations of these models in a finite-difference
time-domain method for two-dimensional problems are then discussed. The use of characteristic waves for
the implementation of these impedance conditions is also described. Secondly, the use of time-domain models is generally restricted to the reflection off an impedance surface.
Here we consider the transmission through, and reflection from, a perforated plate in the time domain.
Starting from frequency-domain descriptions of the reflection and transmission coefficients, the realisation
and numerical implementation of the corresponding time-domain model are detailed. The constraints on the
transmission and reflection coefficients for the well-posedness of the time-domain model are also recovered.
Verification cases are presented as well as an application of this technique to a perforate plate in a silencer.
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Modelling of viscous losses in perforated plates
G. Gabard, Y. Aurégan, R. Billard
[Résumé]
The viscous losses are well known as a key physical process in the dissipation of sound fields interacting with
a perforated plate. A vast number of models proposed in the past decades have been devised to represent
this effect, based mostly on simplified equations motivated by physical arguments. The validity of the various
approximations combined in these models is not always clear. The use of these approximations was justified
by the available computational resources available at the time. More recently various studies have relied on detailed numerical simulations of the fluid dynamics at the scale
of one, or a few, holes in the perforate. These simulations provided a wealth of information on the details of
the physical processes involved. However they remain several orders of magnitude too costly to perform
rapid design evaluations. This presentation shows that it is possible to obtain a simple model for the viscous losses with minimal
approximation and without the need for expansive numerical simulations. It provides a fast and robust model
with a wider range of validity, and allows for an identification of the limit of applicability of the common
approximations used in previous models.
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Chair(s) : |
A. Geslain |
B. Nennig, SUPMECA, 93407, Saint-Ouen, France |
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Détermination des Paramètres Fluide Equivalent d'un Matériaux Poreux à Partir de Mesures d'Impédance Basses Fréquences
J.C. Le Roux, J.-P. Dalmont
[Résumé]
Depuis de nombreuses années, le LAUM et le CTTM développent des outils de mesure de l’impédance acoustique. Un de ces capteurs utilise une source de débit contrôlée à fort déplacement qui permet de réaliser des mesures d’impédance aux très basses fréquences tout en présentant un encombrement nettement plus réduit que les tubes à impédance usuels. La précision obtenue aux basses fréquences offre de nouvelles perspectives qui sont ici appliquées à la caractérisation des matériaux poro-élastiques. En effet, ce capteur permet de suivre la transition entre les fréquences pour lesquelles les effets thermiques dominent et les fréquences pour lesquelles les effets visqueux dominent. Plusieurs types de matériaux sont investigués et la valeur de paramètres en général difficilement accessibles à la mesure est estimée. Les résultats obtenus sont confrontés à ceux obtenus par d’autres méthodes.
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Inférence Statistique pour la Caractérisation de Matériaux Poreux en Tube à Impédance
R. Roncen, F. Simon, E. Piot, C. Glorieux, R. Boonen
[Résumé]
Une méthode d’inférence statistique permettant la caractérisation de matériaux poreux à partir de mesures acoustiques est présentée. L’impédance acoustique en incidence normale est reliée aux paramètres physiques recherchés via le modèle déterministe de Johnson, Champoux, Allard, Pride et Lafarge, auquel une perturbation stochastique est ajoutée de façon à prendre en compte les incertitudes liées aux mesures expérimentales et à la modélisation. L’inférence des paramètres est réalisée à l’aide de la formule de Bayes, permettant la conjonction entre l’information contenue dans l’observation expérimentale réalisée et la connaissance a priori sur les paramètres. L’exploration de l’espace probabiliste est réalisée numériquement à l’aide d’une méthode de Monte-Carlo par chaînes de Markov couplée à un algorithme d’évolution différentielle.
Les paramètres identifiés sont la porosité φ , la tortuosité α∞, les perméabilités statiques visqueuse k0 et thermique k0′, les longueurs caractéristiques visqueuse Λ et thermique Λ′, ainsi que les facteurs de forme visqueux p et thermiques p′ introduit par Pride et Lafarge. L’approche utilisée permet une identification robuste traduisant l’incertitude concernant les paramètres recherchés ainsi que d’éventuelles corrélations entre ces paramètres, mis en évidence par les densités de probabilité. Plusieurs matériaux poreux sont ainsi testés, et les résultats obtenus sont comparés à ceux issus d’approches déterministes d’identification inverses ou directes. Dans un second temps, et comme ouverture, l’approche statistique d’identification est étendue au domaine de l’aéroacoustique, où un code Galerkin-Discontinu est utilisé pour la résolution des équations d’Euler linéarisées et couplé à un ”surrogate model” à deux niveaux, afin de caractériser les paramètres de matériaux poreux de type liner soumis à un écoulement rasant.
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Génération rapide de courbes enveloppes pour les matériaux poro-élastiques
M. Gaborit, J. Rodenas, F. Chevillotte, F.-X. Bécot, O. Dazel
[Résumé]
La modélisation des matériaux poro-élastiques isotropes fait appel à 11 paramètres scalaires : 6 pour les effets visco-thermiques du modèle de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL), 4v liés aux propriétés élastiques et un pour l’épaisseur. Les techniques de caractérisation actuelles permettent au mieux d’obtenir, pour chacun de ces paramètres, une valeur moyenne associée à un écart-type. En effet, afin de s’assurer de la représentativité des résultats, plusieurs échantillons sont systématiquement testés et les écarts observés sont inclus au résultat comme une mesure de la dispersion des résultats. Identifier si l’erreur commise provient d’une véritable différence au niveau du matériau ou si elle est liée à la mesure n’est pas aisé. Dans le but d’améliorer la représentativité des résultats simulés au cours du processus de développement des panneaux absorbants, il fait sens de considérer une courbe enveloppe plutôt qu’une réponse moyenne. L’utilisation de courbes enveloppes entraiône une augmentation significative du coût de calcul. La prise en compte des incertitudes et intervalles admissibles associés implique plusieurs calculs des spectres de réponse pour pouvoir reconstruire ensuite le résultat général. Bien que des techniques rapides existent (comme par exemple la Méthode des Matrices de Transfert ou TMM), elles se montrent toutefois trop lourdes pour envisager de les utiliser de manière fortement répétée. Afin de conserver la vitesse d’exécution, ce travail propose d’éviter l’évaluation numérique des matrices et leur multiplication pour chaque nouveau matériau et chaque tirage. La technique proposée repose sur une évaluation symbolique des équations formant la TMM afin d’obtenir une expression symbolique scalaire des différents indicateurs acoustiques d’intérêt. Dans le but d’augmenter la vitesse de génération des courbes enveloppes, une méthode de tirage à échantillonnage contrôlé est utilisée pour les paramètres.
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Tests inter-laboratoire de caractérisation acousto-élastique de matériaux poreux (Projet Ecobex)
F.-X. Bécot, J. Rodenas, Y. Heulin, P. Leroy, L. Lei, N. Dauchez
[Résumé]
La caractérisation des paramètres intrinsèques des matériaux poreux est une étape nécessaire pour améliorer la précision des calculs prédictifs et faire le lien avec les procédés de fabrication. Ces paramètres intrinsèques comprennent par exemple la porosité ouverte, la résistivité statique au passage à l’air, la tortuosité ou bien encore le module d’Young et le coefficient de Poisson.
Cependant, la caractérisation de l’ensemble de ces paramètres repose sur plusieurs techniques expérimentales dont seule une est normalisée. Parmi les autres, certaines sont communément admises mais peuvent varier selon leurs mises en œuvre expérimentales. Au final, les propriétés d’une même matière peuvent différer significativement selon la procédure globale utilisée.
Les travaux présentés ici visent à illustrer les variations qui peuvent être observées sur la détermination des paramètres du modèle JCAL et des paramètres élastiques pour différents types de matériaux. Un ensemble de 17 matériaux a été testé par trois laboratoires disposant chacun d’un équipement complet pour la caractérisation de ces paramètres. Les matériaux testés couvrent des matériaux fibreux et des mousses réticulées, tous obtenus pour différents taux de compression.
Les variations observées sur la détermination de chacun des paramètres sont analysées en essayant de distinguer la variation provenant de la matière elle-même et celle issue de la technique de caractérisation utilisée. Les coefficients d’absorption et les raideurs élastiques directement mesurés sont également exploitées. Les résultats de mesure sont évalués à l’aide de récents travaux de modélisation visant à améliorer la prédiction des propriétés macroscopiques des matériaux poreux comprimés.
En complément des travaux récents auxquels les auteurs ont participé [Pompoli et al. JASA 2017] ces résultats montrent que les techniques de caractérisation des paramètres acoustiques convergent. En revanche, des travaux sont encore nécessaires pour uniformiser la caractérisation des paramètres élastiques.
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet de recherche EcOBEx.
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Modèles simplifiés pour les films acoustiques
M. Gaborit, O. Dazel, P. Göransson
[Résumé]
Afin d’améliorer la performance acoustique des panneaux absorbants et les protéger dans le temps, les concepteurs ajoutent généralement des films de très faible épaisseur sur la surface du panneau. Ces films, étant eux-même des absorbants acoustiques modifient de manière très notable les propriétés acoustique des panneaux. Ainsi, dans le cadre de simulations, il est nécessaire de modéliser ces films et leur caractère poreux conduit à utiliser un modèle de fluide équivalent à un matériau de Biot ou même un modèle de Biot complet. Les propriétés des films acoustiques sont particulières et difficiles à caractériser du fait de la faible épaisseur du medium et de ses propriétés mécaniques. Deux questions se posent alors : comment prendre en compte les incertitudes sur les paramètres dans le modèle simulé ; et, peut on trouver un modèle moins sensible à ces incertitudes. Dans l’optique de répondre à ces questions, il est intéressant de réfléchir à une simplification du modèle de film. L’objectif de ce travail est de réduire le nombre de paramètres nécessaires pour prendre correctement en compte l’effet du film avec un double bénéfice. D’une part, la prise en compte des incertitudes peut être facilitée par la réduction du nombre de tirages aléatoires à effectuer ; d’autre part, la caractérisation d’un petit nombre de paramètres permet une meilleure précision et reproductibilité. Par des développements asymptotiques et une analyse de l’évolution des nombres d’ondes et ratios d’amplitude du modèle de Biot, une série de simplifications est proposée et testée. Ces simplifications sont introduites dans un modèle en matrices de transfert et l’impact sur la contribution des différentes ondes aux différents champs est évaluée. Ce dernier point permet entre autre d’affiner les simplifications et d’identifier les pistes d’amélioration du modèle simplifié.
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Chair(s) : |
J.-P. Groby, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
V. Romero-García, LAUM, UMR 6613 CNRS, 72085, Le Mans, France |
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Étude du comportement acoustique de matériaux structurés perforés sous forts niveaux d’excitation acoustique
T. Dupont, P. Leclaire, D. Brooke, O. Umnova, R. Panneton
[Résumé]
Cette étude s’intéresse au comportement acoustique sous forts niveaux d’excitation de matériaux perforés résonants pour lesquels la perforation principale comprend un réseau périodique de pores dead-end résonants. Ces matériaux peuvent avoir de bonnes propriétés en absorption acoustique en basses fréquences. Un concept de microstructure contrôlée a récemment été proposé pour optimiser l’absorption acoustique en basses fréquences dans le domaine linéaire. Ces matériaux sont susceptibles d’être utilisés dans des environnements hostiles dans lesquels les niveaux de pression acoustique peuvent être importants, or ces matériaux sont très sensibles au niveau d’excitation, et à fort niveau leurs propriétés acoustiques peuvent être fortement modifiées. Il est proposé dans le cadre de cette étude de modéliser l’acoustique de ces matériaux optimisés sous des forts niveaux d’excitation acoustique par une approche en fluide équivalent avec une modification des paramètres macroscopiques équivalents prenant en compte la vitesse particulaire dans les perforations. Des matériaux perforés résonants sont développés, ils sont testés dans un tube à impédance sous forts niveaux d’excitation et dans un résistivimètre fort débit. Des comparaisons avec la modélisation sont proposées. Il est observé que leurs comportements sous forts niveaux d’excitation différent de façon significative de celui de simples matériaux perforés sans pores dead-end. Un effet remarquable sur l’absorption acoustique spécifiquement dû à la périodicité de pores résonants à fort niveau d’excitation est observé.
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Optimisation de l’atténuation acoustique en utilisant un matériau métaporeux accordé sur un point exceptionnel
B. Nennig, L. Xiong, Y. Aurégan, W. Bi
[Résumé]
Un métamatériau constitué d’un ensemble périodique d’inclusions, placé à l’intérieur d’un matériau poreux, est utilisé comme traitement pariétal pour améliorer l’atténuation acoustique en conduit.
Un pic, observé sur les mesures de perte par transmission sur un échantillon, est relié au croisement des modes de Bloch les moins atténués, calculés en supposant un système infini.
En exploitant la forme de l’inclusion, une étude paramétrique montre que la plus grande atténuation modale est obtenue quand les deux modes fusionnent. Cette configuration particulière correspond à un point exceptionnel dans le plan des paramètres où les valeurs propres et les vecteurs propres de deux modes de Bloch sont identiques.
Ce type de comportement déjà connu pour les matériaux à réaction localisée est étendu aux matériaux poreux. Les grandes possibilités d’accords des métamatériaux permettent ainsi une réalisation pratique.
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Prise en compte de conditions limites de structures finies pour le calcul de dispersion de structures périodiques
K. Billon, M. Ouisse, M. Collet, E. Sadoulet-Reboul
[Résumé]
La conception de métamatériaux pour le contrôle des vibrations peut se baser sur un analyse de dispersion,
s’appuyant sur l’utilisation du théorème de Bloch qui considère une seule cellule avec des conditions aux
limites
adéquates. Ces conditions aux limites correspondent à la répétition infinie de la cellule unitaire en 1D, 2D ou
3D. Des géométries complexes et des systèmes composites peuvent alors être conçus en utilisant cette
approche sur la base de la méthode des éléments finis. Le contrôle des ondes élastiques peut être effectué
en combinant des intervalles de bande de Bragg (interférences d’ondes), des bandes de résonance
(résonance d’un composant incorporé dans la cellule unitaire), de l’amortissement ou encore du contrôle
actif. L’énergie peut alors être réfléchie, transmise, amortie, concentrée ou confinée dans une zone
spécifique de la structure. Cependant, la réalisation pratique de systèmes finis 2D ou 3D réels peut conduire
à des situations où les transferts d’énergie ne sont pas conformes à ceux prédits par le système infini
considéré dans la conception, en raison des réflexions sur les conditions aux limites de la structure finie. Le
comportement du système peut être simulé par la modélisation complète du système, mais cela prend du
temps et peut entraîner des coûts de calcul énormes. Dans cet article, nous proposons une extension de
l’approche de Bloch pour traiter les conditions aux limites du système fini afin de pouvoir identifier les
situations dans lesquelles le transfert d’énergie peut survenir à cause de réflexions sur la frontière du
domaine élastique. Les calculs sont effectués sur 2 cellules avec des conditions aux limites adéquates. La
méthodologie est décrite et validée en utilisant un modèle fini complet et des tests expérimentaux sur une
structure métamatériale adaptative 2D.
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Chair(s) : |
V. Romero-García, LAUM, UMR 6613 CNRS, 72085, Le Mans, France |
R. Sainidou, Normandie Univ, UNIHAVRE, CNRS, LOMC, 76600, Le Havre, France |
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Des paires de monopoles pour la double-négativité acoustique
V. Leroy, M. Lanoy, J. Page, G. Lerosey, F. Lemoult, A. Tourin
[Résumé]
Pour fabriquer un métamatériau acoustique, on utilise généralement des résonateurs sub-longueur
d’onde. Les résonances monopolaires permettent de piloter la compressibilité effective, tandis que
les résonances dipolaires affectent la densité effective. Ces dernières sont toutefois plus difficiles à
obtenir.
Dans cette présentation, nous montrerons que des résonateurs monopolaires disposés par paires,
alignées dans la direction de propagation, présentent une réponse à la fois monopolaire et dipolaire.
Les simulations numériques prédisent alors qu’un tel système permet d’obtenir de la double-
négativité (compressibilité et densité négatives à la même fréquence). Les résultats sont
surprenamment bien prédits par le modèle de Waterman et Truell, pourvu que l’on prenne la paire de
monopoles comme diffuseur élémentaire. Nous discuterons du rôle de la dissipation et de la
faisabilité expérimentale de ce type de métamatériaux. Nous conclurons plus généralement sur l’intérêt des corrélations de position, qui permettent d’établir
des passerelles entre les métamatériaux et les cristaux phononiques. Référence : https://arxiv.org/abs/1710.03341
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Microscope acoustique sub-longueur d'onde basé sur la transmission extraordinaire dans un métamatériau à masse nulle
T. Devaux, J.J. Park, E. Bok, S.H. Lee, O.B. Wright
[Résumé]
L’imagerie acoustique avec une résolution inférieure à la limite de diffraction a fait l’objet d’un
grand intérêt ces dernières décennies avec l’avénement des métamatériaux. Parallèlement, le
développement de dispositifs de transmission extraordinaire acoustique (EAT) a montré la
possibilité de focaliser l’énergie acoustique sur des zones de taille inférieure à longueur d’onde
émise. Cependant, à notre connaissance, ce principe de EAT n’a jamais été utilisé pour des
applications d’imagerie malgré son potentiel pour améliorer la résolution des microscopes
acoustiques.
Dans ces travaux, un nouveau prototype de microscope acoustique fonctionnant en champ
proche et en régime audible est présenté. Celui-ci exploite les capacités de transmission
extraordinaire d’un métamatériau à masse nulle. En utilisant une simple mesure du coefficient
de réflexion à l’intérieur d’un tube rempli d’air qui dispose d’un extrémité sur laquelle est
disposée une membrane sub-longueur d’onde, nous montrons expérimentalement qu’il est
possible d’atteindre une résolution en profondeur d’environ 2 cm, soit 2 fois le diamètre de la
membrane et une résolution latérale d’environ 1 cm, soit ∼ 25 fois inférieur à la longueur d’onde
de fonctionnement (λ = 25 cm) à 1400 Hz dans l’air. Les capacités de ce dispositif sont ensuite
illustrées à travers une application à l’imagerie topographique bi-dimensionnelle avec la
détection d’échantillons en bois et en caoutchouc. Les résultats montrent la possibilité
d’obtenir une image quantitative d’une surface, ainsi que la possibilité d’en déduire des
informations sur le coefficient de réflexion acoustique de l’échantillon avec une résolution sub-
longueur d’onde.
La microscopie basée sur le principe de transmission extraordinaire devrait ouvrir de nouvelles
perspectives dans le domaine de l’imagerie acoustique et du contrôle non destructif.
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Expériences de réfraction négative avec des métafluides acoustiques
T. Brunet, A. Kovalenko, B. Tallon, O. Mondain-Monval, O. Poncelet
[Résumé]
Dans la plupart des expériences de réfraction négative, la démarche usuelle consiste à mesurer l’angle de réfraction d’un faisceau transmis à travers un prisme fait d’un milieu à indice négatif. En utilisant une telle configuration, ce phénomène a été observé dans le domaine des micro-ondes grâce à des structures résonantes bidimensionnelles en 2001 puis en optique grâce à des métamatériaux optiques tridimensionnels en 2008. Si la même année, le phénomène de réfraction négative a été mis en évidence en utilisant des cristaux phononiques, aucune expérience n’a été conduite sur des métamatériaux (aléatoires) acoustiques tridimensionnels. Dans cet exposé, nous étudierons ce phénomène grâce à l’utilisation d’un métafluide composé de micro-billes de silicone poreux possédant un indice acoustique négatif dans le domaine ultrasonore.
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Modèle analytique généralisé pour métasolides anisotropes et rotationels
E. Favier, N. Nemati, C. Perrot, Q.C. He
[Résumé]
La structure composite à trois éléments (dont l’unité structurelle est constituée d’une inclusion dense entourée par un matériau souple, le tout inclus dans un matrice rigide) étudiée expérimentalement par Liu et al. [Science 289: 1734 (2000)] a défini l’un des premiers métamatériaux acoustiques. La même équipe [Liu et al. Phys. Rev. B 71: 014103 (2005)] a proposé un modèle analytique pour décrire les propriétés effectives du matériau, en particulier pour les résonnances locales observées sur les modes de translation. Il a été démontré qu’à ces fréquences la densité effective devient négative. Nous proposons une généralisation ce modèle à des modes alternatifs de sollicitation. Par un traitement analytique nous pouvons montrer le caractère anisotrope de la masse volumique homogénéisée lorsque des modes de translations plans et axiaux sont envisagés. Des modes de rotation peuvent également être abordés, donnant lieu à une densité effective de moment d’inertie, grandeur intensive associée à une cinématique de rotation. Dans tous les cas les résultats sont comparés à ceux dérivés d’un simple modèle masse-ressort pour lequel nous pouvons alors apprécier la limite de validité. Cette modélisation ainsi généralisée ouvre la voie vers un meilleur contrôle de la propagation d’ondes, notamment en permettant d’estimer au mieux les paramètres géométriques et matériaux conduisant aux propriétés homogénéisées souhaitées. C’est d’un intérêt évident dans le domaine de l’isolation (sonore et vibratoire) pour lequel l’atténuation doit être obtenue par des structures de taille modeste et pourtant dans des gammes fréquentielles relativement basses.
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Détermination des propriétés effectives d’un métafluide à partir des coefficients de réflexion et transmission
H. Pichard, O. Poncelet, T. Brunet, O. Mondain-Monval, D. Torrent
[Résumé]
Récemment, la production de micro-billes poreuses parfaitement calibrées a permis la
réalisation du premier métafluide acoustique 3D à indice de réfraction négatif [1]. Cet indice de
réfraction négatif a été mis en évidence expérimentalement par un contrôle de la phase.
L’objectif de ce travail est de déterminer les paramètres effectifs de ces métafluides. D’après la
mesure des coefficients de réflexion et de transmission, la méthode de Fokin [2] permet
d’obtenir les paramètres effectifs du matériau. Bien que cette méthode ait montré son efficacité
pour retrouver les paramètres effectifs de métamatériaux constitués d’une matrice d’air par la
méthode du tube de Kundt par exemple, l’adaptation de cette technique sur un matériau
immergé dans l’eau peut s’avérer non triviale. En effet, une faible erreur dans la détermination
expérimentale des coefficients de réflexion et de transmission entraine une mauvaise
détermination des paramètres effectifs via la méthode de Fokin. L’objectif de ce travail est de
développer une alternative à la méthode de Fokin qui sera mieux adaptée à la mesure
ultrasonore des coefficients de réflexion et transmission d’un métamatériau immergé dans
l’eau. Les résultats sont comparés avec ceux obtenus par la méthode de Fokin. [1] Brunet et al. Nat. Mater. 14, 384, 2015.
[2] Fokin et al, Phys. Rev. B 76, 144302, 2007.
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Chair(s) : |
R. Sainidou, Normandie Univ, UNIHAVRE, CNRS, LOMC, 76600, Le Havre, France |
M. Collet, CNRS, LTDS (Ecole Centrale de Lyon, 69134, Ecully, France |
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Scattering of acoustic waves with loss, gain and symmetry
V. Pagneux, V. Achilleos, Y. Aurégan
[Résumé]
Different aspects of the effects of gain and loss with symmetry on the scattering of acoustic waves will be
presented: PT symmetric scattering in flow ducts, perfect transmission resonances and perfect absorption
by resonators.
First, we will present theoretical and experimental results on the propagation of an acoustic wave in an
airflow duct going through a pair of diaphragms, with equivalent amounts of mean-flow-induced effective
gain and loss, displays all the features of a parity-time (PT ) symmetric system.
Second, we will the inspect the transmission properties of one-dimensional finite periodic systems with PT
symmetry. A simple closed-form expression is obtained for the total transmittance from a lattice of N cells,
that allows us to describe the transmission minima (maxima) when the system is in the PT -unbroken
(broken) phase. Utilizing this expression, we provide a recipe for building finite periodic structures with
near perfect absorption and extremely large amplification.
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Metadiffusers, deep subwavelength acoustic diffusers
V. Romero-García, N. Jimenez, T. Cox, J.-P. Groby
[Résumé]
Sound diffusers are locally-reacting reflecting surfaces with spatially dependent reflection coefficient designed to produce uniform scattering, i.e., the reflected waves by these surfaces are dispersed in many different directions. Therefore, diffusers present a uniform far field magnitude, i.e. a uniform magnitude Fourier transform of its spatially dependent reflection coefficient distribution. The generation of spatially dependent reflecting surfaces is commonly achieved by using phase grating diffusers, also known as Schroeder’s diffusers, that are rigid-backed slotted panels where each slit acts as a quarter wavelength resonator. However, Schroeder diffusers are limited by their depths, which becomes large at low design frequencies. This results in thick and heavy panels, limiting the use of phase grating diffusers for low-frequencies where the wavelength of sound in air is of the order of several meters. Here, we present the concept of metadiffusers which are deep-subwavelength thickness diffusers based on acoustic metamaterials to reduce the thickness of Schroeder diffusers. The system works as follows: first, we consider a rigid panel of finite length with a set of N slits. Second, we modify the dispersion relations inside each slit by loading one of their walls with a set of HRs. The sound propagation becomes strongly dispersive in each slit and the resulting sound speed is drastically reduced. Therefore, each slit behaves as a deep-subwavelength resonator. As a consequence, the effective depth of the slits can be strongly reduced. By tuning the geometry of the HRs and the thickness of the slits, the phase of the reflection coefficients can be tailored to those of usual diffusers but with deep subwavelength structures.
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Wave control of scattering in a locally resonant 3-port acoustic system
O. Richoux, V. Achilleos, G. Theocharis
[Résumé]
We study the scattering properties of a 3-port systems composed
by 3 connected waveguides. Each waveguide is loaded by an Helmholtz resonator
operating in the low frequency regime. We find the conditions and the corresponding configuration in order to achieve
Coherent Perfect Absorption (CPA) either by considering the same input for all ports
(symmetric CPA) or for different inputs (asymmentric CPA). For particular configurations and due to the
properties of the scattering matrix, we show that asymmetric CPA is achieved for an infinite choice of input
waves. We also identify specific conditions for which tuning the phase of the input waves leads to perfect
transmission from
CPA. In addition, we find the conditions and the corresponding configuration to obtain channeling,
directing the energy inputed from two ports to escape out of the system from the third one. An experimental demonstration of the above phenomena is proposed by using 3 cylindrical waveguides
and resonators with tunable cavities.
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Rainbow-trapping absorbers for transmission problems: Broadband and perfect sound absorbing panels
J.-P. Groby, N. Jimenez, V. Pagneux, V. Romero-García
[Résumé]
Broadband and perfect sound absorption by subwavelength panels for transmission problems is reported. The asymmetric panels are composed of a periodic array of open waveguides loaded by Helmholtz resonators (HRs) with slightly different dimensions along the structure depth. In each waveguide, the deepest resonator generates a low cut-off frequency, reducing drastically the transmission. The geometry of the preceding HR is designed to possess a slightly higher resonance frequency and is tuned to match the structure impedance with the surrounding one, thanks to the critical coupling condition. Therefore, reflection vanishes and the structure becomes critically coupled to the incident wave, resulting in perfect sound absorption. This process is repeated by adding HRs, whose resonance frequency is slightly higher than the preceding one, to each waveguide. The last added HR fixes the high cut-off frequency of the perfect absorption band in such a way that slow sound condition is achieved within each open waveguide over a broadband frequency range. We experimentally, theoretically and numerically report perfect sound absorption for two panels: (1) at 300 Hz for a transparent panel of total thickness 2.8 cm, i.e., 40 times smaller than the wavelength, (2) from 350 to 1000 Hz for a transparent panel composed of 9 resonators with a total thickness of 12 cm, i.e., 10 times smaller than the wavelength and covering almost two octaves.
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Broadband acoustic attenuation with multiresonant lossy three-dimensional sonic crystal for the train noise reduction
J.-P. Groby, T. Cavalieri, A. Cebrecos, V. Romero-García, C. Chaufour
[Résumé]
A three dimensional (3D) locally resonant sonic crystal (LRSC) exploiting the multiple resonances and Bragg band gap of a periodic arrangement of scatterers is numerically and experimentally reported in this work producing a broadband acoustic attenuation. The LRSC is made of a square array of square cross-section rigid rod scatterers incorporating a periodic arrangement of quarter wavelength resonators (QWR) and Helmholtz resonators (HR). We exploit the coupling of the local resonant scatterers in order to generate multiple resonances at low frequencies below the Bragg band gap. These coupled resonances are combined with the effect of periodicity in order to produce a strong attenuation over a broadband frequency range with high insertion loss (IL) values. We show that this large IL covers three and a half octaves (from 350 Hz to 5000 Hz) with an average value of 16.8 dB in the range of frequencies between 50 Hz and 5000 Hz. This range of frequencies covers the one of the wheel noise of the train noise. Finally, a simplified 2D LRSC is numerically analyzed in a real geometry of train platform situation, showing the efficiency of the design presented in this work to attenuate wheel noise of trains.
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Phonons with correlated directional and orbital angular momentum degrees of freedom
J. Vasseur, P. Deymier, K. Runge, P. Lucas
[Résumé]
We present a formalism, based on quantum mechanics principles, that enables the calculation of elastic wave functions supported by parallel arrays of coupled one-dimensional elastic waveguides. These wave functions are expressed as tensor products of a spinor part associated with directional degrees of freedom and an orbital angular momentum (OAM) part associated with the phase of the coupled waveguides. We demonstrate that one can construct wave functions, as a superposition of these elastic waves, which cannot be written as a tensor product of a spinor part and an OAM part. These elastic wave functions are not separable in the tensor product Hilbert space tensor product of the subspaces of directional and OAM subspaces degrees of freedom. We show that the notion of nonseparability of elastic waves functions and the demonstration of the analogy between elastic wave propagation and quantum mechanics open unique opportunities in the emerging field of phononics.
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Transmission extraordinaire des ondes élastiques de volume pour des fréquences de l’ordre du GHz
T. Devaux, H. Tozawa, M. Tomoda, P.H. Otsuka, S. Mezil, O. Matsuda, O.B. Wright
[Résumé]
Concentrer l’énergie des ondes acoustiques dans une région de taille inférieure à la longueur
d’onde est un récent sujet d’intérêt dans le domaine des métamatériaux.
Une méthode pour y parvenir est le principe de la transmission extraordinaire des ondes, dans
lequel une structure résonante est combinée à une ouverture de taille sub-longueur d’onde
pour améliorer la transmission de l’onde. La transmission optique extraordinaire (EOT) et la
transmission acoustique extraordinaire (EAT) ont été déjà montrées théoriquement et
expérimentalement. Cependant, cette approche n’a jamais été explorée pour des ondes
acoustiques confinées dans une architecture purement solide.
Dans ces travaux, nous proposons d’utiliser le phénomène des résonances acoustiques de
Fabry-Pérot à l’intérieur d’un tube de taille nanométrique combinées à la conversion des ondes
longitudinales en ondes de surface à l’interface d’une structure rainurée pour démontrer la
transmission extraordinaire acoustique d’ondes de volume dans une structure solide-solide à
des fréquences de l’ordre du GHz.
En couplant les résonances longitudinales de Fabry-Pérot avec les modes de surface, il est
possible de montrer, à l’aide de simulations numériques, une transmission d’énergie jusqu’à
∼290 fois supérieure aux attentes géométriques pour une longueur d’onde acoustique de 115
nm à travers un nanotube de tungstène de 40 nm de longueur et de 5 nm de diamètre reliant
deux demi-espaces de tungstène.
En disposant une structure rainurée en aval du tube, nous montrons qu’il est également
possible de modifier la directivité du rayonnement acoustique pour de futures applications en
imagerie.
La transmission acoustique extraordinaire des ondes de volume dans le régime GHz ouvre la
possibilité de détecter des objets ou des particules à l’échelle nanométrique.
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Diffusion multidirectionnelle d’ondes acoustiques par des cylindres parallèles disposés aux noeuds d’un quasi cristal
A. Tinel, K. Zong, H. Franklin, O. Lenoir
[Résumé]
On s’intéresse à la diffusion mutidirectionnelle d’ondes acoustiques par des
quasi cristaux formés de cylindres parallèles disposés aux noeuds d’un pavage
de Penrose. La structure possède un axe de symétrie d’ordre 5 au centre et des
axes de symétrie d’ordre 2 dans le plan perpendiculaire aux tiges (elle
s’inscrit dans un pentagone). Les tiges en acier (ø 1mm) sont immergées dans
l’eau. Un transducteur émettant des ondes cylindriques est placé au centre du
réseau. Les observations montrent qu’en fonction de la fréquence, on a soit
une absence totale d’onde (fréquence incluse dans une bande interdite), soit
les ondes acoustiques émises par le transducteur sont dirigées
préférentiellement selon les axes de symétrie d’ordre 2. On montre que la
présence d’un défaut créé en retirant une tige à un endroit convenablement
choisi, permet d’influer sur la multidirectionalité et de privilégier
certaines directions d’émission. Des simulations fréquentielles et temporelles
sont réalisées. Des mesures expérimentales sont effectuées en vue d’une
comparaison avec les prédictions théoriques.
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Disorder distribution of scatterers for broadband acoustic transparency
V. Romero-García, O. Richoux, G. Theocharis, L.M. Garcia Raffi
[Résumé]
Broadband transparency is reported in this work by a disordered distribution of scatterers. In the Born approximation, the structure factor of the array of scatterers can be directly related by the scattered intensity which will depend on the position of the scatterers in the system. By using this property, different kind of materials can be designed as for example hyperuniform materials or super ideal gases. In this work we analyze the case corresponding to disorder distributions of scatterers having zero structure factor, i.e. suppressing the scattering of the system and as a consequence being transparent. This kind of systems are known as stealth materials. By using an optimization method, we can design 1D disorder arrays of scatterers having those properties for a broadband range of frequencies. The analyzed system consists of a cylindrical waveguide in which N scatterers are made by changing the section of the main waveguide (diaphragms) at N different positions. The system is characterized by the transfer matrix method as the system is considered in the plane wave propagation region (1D). If the N scatterers are periodically placed in a length L, it is known that at the Bragg frequency strong scattering happens. We design the stealth material in order to suppress the Bragg scattering and to have a transparent behavior at this range of frequencies. Particularly, we analyze the unavoidable effect of viscothermal losses for the case of acoustics showing that the design is robust to the presence of losses. These preliminary results show the possibility to the design of broadband transparent materials by scattering cancellation produced by the N scatterers.
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Optimal Straw-like Metamaterial Design for Low Frequency Sound Absorption
W. Huang, L. Schwan, V. Romero-García, J.-M. Génevaux, J.-P. Groby
[Résumé]
Straws or straw-like natural materials, such as wheat, reed or rattan, have been used as
thermal insulation material for thousands of years throughout the world. But its functionality on
sound absorption is only studied through rudimentary models and methods. Here, we propose
an anisotropic acoustic metamaterial design, inspired by straw stack for prefect sound
absorption. The physics of the porous media in idealized straw-stacks is enriched by tailoring
inner resonances. The approach to this straw-inspired metamaterial relies on the
homogenization of a periodic arrangement of straw-like quarter-wavelength resonators.
Several optimal designs are found out by critical coupling technique And impedance tube
measurements are performed on 3-D printed samples with controlled parameters to validate
the theoretical results.
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Observation of topologically protected helical edge states in an elastic waveguide
M. Miniaci, R.K. Pal, B. Morvan, M. Ruzzene
[Résumé]
The investigation of topologically protected waves in classical media has opened unique opportunities to achieve exotic properties like one-way phonon transport, protection from backscattering and immunity to imperfections. While a number of experimental observations in acoustic and electromagnetic domains has appeared so far, their observation in elastic solids has so far been elusive due to the presence of both shear and longitudinal modes and their modal conversion at interfaces and free surfaces. Here we report the experimental observation of topologically protected helical edge waves in an elastic plate patterned according to a Kagome lattice with an accidental degeneracy of two Dirac cones induced by drilling blind holes through the waveguide thickness. The careful breaking of symmetries couples the corresponding elastic modes which effectively emulates spin orbital coupling in the quantum spin Hall effect. The experimental full wavefield reconstruction by means of a scanning laser Doppler vibrometer clearly provides the demonstration of topological robustness and the ability to guide waves along channels with sharp corners in elastic structures. The results may open up new avenues in the fields where vibrations play a crucial role, such as civil engineering, energy harvesting and the aerospace industry, opening avenues for the practical realization of compact, passive and cost-effective elastic topological waveguides.
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Chair(s) : |
E. Sadoulet-Reboul, CNRS/UFC/ENSMM/UTBM, 24 rue de l'épitaphe, 25000 Besançon |
T. Brunet, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
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Phénomènes non-linéaires dans des cristaux phononiques piézoélectriques avec conditions électriques dépendant du temps
C. Croënne, O. Bou Matar, J. Vasseur, A.-C. Hladky-Hennion, B. Dubus
[Résumé]
Ce travail concerne la propagation des ondes élastiques dans des cristaux phononiques à une dimension constitués d’un assemblage périodique d’éléments piézoélectriques munis d’électrodes. Dans ces structures, les courbes de dispersion sont fortement modifiées lorsque l’on fait varier les impédances électriques connectées aux électrodes. Par exemple, un empilement d’éléments tous identiques séparés par des électrodes connectées à la masse présente une bande interdite de Bragg qui disparaît lorsque ces électrodes passent en condition de potentiel flottant. Le cas de la réponse temporelle d’un système lorsque ses conditions aux limites électriques dépendent du temps est ici étudié. Des simulations sont réalisées, basées sur la technique des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). On s’intéresse en particulier au cas d’un décalage continu de conditions de mise à la masse. Des effets d’intermodulation analogues à une diffusion Brillouin sont observés. L’étude des spectres en transmission montre par ailleurs que ce type de système présente un potentiel important pour la réalisation de composants acoustiques fortement non-réciproques. Un modèle analytique de la propagation est développé, permettant d’expliquer la dispersion des ondes relevée dans les résultats FDTD. Le cas particulier des régimes instables est enfin abordé.
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Contrôle de la structure de bandes d'un cristal phononique piézoélectrique
N. Kherraz, F. Chikh-Bled, P. Rembert, R. Sainidou, L. Haumesser, F. Levassort, B. Morvan
[Résumé]
Un Cristal Phononique (CP) actif constitué d’une plaque piézoélectrique homogène recouverte d’un réseau périodique 1D d’électrodes minces connectées à des impédances électriques est étudié. L’accordabilité du CP est obtenue grâce à l’application de conditions aux limites électriques périodiques (CLP) conduisant à un contrôle de la dispersion des ondes élastiques guidées se propageant dans le CP. Selon la nature des CLP, il va être alors possible de créer des nouvelles branches hybrides issues du couplage entre des modes guidés de plaque et des résonances électriques accordables, et de modeler leur dispersion. Entre autres, on peut contrôler la position et largeur de bande interdite de Bragg (BG), ou alors créer des modes à vitesse de groupe quasi-nulle ou négative associés à l’ouverture d’une bande interdite d’hybridation (HBG) sub-longueur d’onde. Ce comportement peut être décrit voire prédit efficacement par un modèle simple équivalent de ligne de transmission électrique dont la robustesse est validée par une modélisation théorique exacte. Cette dernière est basée sur un formalisme de décomposition en ondes planes du champ élastique de déplacement à l’intérieur de la plaque piézocéramique combinée avec des conditions de Bloch-Floquet aux limites élastiques et électriques. Des mesures de spectre d’impédance électrique sur les structures correspondantes de dimension finie, corroborent les résultats théoriques obtenus. En guise d’illustration, on s’intéressera en particulier à l’interaction de deux HBG obtenus à partir de deux résonances électriques voisines.
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Isolateur acoustique compact et large bande à l'aide d'un métamatériau acoustique actif par contrôle distribué aux parois
S. Karkar, M. Collet
[Résumé]
On propose un concept de diode acoustique, ou plutôt isolateur acoustique, c’est-à-dire un guide d’onde qui laisse passer les ondes acoustiques dans un sens mais pas dans l’autre. Contrairement à la plupart des travaux sur le sujet, l’isolateur acoustique proposé est parfaitement linéaire et sans flux d’air. Il s’agit d’un métamatériau dont les propriétés, ne reposant pas sur des résonances internes, conservent un caractère à priori très large-bande. Le métamatériau proposé repose sur des éléments actifs (actionneurs et capteurs) disposés en réseau en parois du guide d’onde, et pilotés par contrôle distribué. Ainsi il devient possible de ”programmer” une condition aux limites au niveau de la paroi du guide d’onde, c’est à dire une relation pression-vitesse non standard et non locale, sous la forme d’une équation différentielle. Dans un premier temps, on proposera un modèle théorique 1D permettant de relier le comportement du type ”isolateur” au choix de l’équation différentielle programmée sur les parois du guide d’onde. Dans un second temps, on examinera des résultats de simulations numériques afin de comprendre d’où peuvent provenir les limitations en terme de stabilité et de réponse en fréquence d’un isolateur réel, et de manière à guider le dimensionnement expérimental.
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Structures de Bandes d’un Cristal Phononique Piézoélectrique Accordable 1D Couplé à un Circuit Électrique Dispersif 2D-Périodique
O. Poncelet, A. Shuvalov, A. Kutsenko
[Résumé]
Le besoin de conférer un caractère accordable aux cristaux phononiques (CP) a poussé la
communauté à inventer différents types d’approches pour modifier leur structure de bandes (par
exemple fenêtres fréquentielles variables des bandes interdites, modification de la célérité/élasticité
en régime quasi-statique etc). Une façon est l’utilisation de stimuli externes (mécaniques, thermiques,
magnéto-électriques...) pour modifier la rhéologie et/ou la géométrie du PC et ainsi altérer dans une
certaine mesure les diagrammes de bandes initiaux. Une autre approche, autrement plus efficace et
versatile, est le couplage du PC incorporant des éléments piézoélectriques à un circuit électrique
externe. L’alliance de la piézoélectricité avec des composants électriques/électroniques bien choisis
autorise non seulement des variations quantitatives notables des courbes de dispersion mais aussi
l’apparition de nouveaux types de structures de bandes (patchs piézoélectriques ou électrodes
internes).
L’objet de cette communication est de présenter une nouvelle façon d’accorder les structures de
bandes de CP (matériellement) unidimensionnels à électrodes internes. Le CP est constitué d’une
structure homogène intégralement piézoélectrique au sein de laquelle des électrodes sont insérées
périodiquement. Ces dernières sont couplées à un réseau de capacités électriques 2D-périodiques.
En plus de certains effets déjà connus pour le couplage de ce type de CP avec un réseau électrique
1D de capacités (bandes interdites accordables par exemple), nous observons théoriquement des
structures de bandes nouvelles aux comportements très singuliers pour des CP mécaniquement 1D,
telles : des branches non monotones, un spectre de bandes continues et une nouvelle forme
d’hybridation acousto-électrique autour de nombres d’ondes de Floquet spécifiques. L’ensemble de
ces nouveaux effets sont intimement liés à la deuxième dimension du réseau électrique considéré
( orthogonalement au CP) qui induit une dispersion intrinsèque de celui-ci et la notion de
localisation du potentiel électrique au niveau de la partie mécanique à l’instar des ondes de surface
en élasticité.
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Bande interdite électrique accordable dans des plaques piézoélectriques
A.-C. Hladky-Hennion, C. Vasseur, B. Dubus, J. Vasseur, C. Croënne, M. Pham Thi, C. Prevot
[Résumé]
Les cristaux phononiques (CP) peuvent présenter des bandes interdites, bandes de fréquences dans lesquelles la propagation des ondes est interdite (i ;e. les ondes sont évanescentes). Les applications qui découlent de cette propriété concernent les isolants ou filtres soniques, de la gamme kHz à la gamme GHz en fonction de la périodicité spatiale. Dans cette présentation, le cas général des CP à base de matériaux piézoélectriques est présenté. On considère ici une plaque piézoélectrique, polarisée suivant son épaisseur, recouverte d’un réseau périodique d’électrodes sur ses deux faces. Ce dispositif présente des bandes interdites qui dépendent des conditions aux limites électriques imposées sur les électrodes périodiquement réparties (électrodes à potentiel flottant ou mises à la masse). Un modèle analytique a été développé, comparé avec succès aux résultats d’un modèle éléments finis. En fonction de la condition aux limites électrique imposée sur les électrodes, l’accordabilité est clairement démontrée. Lorsque les électrodes sont toutes reliées à la masse, le dispositif ne présente pas de bande interdite. En revanche, lorsque les électrodes sont à un potentiel flottant, une bande interdite apparait, due à une discontinuité du champ électrique entre deux cellules voisines. Une expérience est ensuite menée : un échantillon comportant 10 électrodes est fabriqué et caractérisé. Une excitation électrique est imposée sur la première électrode, le signal reçu sur la dixième électrode est analysé, les 8 électrodes intermédiaires étant ou en potentiel flottant ou connectées à la masse. Des mesures à l’aide d’un vibromètre laser permettent de mettre en évidence les modes qui se propagent dans l’échantillon, alors que des mesures électriques sur la dernière électrode permettent de mettre en évidence un changement dans la transmission du signal en fonction de la connexion des électrodes intermédiaires. Enfin, une extension du concept à un dispositif présentant une périodicité dans deux directions est présentée.
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Chair(s) : |
T. Brunet, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
J.-P. Groby, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans Cedex 9, France |
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Direct observation of impact propagation and absorption in dense colloidal monolayers
I. Buttinoni, J. Cha, W.-H. Lin, S. Job, C. Daraio, L. Isa
[Résumé]
Dense colloidal suspensions can propagate and absorb large mechanical stresses, including impacts and shocks. The wave transport stems from the delicate interplay between the spatial arrangement of the structural units and solvent-mediated effects. For dynamic microscopic systems, elastic deformations of the colloids are usually disregarded due to the damping imposed by the surrounding fluid. Here, we study the propagation of localized mechanical pulses in aqueous monolayers of micron-sized particles of controlled microstructure. We generate extreme localized deformation rates by exciting a target particle via pulsed-laser ablation and we track the displacements of all the particles using a high speed camera. In crystalline monolayers, stress propagation fronts take place, where fast-moving particles (V approximately a few meters per second) are aligned along the symmetry axes of the lattice. Conversely, more viscous solvents and disordered structures lead to faster and isotropic energy absorption. Our results demonstrate the accessibility of a regime where elastic collisions also become relevant for suspensions of microscopic particles, behaving as ”billiard balls” in a liquid, in analogy with regular packings of macroscopic spheres. We furthermore quantify the scattering of an impact as a function of the local structural disorder.
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Propagation d’Ondes dans des Structures Phononiques Magnéto-Granulaires: dynamiques linéaire et non linéaire
F. Allein, V. Tournat, V. Gusev, G. Theocharis
[Résumé]
Les cristaux granulaires sont des arrangements périodiques de particules élastiques en contact. Nous
présentons ici la conception et l’étude de structures granulaires composées de billes d’acier centimétriques.
Les forces statiques de contact entre les billes, déterminantes pour les caractéristiques de la propagation et
la dispersion des ondes élastiques, sont créées par un champ magnétique provenant d’aimants permanents
situés dans un substrat. Cette configuration permet donc d’adapter la réponse dynamique du milieu en
modifiant les forces magnétiques des aimants [1]. De plus, ce dispositif permet de facilement réaliser
expérimentalement des structures architecturées en une [2] ou deux dimensions.
Des résultats expérimentaux sont présentés pour différentes structures mettant en évidence la propagation
de modes élastiques avec micro-rotation des billes. La prise en compte des non-linéarités de contact permet
de prédire et dëobserver expérimentalement la génération d’harmonique ainsi que la conversion de modes
longitudinaux vers des modes couplés de translation-rotation dans des structures s’écartant des chaines
granulaires unidimensionnelles simples.
Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour le contrôle des ondes élastiques dans le régime
linéaire mais également non linéaire. [1] F. Allein, V. Tournat, V.E. Gusev, and G. Theocharis, Tunable magneto-granular phononic crystals, Applied
Physics Letters 108, 161903 (2016). [2] F. Allein, V. Tournat, V.E. Gusev, and G. Theocharis, Transversal-rotational and zero group velocity modes
in tunable magneto-granular phononic crystals, Extreme Mechanics Letters, 12, 65-70 (2017).
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Contrôle de La Réflexion Et de La Transmission des Ondes Acoustiques par Une Méta-interface Non Linéaire Localement Résonante
X. Guo, V. Gusev, V. Tournat
[Résumé]
Les propriétés de réflexion et de transmission des ondes acoustiques par une méta-
surface formée d’éléments élastiques non linéaires résonants (masses et ressorts), sont
étudiées de manière théorique et numérique. Pour certains designs de méta-interface non
linéaire, nous montrons théoriquement et numériquement la possibilité de convertir, dans
le processus de réflexion, une grande partie de l’énergie d’une onde fondamentale
incidente vers le deuxième harmonique. Les conditions théoriques permettant d’optimiser
l’effet sont obtenues et discutées. La transmission des ondes acoustiques peut eôtre
également manipulée de la sorte et controôlée avec d’autres structures de méta-interface.
Les résultats théoriques obtenus par la méthode de l’équilibrage harmonique sont en bon
accord avec ceux obtenus par intégration numérique des équations du mouvement
discrètes pour les signaux à bande fréquentielle étroite. La dynamique temporelle est
étudiée et permet d’envisager des applications comme la mitigation d’ondes de choc. En
perspective, le design de telles méta-interfaces non linéaires est proposé à l’aide de
structures à carré-tournants, présentant des propriétés auxétiques et non linéaires.
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Dissipative dark solitons in acoustic waveguides loaded with an array of side holes
J. Zhang, V. Romero-García, G. Theocharis, O. Richoux, V. Achilleos, D. J. Frantzeskakis
[Résumé]
In this work, we study analytically and numerically solitons in an one-dimensional (1D)
weakly lossy nonlinear acoustic metamaterial, composed of a waveguide periodically
loaded by side holes. Based on the transmission line approach, we develop a lossy
nonlinear dispersive lattice model which, in the continuum approximation, leads to a
nonlinear, dispersive and dissipative wave equation. Applying the multiple scales
perturbation method, we derive an effective lossy defocusing nonlinear Schrödinger
equation which supports dark soliton solutions. Using these solutions we obtain
approximate analytical envelope dark solitons of the lattice model under conditions based
on the relationship between dispersion and nonlinearity. We perform direct simulations to
study the dissipation-induced dynamics of the dark solitons. The limits of the three relevant
parameters, i.e., nonlinear, dispersion and dissipation lengths, playing a role in the
generation of the dark soliton are discussed in this work. Our results provide opportunity
for the development of new acoustic metamaterials combined simultaneously with
dissipative, dispersive and nonlinear effects.
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Chair(s) : |
N. Grimault, UMR CNRS 5292 - CRNL, 69366, Lyon, France |
C. Fritz, LAM-d'Alembert - Sorbonne université, 75252, Paris Cedex 05, France |
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Effects of externalized preferred music on the brain's name-discrimination response
L. Heine, A. Corneyllie, T. Tillmann, J. Luauté, M. Lavandier, F. Perrin
[Résumé]
Background:
Normally, sounds we hear are located in the space around us and acoustically filtered by the head and torso of the listener and by the reverberation producing variations in interaural cues across time. Headphone listening is not subject to these effects and gives the impression that the sound originates from within the head. Enhanced auditory quality, through externalisation of the sound leads to a deeper meaning associated with the stimuli (Raake & Blauert, 2013) and an increased level of presence, emotion, and spatial perception (Brinkman, Hoekstra, & Egmond, 2015). Surprisingly little is known about the impact of auditory externalization on brain processes. Furthermore, how the effects of externalisation translate to acoustic stimuli with autobiographical context, personal relevance and emotion, such as preferred music remains unknown. The use of autobiographical stimuli are especially important in neurological pathology, like Disorders of Consciousness (DOC; patients showing no or limited signs of consciousness) where these stimuli lead to improved diagnostic accuracy. Enhanced realism created through sound-externalization is expected to improve attentional brain-processes both in healthy subjects as well as patients with DOC.
Methods:
Hd-EEG ERP analysis of the own-name paradigm (Perrin, Garcia-Larrea, Mauguire, & Bastuji, 1999) following four contexts: externalized preferred music, internalized preferred music, externalized neutral sound and internalized neutral sound.
Results:
Within healthy subjects, ERP P3b peaks show shorter latency for externalized conditions. The P3a component is present during music and externalized conditions, but not during internalized sound conditions.
Conclusions:
The own-name seems to be processed quicker when presented in a more realistic (externalized) context. Furthermore, attention related components were present during more realistic autobiographical conditions (externalized and preferred music conditions).
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Global and local temporal processing in audition, and the influence of musical expertise
P. Susini, S. Jibodh-Jiaouan, E. Brunet, O. Houix, E. Ponsot
[Résumé]
How the visual system processes a scene at the different levels of spatial information - global (overall picture) vs. local (details) - is critical for understanding its organization and how it operates in natural conditions. Several decades of research in vision have provided converging evidence for a so-called global prevalence phenomenon: global-level processing happens before and strongly controls local-level processing. Despite its equally important role in auditory scene analysis, and more specifically in music perception, it still remains poorly understood how the auditory system deals with the different time-scales - i.e with local (short) and global (longer) temporal windows - of an auditory stream.
In the present study, we designed different types of stimuli with independently manipulated global/local melodic structure similarities to investigate, in a carefully controlled psychophysical task, how local and global auditory processes operate and interact over time, and how these effects vary with musical expertise. Naïve (N=15) and expert (N=15) musical listeners were asked to compare whether two successively presented melodies (made of sequences composed of three groups of three successive tones), were similar or different, either at their global level (the structure of the groups) or at their local level (the structure within the groups). Our results show a global interference only for monotone melodic patterns (rising or falling in pitch) and when the modifications occurred at the end of the stimuli (last group), not at the beginning (first group). In addition, we found clear differences between naïve and expert musical listeners. These results allow us to further discuss how local/global temporal processing is organized in the auditory system and how this is reshaped by musical expertise.
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Déficits de perception des émotions dans l'amusie : relations avec les paramètres acoustiques
A. Pralus, Y. Lévêque, C. Hirel, A. Belfi, L. Fornoni, R. Bouet, M. Gomot, A. Bhatara, E. Bigand, A. Caclin, B. Tillmann
[Résumé]
La perception des émotions véhiculées par les sons est déterminée par leurs
paramètres acoustiques. Que ce soit en musique ou dans la parole, les
émotions que l’on ressent sont essentielles pour communiquer avec autrui.
Nous nous sommes intéressés aux déficits de perception des émotions dans la
musique et le langage chez des personnes ayant un déficit de perception
musicale : l’amusie. A l’aide de paradigmes comportementaux, nous avons
étudié des personnes atteintes d’amusie congénitale et des personnes
souffrant d’amusie acquise à la suite d’un AVC, comparées à des contrôles
appariés. Les résultats de notre étude montrent que les amusiques
congénitaux et les patients ayant eu un AVC dans l’hémisphère cérébral
gauche ont une reconnaissance déficitaire des émotions musicales. Chez les
amusiques congénitaux, nous avons testé la prosodie émotionnelle qui s’avère
également déficitaire. Parallèlement, nous avons réalisé une analyse
acoustique des stimuli et corrélé les paramètres acoustiques avec l’espace
d’une analyse multifactorielle rendant compte des relations entre émotions,
dérivé des jugements des participants. Pour les stimuli musicaux, deux
dimensions (l’éveil et la valence) permettent de catégoriser les émotions,
ces dimensions sont sous-tendues en particulier par la brillance, la
rugosité et le mode du stimulus. Malgré leur déficit de reconnaissance, les
amusiques congénitaux s’appuient sur les mêmes paramètres acoustiques que
les contrôles pour juger la valence et l’éveil des stimuli. Pour la prosodie
émotionnelle, quatre dimensions rendent compte des relations entre émotions,
avec une nette similitude entre les stimuli neutres et tristes qui se
distinguent seulement par les paramètres de flux spectral et d’enveloppe
temporelle. Les amusiques congénitaux confondent davantage ces deux
émotions, avec des réponses moins corrélées aux paramètres acoustiques que
les contrôles. Ces études ont permis d’identifier les paramètres acoustiques
permettant de distinguer les émotions dans la musique et la parole, et de
mieux comprendre les déficits de perception musicale.
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Violon : qu’est-ce que la projection ?
C. Fritz
[Résumé]
La projection, à savoir la capacité d’un violon à remplir une salle et
passer au-dessus d’un orchestre, est une propriété fondamentale pour les
solistes. Mais à quoi correspond-elle exactement ? Comment est-elle évaluée
par les violonistes sachant qu’il n’est évidemment pas possible pour un
musicien d’écouter son violon (lorsqu’il le joue) à la fois sous l’oreille
et à la fois au fond de la salle ? Diverses croyances à propos de la
projection circulent dans la communauté des violonistes et des luthiers.
Certaines, à savoir que le son des instruments qui projettent croît avec la
distance, défient tout simplement les lois de la physique. D’autres, sur la
projection supposée inégalée des vieux violons italiens du XVIIe siècle,
n’ont pas pu être confirmées lors des tests d’écoute en double aveugle
opposant des violons neufs à des Stradivarius (Fritz et al., PNAS 2017). Les
dernières concernent la relation entre projection et volume sonore : est-ce
qu’un violon peut ne pas sonner fort sous l’oreille mais bien projeter et
inversement ? Est-ce qu’un violon qui projette est perçu comme fort ? C’est
cette relation que nous avons voulu explorer grâce à divers tests d’écoute,
mettant en jeu plusieurs musiciens professionnels jouant, en aveugle, de
courts extraits sur des paires d’instruments, derrière un écran
acoustiquement transparent. Dans un premier test, les auditeurs étaient soit
placés sur scène (pour juger le volume sonore sous l’oreille ) soit au
fond de la salle (pour juger la projection). Dans un deuxième test, les
auditeurs étaient rassemblés au milieu de la salle et jugeaient soit le
volume sonore soit la projection (sans savoir ce que les autres jugeaient).
Les données sont en cours d’analyse et les résultats seront présentés lors
de la conférence.
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Epreuve perceptive de discrimination entre différentes trompettes, basée sur des simulations par modèle physique
R. Tournemenne, A. Chabot, J.-F. Petiot, J. Gilbert
[Résumé]
Dans le cadre de l’étude de la qualité des instruments de musique, nous avons optimisé, à
partir de simulations sonores par modèle physique, la justesse de trompettes en faisant varier
des paramètres géométriques de l’embouchure et de la branche d’embouchure.
L’objectif de ce travail est de déterminer, par un test d’écoute des sons simulés, dans quelles
mesures les différences entre la géométrie optimale et des géométries courantes sont
perceptibles.
Trois trompettes d’intérêt sont étudiées : la trompette optimale, la trompette de référence
(trompette initiale lors de la procédure d’optimisation), et une trompette élémentaire (trompette
admissible, mais dont la valeur de la justesse est faible).
L’expérience perceptive est une épreuve d’écoute par paires de sons (same-different test)
impliquant 32 participants (musiciens ou non).
Deux épreuves sont proposées : l’évaluation des différences perceptives entre les 3
instruments étudiés, et l’évaluation des différences perceptives entre différents sons du même
instrument.
Les résultats de chaque participant pour chaque famille de sons sont représentés par la
matrice de confusion de l’épreuve same-different, de laquelle différents indicateurs de
performances issus de la théorie de détection du signal sont extraits.
Les conclusions montrent que la trompette optimale et la trompette de référence présentent
bien des différences perceptibles, les performances de détection des sujets musiciens étant
par ailleurs significativement supérieures à celles des sujets non-musiciens.
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Chair(s) : |
R. Nicol, Orange Lab, 22307, Lannion, France |
J. Palacino, Feichter Electronics, 22300, Lannion, France |
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Une révolution binaurale ?
P. Rueff
[Résumé]
Après une longue phase d’un intérêt essentiellement scientifique, le format binaural a suscité ces dernières années un net engouement chez les créateurs et producteurs audiovisuels. La conférence fait une synthèse des pratiques et perspectives actuelles du point de vue d’un réalisateur audio 3D.
L’omniprésence des terminaux mobiles, le développement des réalités virtuelles et augmentées et l’emploi du casque, comme moyen désormais standard d’écouter du son, ont favorisé nombre d’expérimentations sur les possibilités de narrations immersives qu’offre le son 3D.
Pour le grand-public les occasions de découvrir ces nouvelles formes se multiplient. Les diffuseurs s’y essayent, les professionnels se forment, s’organisent, de nouveaux outils apparaissent, laissant présager une certaine révolution dans notre relation au sonore.
Le format binaural et son usage obligatoire du casque permettent en effet un déploiement assez simple des trois dimensions spatiales qui référencent l’audition naturelle. Outre un point d’écoute facilement égocentré, ce changement a pour corollaire une remise en question des autres conventions antérieures, qu’il s’agisse de la dynamique du mixage, du naturel des timbres, des artefacts acceptables ou tout simplement de la relation de l’auditeur à la scène sonore.
Enfin, l’usage du son binaural souligne que notre réalité perceptuelle est multimodale et que l’absence d’une sollicitation des autres sens doit être prise en compte dans une écriture qui reste à explorer.
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Perception de la distance de sources sonores se rapprochant vs. s’éloignant de l’auditeur
M. Paquier, N. Le Bigot, T.-G. Bara, E. Hendrickx, V. Koehl
[Résumé]
La perception de la distance pour des sources sonores en mouvement est assez complexe car elle met en jeu des processus perceptifs de bas niveau (indices monauraux et interauraux exploitant des informations de niveau, de spectre...) ainsi que des processus cognitifs de plus haut niveau (liés au danger potentiel d’une source se rapprochant). Plusieurs études ont déjà montré que la sonie d’une source dont le volume augmente (évoquant à priori un rapprochement de la source) était surestimée par rapport à celle de la même source dont le volume diminue (évoquant un éloignement). Dans la présente étude, la perception de la distance a été directement étudiée, en comparant la distance perçue de sources effectuant le même trajet soit en se rapprochant de l’auditeur, soit en s’en éloignant. La nature sémiotique des sources (plus ou moins évocatrices de danger potentiel) a aussi été étudiée.
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Guidage de personnes déficientes visuelles par audio spatialisé
S. Ferrand, M. Aussal, F. Alouges
[Résumé]
Les personnes aveugles sont capables de localiser et de suivre une source sonore avec une efficacité remarquable. C’est une faculté qu’elles utilisent dans la vie de tous les jours pour suivre une personne au bruit de ses pas, afin de se déplacer dans la rue ou dans un bâtiment. Certaines personnes aveugles utilisent également cette faculté dans la pratique sportive, pour suivre un guide valide lors de la pratique de la course à pied ou du roller.
Sur le même principe, il possible de guider des personnes avec des sons spatialisés.
Pour le montrer, nous avons développé un dispositif embarqué autonome capable de guider des personnes en utilisant des techniques de synthèse binaurale.
Dans ce dispositif, nous utilisons à la fois, les informations fournies par un système de localisation temps réel (RTLS) précis et à faible latence, et les données d’orientation de la tête fournies par une centrale inertiels à bas cout (IMU).
Ces données de positionnement sont utilisées pour produire des sons spatialisés par filtrage binaural afin de guider en temps réel une personne le long d’un parcours prédéfini. La personne déficiente visuelle va donc se déplacer vers le son, de la même façon qu’elle suivrait les pas d’un guide. Le système a été conçu afin de minimiser la latence globale, à la fois pour le système de localisation et le moteur de rendu audio binaural. Nous avons ainsi pu montrer qu’il était possible de guider des personnes en leur faisant suivre des sons spatialisés, de façon précise, naturelle et avec un entrainement minimum. Ce système permet déjà de guider une personne aveugle pour pratiquer le roller dans un gymnase avec une assistance réduite.
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Externalisation des sons au casque et perception de la distance dans les salles
L. Prud'Homme, M. Lavandier
[Résumé]
Le but de cette étude est de déterminer si la perception de distance d’une source sonore est binaurale ou monaurale. Une expérience a été réalisée au cours de laquelle des auditeurs ont évalué la distance d’une source sonore reproduite au casque. Des mesures, individualisées et non individualisées, de réponses impulsionnelles de la salle ont été utilisées pour simuler les sons à des distances comprises entre 1 et 4 m. Différentes façons de faire varier le niveau sonore au cours de l’expérience ainsi que plusieurs modes d’écoute, en faisant varier la cohérence interaurale, ont été testés. Le test d’écoute a ensuite a été réalisée dans la même salle, face à des repères visuels. Les résultats montrent que la cohérence interaurale n’a pas été utilisée comme indice pour la perception de la distance auditive en salle pour des auditeurs naïfs. Les résultats suggèrent également une influence du contenu spectral, en particulier de la balance spectrale, sur la perception de la distance. L’information binaurale ne semble pas nécessaire à la perception de la distance mais son absence peut altérer l’externalisation des sons qui pourrait empêcher les auditeurs d’évaluer la distance en présence de repères visuels.
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Adaptive multizone sound field reproduction for moving listeners: Influence of listener's position and motion
G. Roussel, R. Nicol, G. Plantier, L. Simon
[Résumé]
The increasing number of audio reproduction devices in home context for instance, leads audio programmes to interfere among listeners within the same room. In order to tackle this problem, multizone audio reproduction, also known as personal sound zones, is a domain of interest for more than a decade. Many spatial audio techniques are used such as High OrderAmbisonics (HOA), Spatial Decomposition Method (SDM), or sound field optimization like Acoustic Contrast Control (ACC), Planarity Control (PC) or Pressure Matching (PM) methods. Most of previous work focuses on soundfield reproduction for multiples listeners at fixed positions and few attempts were made for moving listeners.
To create moving sound zones, adaptive filtering process is needed. In a previous study, various adaptive algorithms such as LMS, NLMS, and RLS filters were assessed by the authors for a simple configuration of sound field reproduction (i.e. one single moving zone).
The method based on a weighted least square optimization was selected as the most flexible method in terms of sound field reproduction quality and contrast between zones.
In the current paper, this method is now applied to multi-user reproduction.
The problem is separated in two sub-problems. The first sub-problem consists in a zone A where a first spatial audio programme is reproduced for one listener (i.e. bright zone) and a zone B where the resulting acoustic pressure is minimized for a second listener (i.e. dark zone). The second sub-problem is the reciprocal configuration for a second spatial audio programme, which is reproduced in zone B and minimized in zone A.
The study manly focuses on the influence of the position and motion of the dark zone. Free field simulations will illustrate the impact on both the adaptive filtering process and the quality of the reproduced sound field.
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Chair(s) : |
J. Palacino, Feichter Electronics, 22300, Lannion, France |
R. Nicol, Orange Lab, 22307, Lannion, France |
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Influence du 'head-tracking' sur l'externalisation en écoute binaurale non- individualisée
E. Hendrickx, P. Stitt, J.-C. Messonnier, J.-M. Lyzwa, B.F.G. Katz, C. De Boishéraud
[Résumé]
La reproduction binaurale a pour but de recréer une scène sonore réaliste aux oreilles de l’auditeur, à
l’aide d’un casque audio. Malheureusement, plusieurs études montrent une baisse de l’externalisation
lorsque des sujets écoutent des contenus binauraux avec HRTFs non-individualisées (les sources sonores
sont perçues à l’intérieur de la tête, alors qu’elles devraient être localisées à l’extérieur de la tête). La présente étude examine si de larges mouvements de tête couplés à un système de ”head-tracking”
peuvent compenser cette baisse d’externalisation. Pour chaque présentation, un stimulus (voix d’homme)
était présenté au casque à divers azimuts, avec différentes HRTFs non-individualisées pour le rendu
binaural. Le head-tracker pouvait être soit actif, soit inactif, et les sujets devaient soit bouger la tête, soit
rester immobiles. Après chaque présentation, les sujets devaient évaluer le degré d’externalisation perçu.
Les résultats ont montré que de larges mouvements de tête peuvent considérablement améliorer
l’externalisation, et que cette externalisation persiste quand bien même le sujet a cessé de bouger la tête.
Ces résultats ont été obtenus avec des sujets experts et naïfs. Une autre expérience a été menée, dans laquelle les rôles étaient inversés : les sujets gardaient la tête fixe
tandis que les sources sonores tournaient automatiquement autour d’eux. Les résultats ont montré que de
tels mouvements de sources peuvent aussi améliorer l’externalisation, mais dans une moindre mesure que
les mouvements de tête.
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HRTF « prêt-à-porter » pour le son binaural dans les futurs contenus d’Orange
R. Nicol, M. Emerit, L. Gros
[Résumé]
La synthèse binaurale permet de créer une scène sonore virtuelle 3D. Les sources sont spatialisées en
convoluant leur son par des fonctions de transfert, dites HRTF (Head Related Transfer Function), qui
reproduisent l’interaction entre les ondes acoustiques et la morphologie de l’auditeur. Ces fonctions
dépendent fortement de l’individu. Pour garantir la meilleure qualité d’expérience (immersion), il est
nécessaire d’utiliser des HRTF individuelles.
Cependant, pour des applications destinées au grand public, il est difficile de fournir des mesures
individuelles à tous les auditeurs. On préfère opter pour des méthodes de personnalisation. Une première
solution simple est de proposer une sélection de type prêt-à-porter de jeux de HRTF, dans laquelle
chaque auditeur vient chercher le jeu qui lui donne le meilleur rendu. Le problème consiste à identifier une
sélection appropriée de jeux de HRTF, proposant un nombre minimal de jeux tout en permettant de satisfaire
le maximum d’auditeurs.
L’étude décrit une expérience visant à tester une telle sélection. Un panel d’auditeurs (experts et non experts)
est invité à comparer 4 jeux. Dans le cas où le sujet dispose de ses propres HRTF mesurées, celles-ci sont
ajoutées à la comparaison. Une réflexion a été menée pour construire un protocole offrant une évaluation des
HRTF à la fois intuitive et rapide. Il se base sur un test de localisation implémenté sous la forme d’un jeu de
réalité virtuelle dans lequel le participant est entouré d’une sphère de haut-parleurs. Sa tâche consiste à
pointer un laser sur le haut-parleur le plus proche de la direction perçue du stimulus binaural. L’objectif est de
classer les jeux sur la base des performances de localisation de l’ensemble du panel. Les résultats de
l’expérience sont présentés et discutés.
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Évaluation du confort acoustique en logement résidentiel: Description du système de reproduction sonore adapté aux expériences perceptives envisagées
R. Dedieu, C. Lavandier, C. Camier, S. Berger
[Résumé]
Dans le cadre d’une thèse Cifre entre l’industriel Saint-Gobain Recherche
(SGR) et l’Université de Cergy-Pontoise (UCP), un laboratoire de restitution
sonore écologiquement valide a été installé dans les locaux récents de la
maison de la recherche à Neuville sur Oise (UCP) afin de reproduire les
ambiances sonores spatialisées intérieures, typiques des logements
résidentiels en ville. Ce laboratoire se situe naturellement dans un
environnement très calme et dispose d’une forte isolation acoustique.
L’environnement intérieur à reproduire est celui d’un salon et le système
d’écoute consiste en un ensemble de 16 haut-parleurs et d’un caisson de
basse contrôlés par un processeur numérique. A travers ce système d’écoute à
géométrie modulable, des environnements sonores conçus pourront être
restitués spatialement par la méthode VBAP ou par Ambisonie d’ordres 1 ou 2
notamment. Des tests d’écoute se dérouleront dans ce laboratoire pendant
toute l’année 2018 pour répondre à la problématique du confort sonore dans
le logement résidentiel. Ils visent à rendre compte de l’influence de deux
facteurs distincts sur la perception du confort sonore au domicile. Le
premier facteur est lié aux différents types de sources sonores qui
pénètrent le logement, et le second facteur représente les performances
acoustiques des systèmes constructifs du bâti. Pour le premier facteur, les
provenances spatiales seront maîtrisées: le bruit des voisins (venant du
plafond ou latéralement), des parties communes, des équipements et de
l’extérieur via la fenêtre. Pour le second facteur, un filtrage multicanal
sera appliqué pour simuler l’isolement des dispositions constructives
choisies. Pour répondre à cette problématique, 60 participants suivront une
série de trois tests perceptifs distincts. Les deux premiers tests
respecteront une approche psycho-acoustique par une écoute active des
participants tandis que le dernier test demandera aux participants de
s’impliquer dans une tâche cognitive.
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Chair(s) : |
J. Antoni, Université de Lyon, LVA, 69621, Villeurbanne, France |
C. Pézerat, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans, France |
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Antennes microphoniques intelligentes : Localisation de sources par Deep Learning
H. Pujol, É. Bavu, A. Garcia
[Résumé]
Depuis plusieurs décennies, l’essor technologique des antennes microphoniques a été accompagné par le
développement de nombreux algorithmes de traitement du signal acoustique. Ces méthodes atteignent
aujourd’hui une maturité importante, et sont majoritairement basés sur une approche de type modèle . Le
choix ou le développement d’un algorithme de localisation de sources est presque systématiquement basé
sur un modèle physique de l’environnement de mesure, d’hypothèses statistiques sur les sources, le signal
émis, sur les capteurs et sur les antennes.
Afin de minimiser l’influence de ces modèles, nous proposons d’utiliser des techniques en
intelligence artificielle pour traiter le problème de la localisation de sources. Le Deep Learning, basé sur
l’utilisation de réseaux de neurones profonds (le plus souvent convolutifs) a déjà démontré sa grande
efficacité pour des applications de reconnaissance d’image ou de reconnaissance vocale.
Nous proposons ici de confier au Deep Learning des tâches de localisation de sources sonores
inconnues, dans un milieu également inconnu, et ce, indépendamment de la géométrie de l’antenne
microphonique et des caractéristiques des capteurs.
Nous présenterons l’architecture du réseau de neurones permettant d’atteindre ce but à partir des
données temporelles mesurées sur l’antenne microphonique, en mettant en avant les opérations réalisées qui
sont interprétables physiquement. L’architecture proposée possède un nombre de couches optimisé, et le
réglage fin des paramètres s’en voit facilité.
En particulier, nous présenterons une architecture de réseau de neurones convolutifs, l’interpréterons
en termes de banc de filtres spatiaux intelligents de la scène sonore, permettant à l’intelligence artificielle de
localiser efficacement une source, indépendamment des conditions expérimentales. L’analyse des résultats
fournis démontre une convergence efficace du problème inverse et un taux d’erreur très faible.
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Antennes non calibrées, suivi métrologique et problèmes inverses : une approche par Deep Learning
É. Bavu, H. Pujol, A. Garcia
[Résumé]
La résolution de problèmes inverses basés sur le traitement de données mesurées sur des antennes
microphoniques suppose que chaque capteur est parfaitement omnidirectionnel, et parfaitement calibré en
phase et en amplitude sur toute la gamme fréquentielle d’intérêt. L’altération du champ acoustique dû à la
présence de la structure mécanique maintenant les capteurs en position est également la plupart du temps
négligée dans les algorithmes de reconstruction.
Ces points sont pourtant déterminants pour l’efficacité de la mise en œuvre expérimentale
d’algorithmes
basés sur l’inversion de modèles de propagation et d’antennes. Par ailleurs, il est parfois complexe de réaliser
un suivi
régulier et une calibration précise de chacun des capteurs sur des antennes étendues. L’essor des
microphones MEMS organisés en antennes compactes sur circuits imprimés rendent également
particulièrement difficiles les approches de calibration couramment utilisées en laboratoire avec les
microphones de mesure. Même lorsque la calibration individuelle de chaque capteur est possible, la présence
de la structure de l’antenne elle-même et de sa fixation, ainsi que la directivité intrinsèque de chaque capteur
peut altérer les données d’entrée des algorithmes construits pour résoudre le problème inverse, qui idéalisent
ou simplifient le plus souvent ces éléments.
Nous développons une approche de traitement d’antennes microphoniques par Deep Learning,
permettant de
s’affranchir des difficultés évoquées. En effet, en alimentant l’intelligence artificielle par une base de données
acquise sur une antenne réelle, avec tous ses défauts par rapport à une antenne idéalisée, l’IA les prend
naturellement en compte, et les compense pour créer l’algorithme le plus précis et le plus robuste possible.
Nous présenterons également une solution permettant de réaliser simplement un suivi métrologique in
situ, grâce au Transfer Learning, permettant de faire évoluer simplement le traitement de données
microphoniques construit par le réseau de neurones, lorsque les propriétés des capteurs composant
l’antenne évoluent avec le temps.
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Échantillonnage spatial optimal pour l’imagerie acoustique
J. Antoni, L. Gilquin, T. Lemagueresse
[Résumé]
La caractérisation de sources acoustiques est une problématique majeure dans beaucoup de secteurs industriels. La localisation de composantes sonores sur la structure de machines est obtenue par rétro-propagation d’un un champ acoustique, mesuré sur une antenne de microphones, vers un maillage modélisant la surface d’intérêt. Cette dernière étape nécessite de résoudre un problème inverse. Les observations expérimentales montrent que la solution du problème acoustique inverse dépend fortement de l’échantillonnage spatial réalisé par l’antenne de microphones, c’est à dire de la distribution des positions où sont réalisées les mesures. L’objectif ici est de fournir une règles optimale d’exécution de l’échantillonnage (i.e. de sélection des positions d’antenne) favorisant la meilleure estimation possible de la source acoustique.
Pour ce faire, la solution du problème inverse est obtenue par régularisation de Tikhonov où le paramètre de régularisation est estimé par une approche bayésienne empirique. Le formalisme bayésien sous-jacent à cette approche permet de construire un critère d’échantillonnage spatial maximisant le gain d’informations apporté par un nouveau jeu de mesures. Ce gain d’informations est définie comme la divergence de Kullback-Leibler entre la distribution postérieure et la distribution prieure du modèle bayésien. La méthode proposée est itérative. Partant d’un jeu de mesures initiales, le critère d’échantillonnage sélectionne une nouvelle position d’antenne où l’on réalise un nouveau jeu de mesures. Ce dernier jeu est ensuite utilisé pour mettre à jour le modèle bayésien à partir duquel le critère identifie une nouvelle position optimale d’antenne. Ce procédé possède l’avantage majeur de s’affranchir de l’utilisation de microphones de contrôle. Nous proposons d’illustrer notre méthode sur l’exemple d’une source quadripolaire.
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Caractérisation et Localisation de Drone à Partir d'un Réseau de Capteurs
T. Blanchard, J.-H. Thomas, K. Raoof
[Résumé]
L’emploi actuellement croissant de drones nécessite une remise en question de la sécurité des sites sensibles ou stratégiques afin de lutter contre une utilisation inappropriée et éviter toute menace potentielle. Il est donc nécessaire de développer des systèmes permettant de les détecter et de les localiser dans leur environnement. Toutefois, la taille de ces engins et les matériaux utilisés rendent leur détection très difficile à l’aide de systèmes employant des signaux électromagnétiques ou utilisant des méthodes optiques. Une localisation par mesure acoustique est donc proposée exploitant l’onde sonore émise par leur motorisation ou leur sifflement aérodynamique. Pour cela une antenne acoustique utilisant un faible nombre de capteurs a été dimensionnée afin d’être sensible aux fréquences identifiées du signal. Deux méthodes de localisation sont utilisées. La première se base sur une approche énergétique en cherchant à calculer l’énergie de l’antenne dans toutes les directions (formation de voies). L’énergie de l’antenne sera maximale dans la direction correspondant à la direction de la source. La seconde consiste à estimer directement la position de la source en calculant les différences de temps d’arrivée de l’onde acoustique entre différentes paires de capteurs (goniométrie). Des simulations numériques, appuyées par une campagne de mesures, permettent de mettre en relief les performances des méthodes de localisation employées.
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Extraction des composantes aéroacoustiques tonales et larges bandes
J. Antoni, Q. Leclère, E. Julliard
[Résumé]
Une difficulté récurrente en aéroacoustique expérimentale est de séparer les contributions de différents phénomènes générateurs de bruit. Cet article présente une méthodologie capable d’extraire les contributions acoustiques, tonales et large bande, d’une machine tournante (ventilateur, turbomoteur) dans un bruit de fond stationnaire (par exemple dû aux couches limites turbulentes). Le principe de la décomposition se fonde sur une modélisation Cyclostationnaire Angle-Temps (CAT) des signaux acoustiques mesurés par une antenne de microphones. Ce modèle statistique permet de traduire à la fois les signatures spectrales des signaux et les modulations liées aux rotations angulaires des organes tournants. Les composantes tonales des signaux, dites CAT à l’ordre 1, sont ainsi extraites par l’utilisation d’une série de Fourier angulaire. Les composantes larges bandes, dites CAT à l’ordre 2, font appel à une technique de filtrage spatio-fréquentielle plus sophistiquée basée sur une factorisation de la matrice inter-spectrale cyclique. La méthodologie proposée permet de restituer les différentes contributions aussi bien dans le domaine fréquentiel que temporel. Elle est illustrée sur des mesures réalisées en soufflerie sur un turboréacteur.
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Une approche inverse pour l'imagerie ultrasonore par focalisation en tout point
E. Carcreff, N. Laroche, S. Bourguignon, J. Idier, A. Duclos
[Résumé]
Le but du contrôle non destructif par ultrasons est d’inspecter des matériaux industriels sans les endommager. L’imagerie par focalisation en tout point (FTP) ou total focusing method est une approche efficace comparée aux méthodes conventionnelles, tendant à devenir un outil standard dans le contrôle industriel ultrasonore. Néanmoins, cette technique souffre d’un manque de résolution et de contraste, en particulier en cas de défauts proches ou de matériaux diffusants. Nous montrons que la méthode classique de reconstruction FTP peut être exprimée comme une opération linéaire matricielle. Chaque transducteur reçoit un signal qui peut être modélisé comme la convolution entre la signature du milieu et une forme d’onde de référence. Nous proposons d’utiliser ce modèle linéaire dans une formulation de type problème inverse où il s’agit d’estimer la distribution spatiale des réflecteurs (défauts, géométries) présents dans l’objet inspecté. La haute résolution recherchée dans l’image finale et le nombre limité de signaux rendent ce problème mal posé et sensible aux bruits de mesure. Le principe de l’approche inverse est alors de favoriser certaines propriétés de l’objet, comme des réflecteurs ponctuels ou une image très contrastée, afin de reconstruire une image stable et de meilleure qualité en matière de contraste et de résolution. Nous reconstruisons l’image par minimisation d’un critère des moindres carrés, pénalisé par différentes fonctions selon la connaissance a priori des propriétés de l’objet inspecté. Nous montrons des cas d’applications issus de données expérimentales obtenues avec des blocs étalons en acier et en aluminium. L’utilisation d’un critère favorisant la parcimonie s’avère par exemple efficace pour l’inspection de matériaux avec des défauts ponctuels présentant un fort bruit de structure comme les aciers austénitiques. Nous montrons également que notre approche permet de séparer des échos mélangés produits par des défauts proches dans le matériau, apparaissant comme une seule signature dans l’image FTP classique.
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Détection et localisation de défauts par imagerie topologique et focalisation de sources: application à l’inspection des soudures
S. Rakotonarivo, E. Lubeigt, K. Metwally, J.-F. Chaix, F. Baqué, G. Gobillot, S. Mensah
[Résumé]
Le contrôle non destructif par ultrasons des soudures en acier austénitique est important pour l’évaluation de l’intégrité de structures, en particulier dans le cadre de la démonstration de sureté des réacteurs nucléaires et de leur inspection périodique
Les soudures austénitiques présentent une structure hétérogène anisotrope dans laquelle les phénomènes de déviation et/ou division de faisceau ultrasonore sont observés. De plus, selon la fréquence utilisée, il peut apparaître de la diffusion par les grains et des réflexions multiples dépendant de la géométrie de la structure. Cette structure complexe peut conduire au masquage d’éventuels défauts et l’inspection ultrasonore devient alors inopérante par les méthodes conventionnelles de formation de voies.
Cette étude propose une approche alternative basée sur l’imagerie topologique prenant en compte l’information a priori de la soudure (modèle de soudure) pour détecter et localiser un éventuel défaut en son sein. Plusieurs variantes de la méthode sont développées et présentées afin de pallier les difficultés liées aux réflexions multiples et aux zones d’ombres causées par la structure anisotrope de la soudure.
Ces variantes sont appliquées sur des données numériques et expérimentales dans le cadre du contrôle de soudures multi-passes à une fréquence centrale de 2MHz. Les résultats montrent de bonnes performances en termes de résolution d’image et de sensibilité pour la détection et localisation de défaut (localisation de défauts de longueur caractéristique inférieure à la longueur d’onde indépendamment de leur position dans la soudure). Ces résultats montrent ainsi une avancée significative pour le contrôle non destructif des soudures multi-passes.
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Extension de la méthode CFAT aux structures stratifiées
F. Marchetti, K. Ege, Q. Leclère
[Résumé]
Il existe différentes méthodologies expérimentales de caractérisation basées
sur l’analyse du champ vibratoire. Parmi elles, nous pouvons citer l’analyse
de Fourier spatiale, la méthode IWC (Inohomogeous Wave Correlation) utilisée
par Berthaut (JSV 2005) et Cherif (JSV 2015), ou encore l’approche VFM
(Virtual Fields Method) proposée par Berry (JSV 2014). La méthode FAT (Force
Analysis Technique), initialement développée pour identifier les efforts
appliqués, permet également sous certaines hypothèses de caractériser les
paramètres de la structure.
Cette méthode compare l’équation de mouvement d’une plaque avec un schéma aux
différences finies appliqué au champ de mesure. Différentes variantes de la
méthode existent, comme par exemple l’extension élaborée par Ablitzer (JSV
2017) pour les multicouches orthotropes valide uniquement lorsque le couplage
flexion-torsion est négligé ou encore CFAT (Corrected FAT) qui a été développé
par Leclère (JSV 2015) pour les multicouches isotropes. CFAT utilise un schéma
aux différences finies corrigé.
Le présent travail propose d’étendre la méthode CFAT pour le cas des
stratifiés qui présente une équation de dispersion plus complexe faisant
intervenir 5 rigidités de flexion (contre 3 dans le cas orthotrope et 1 dans
le cas isotrope). Ainsi, il existe maintenant 5 coefficients correcteurs
indépendants dont une estimation numérique est proposée ici.
Finalement, une validation de la méthodologie de localisation d’efforts sera
présentée sur des champs vibratoire numérique (FEM Nastran) de plaques
stratifiées en composite.
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Compréhension des phénomènes générateurs de bruit acoustique dans les habitacles automobiles
J. Carpentier, C. Pézerat, J.-H. Thomas, A. Berry
[Résumé]
Dans sa recherche constante pour améliorer le confort des usagers, l’industrie automobile cherche à réduire les nuisances sonores dans les habitacles automobiles. Une des principales sources responsable de la gêne ressentie est l’écoulement turbulent qui se développe autour de la voiture. Celui ci est caractérisé par des variations de pressions pariétales particulièrement importantes et localisées en particulier sur les vitrages avants du véhicule. Le but de cette étude est de mesurer et de caractériser la sollicitation aéroacoustique subie par le vitrage à l’aide d’une méthode vibratoire inverse nommée RIC (Résolution Inverse Corrigée). Le principe est de mesurer le déplacement de la plaque et de le réinjecter dans l’équation inverse du mouvement de la structure pour calculer la pression pariétale. Cette technique repose sur la discrétisation d’un schéma aux différences finies judicieusement choisi suivant le filtrage visé. Il est alors possible de contrôler le filtrage apporté par le schéma en modifiant les coefficients qui le constituent. La présentation se basera sur des résultats issus de simulations numériques et de résultats expérimentaux obtenus sur véhicule en soufflerie à partir de différentes antennes.
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Identification du module d’Young complexe d’une poutre courbe en utilisant une méthode inverse couplée à un opérateur éléments finis
P. Bottois, F. Ablitzer, N. Joly, C. Pézerat
[Résumé]
Les matériaux composites, qui ont une raideur élevée pour une masse faible, sont de plus en plus utilisés dans l’industrie du transport. La caractérisation de structures en composite pose la question de l’échelle d’étude. En effet, les calculs numériques prenant en compte chaque constituant du matériau impose des modèles 3D gigantesques, alors qu’une vision de matériaux homogénéisés peut permettre l’utilisation par exemple d’éléments 2D coque pour les structure relativement fines. On choisit alors de caractériser les matériaux composites à l’échelle mésoscopique de façon à pouvoir les intégrer comme matériaux homogènes dans les modèles numériques. Avec cette simplification, les paramètres structuraux peuvent alors dépendre de la géométrie de la structure, en particulier par des effets de courbures. Une méthode d’identification est alors nécessaire pour cartographier les propriétés qui dépendent de la géométrie de la structure. L’identification des propriétés élastiques et d’amortissements des structures vibrantes est possible par une méthode inverse locale inspirée de la Résolution Inverse Fenêtrée Filtrée (RIFF) appelée aussi en anglais Force Analysis Technique (FAT). Cette méthode a été développée sur des structures telles que les poutres, les plaques et les coques, dont l’équation du mouvement est connue analytiquement. L’extension de cette méthode en utilisant un opérateur éléments finis (EF) a été proposée et est déjà démontrée sur une poutre droite. Les propriétés du matériau de la structure peuvent alors être identifiées localement. Cette présentation montre la potentialité de la méthode RIFF couplée à la méthode EF pour caractériser localement les propriétés de matériaux composites, qui ont une géométrie complexe. La méthode est déployée sur une poutre courbe, afin d’identifier le module d’Young et le facteur de perte du matériau sandwich dans une large bande de fréquence. Elle est testée pour différents degrés de courbures, ce qui montrera l’impact de la courbure sur le module d’Young homogénéisé.
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Caractérisation du comportement élastodynamique de plaques composites par analyse haute résolution de vecteurs d'onde (HRWA)
P. Margerit, A. Lebée, J.-F. Caron
[Résumé]
Les plaques composites multicouches et anisotropes, de par leur comportement complexe, posent de réels défis quand au développement d’outils de caractérisation. On présente ici une méthode de caractérisation qui se base sur l’étude des ondes se propageant dans les plaques. Un outil d’analyse haute résolution de vecteurs d’onde (HRWA) est proposé. La réponse harmonique mesurée d’une plaque est approximée par une somme d’ondes planes, dont on extrait les vecteurs d’onde. En répétant cette procédure à des fréquences variées, on obtient une collection de vecteurs d’onde. Ceux-ci étant directement caractéristiques du milieu de propagation, leur dépendance en fonction de la direction des ondes et de la fréquence contient la signature du comportement élastodynamique de la plaque, et n’est donc pas influencée par les conditions aux limites et chargements appliqués à la plaque. L’aspect haute résolution de la méthode permet l’extraction de vecteurs d’onde, même quand la longueur d’onde est supérieure à la taille de la fenêtre d’observation, ce qui permet d’appliquer l’extraction dans les basses fréquences également. Dérivée des algorithmes de traitement de signaux ESPRIT et ESTER, cette procédure est automatisée. Elle se sert d’outils d’algèbre linéaire pour formuler le problème d’extraction des vecteurs d’onde, ce qui en fait une méthode robuste, et au coût de calcul réduit. On présente un cas d’application de la procédure sur une plaque sandwich. L’analyse permet d’extraire des vecteurs d’onde de la réponse harmonique de la plaque, entre 100 Hz et 40 kHz. Le comportement en flexion, piloté par les peaux en carbone en basse fréquence puis par l’âme en haute fréquence, est observé. Les ondes dont le mouvement est contenu dans le plan sont identifiées. Finalement, on peut utiliser les vecteurs d’onde identifiés pour formuler un problème d’identification inverse de propriétés matériau, indépendamment des conditions aux limites et chargements.
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Chair(s) : |
T. Hélie, Equipe S3AM, IRCAM-CNRS-Sorbonne Université, UMR9912, 75004, Paris, France |
H. Lissek, Laboratoire du Traitement du Signal 2, 1015, Lausanne, Suisse |
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Absorption active dans un conduit avec écoulement à l'aide d'un liner électroacoustique
R. Boulandet, H. Lissek, S. Karkar, M. Collet, G. Matten, M. Ouisse, M. Versaevel
[Résumé]
Les objectifs ambitieux de réduction du bruit du transport aérien, spécifiés dans le programme européen de FlightPath 2050, incitent les constructeurs aéronautiques à développer des technologies innovantes pour limiter les émissions sonores à proximité des aéroports. Les revêtements de paroi conventionnels utilisés pour la réduction du bruit de soufflante dans les nacelles d’avion ont des performances acoustiques fixées par construction, qui limitent leur efficacité sur une plage de fréquence réduite. Il est donc intéressant de considérer comment réaliser une impédance à réaction locale adaptative qui permettrait d’ajuster la capacité d’atténuation acoustique du revêtement, notamment pour les phases d’atterrissage et de décollage. Dans ce contexte, nous présentons un concept de liner basé sur un arrangement d’absorbeurs électroacoustiques (membranes de haut-parleur contrôlées par rétroaction), permettant d’ajuster en paroi des valeurs de résistances et de réactances en fonction de la fréquence. La performance d’un liner électroacoustique prototype est étudiée par simulation FEM dans un guide d’onde pour une excitation multimodale et avec écoulement et les résultats sont comparés aux mesures effectuées dans une installation en soufflerie. La détermination de l’atténuation acoustique optimale pour une fréquence donnée en fonction de l’impédance acoustique spécifique du revêtement, et donc des paramètres de contrôle, est également discutée.
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Mise en œuvre industrielle du Contrôle actif du bruit en conduite
N. Driot, M. Elbisser
[Résumé]
En se référant à l’abondante littérature existant depuis les années 80, il
semble que le contrôle actif du bruit en environnement acoustique
unidimensionnel ne nécessite plus de gros efforts de recherche. Cependant,
lorsqu’il s’agit de mettre en œuvre de manière industrielle un tel contrôle pour
une application automobile, qu’il soit de nature feedforward ou feedback, l
’ingénieur butte sur des points dont la littérature semble assez avare de
solutions réellement efficaces : le temps de réactivité en fort régime
transitoire, la sensibilité aux conditions environnementales, la stabilité, et
enfin la performance intrinsèque en terme de réduction du niveau sonore, sont
autant de challenges non explorés, si bien qu’un système actif ne semble, encore
aujourd’hui, pas compétitif. Tenneco est impliqué dans le développement d’un
système de contrôle actif du bruit appliqué à l’échappement automobile, qui ne
vise pas uniquement le segment des véhicules de luxe. Même s’il ne s’agit que d
’un système acoustique monodimensionnel, les variations des conditions de l
’écoulement des gaz ainsi que la nature du signal à traiter, rendent le contrôle
doublement adaptatif en temps réel indispensable. Cette communication explore
certains challenges liés aux aspects mentionnés précédemment, tout en offrant
des solutions pragmatiques. Le premier point est relatif au temps de réaction de
l’algorithme, lorsque les variations de régime moteur sont importantes. Puis on
abordera l’absolue nécessité de prendre en compte les variations du chemin
secondaire, liées au gradient de température le long de la ligne d’échappement
active, ainsi que de l’écoulement des gaz. Enfin, la réduction totale du bruit n
’étant pas le but recherché, on présentera les aspects propres au contrôle actif
quant à la mise en œuvre d’une coloration sonore du son du groupe
motopropulseur.
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Evaluation expérimentale des techniques d’atténuation active de bruit par contre-réaction adaptative
I. Landau, R. Melendez, L. Dugard
[Résumé]
Les techniques d’atténuation active de bruit par contre-réaction offre de
performances très intéressantes et sont d’une complexité moindre que les
techniques de compensation active de bruit par pré-compensation adaptative. Par
rapport aux techniques utilisant la pré -compensation adaptative, elles ont
l’avantage de ne pas nécessiter un microphone supplémentaire pour obtenir une
image du bruit perturbateur, de nécessiter un nombre plus réduit de paramètres
à adapter, et de ne pas introduire une réaction interne positive source de
possible instabilités.
Ces techniques font appel au principe du modèle interne (le régulateur doit
contenir le modèle de la perturbation) et utilisent la paramétrisation Youla-
Kucera pour le régulateur qui permet de réduire significativement le nombre de
paramètres à adapter. Les algorithmes d’adaptation paramétriques utilisés sont
de type à gain d’adaptation matriciel ou scalaire.
On évluera les performances de ces approches en présence de plusieurs
configurations :
Ï Perturbation tonales (bande étroite) multiples de fréquences inconnues
et variables
Ï Atténuation des phénomènes d’interférence pour des perturbations
tonales ayant des fréquences rapprochées, inconnues et variable
Ï Atténuation dynamique de bruit tonal de fréquence variable
Ï Atténuation de bruit bande large (plus exactement d’une largeur de
bande limitée)
Les mesures concernent : l’atténuation globale, l’atténuation des raies,
l’amplification maximale à d’autre fréquences que celles qui sont atténues,
durée des transitoires.
Des fichiers audio illustreront les performances en complément des différentes
courbes. Les expérimentations seront faites sur un banc de test existant au
GIPSA Lab consistant en un tube principal excité par un haut-parleur (voie
primaire de propagation) sur le quel est branché en amont du microphone de
mesure du bruit résiduel un autre tube par lequel le bruit de compensation
produit par un haut-parleur commandé est envoyé (la voie secondaire).
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Une sourdine sèche active pour le trombone
T. Meurisse, A. Mamou-Mani, R. Caussé, B. Sluchin, D. Sharp
[Résumé]
La sourdine est un accessoire utilisé par les musiciens de cuivres pour modifier le timbre ou le niveau sonore des instruments. Il arrive cependant que les sourdines aient également des effets néfastes sur la jouabilité des instruments. En particulier, la sourdine sèche de trombone, assimilable à un résonateur à un degré de liberté, permet d’atténuer le son tout en le rendant plus nasillard, mais rend difficile la jouabilité de certaines notes parmi les plus basses.
Lorsque la sourdine est insérée dans le pavillon de l’instrument, leur couplage génère un ”pic parasite” entre les deux premières résonances de l’impédance d’entrée de l’instrument. Pour étudier le rôle de ce pic dans la perte de jouabilité, sa fréquence et son amplitude sont modifiées via contrôle actif. Pour se faire, la sourdine est équipée d’un microphone et d’un haut-parleur, reliés par un système de contrôle par gain et déphasage. L’effet de ce contrôle sur la fonction de transfert de la sourdine, l’impédance d’entrée du trombone et en situation de jeu est étudié.
L’effet néfaste est dû à une diminution de l’amplitude de l’impédance en amont du pic parasite. Le contrôle permet de supprimer cet effet, ou de le déplacer sur d’autres notes.
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Étude d’une sourdine passive et active pour trompette simplifiée
C. Ayrault, A. Bonnet, C. Corno, M. Melon, B. Gazengel
[Résumé]
Les instruments de type cuivre utilisent pour diminuer le niveau sonore un ensemble de sourdines qui
modifient le timbre, la facilité de jeu et la justesse de l’instrument. Ces modifications peuvent être
considérées comme des qualités musicales mais aussi des défauts qu’il conviendrait de corriger. Une solution
envisagée est d’utiliser une sourdine passive dans laquelle est installé un microphone, connecté à un
amplificateur et à un casque. De fait le musicien peut jouer à un niveau sonore faible et modifier le son perçu
à l’aide d’un traitement de signal. Cependant la facilité d’émission et la justesse restent affectées par la
présence de la sourdine. Une deuxième solution est de considérer une sourdine active réalisée à l’aide d’une
sourdine passive équipée de transducteurs placés à l’intérieur ou à l’extérieur de l’instrument pour contrôler
la puissance acoustique rayonnée et l’impédance d’entrée de l’instrument. Ce travail s’intéresse à une
sourdine active montée dans le pavillon d’une trompette simplifiée (tube cylindrique connecté à un pavillon
exponentiel). La sourdine est équipée de six haut-parleurs de petite taille montée en couronne. Dans un
premier temps, L’impédance d’entrée de l’instrument est mesurée et calculée (par modèles d’ondes planes et
par méthode d’éléments de frontières) pour différentes configurations (instrument seul, instrument avec
sourdine passive, instrument avec sourdine équipée de haut-parleurs). Le modèle prédictif est validé par
comparaison avec la mesure. Dans un deuxième temps, les paramètres équivalents des haut-parleurs sont
estimés à l’aide d’une mesure d’impédance électrique dans deux configurations (sans, avec volume
additionnel). Enfin, la réponse des sources secondaires (haut-parleurs montés en sourdine) est mesurée et
calculée à l’entrée de l’instrument, ce qui permet de valider le modèle de comportement des haut-parleurs.
Ces différents modèles permettent de prédire l’impédance d’entrée, la pression acoustique, la puissance
acoustique rayonnée qui existerait en présence d’un contrôle actif optimal.
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Contrôle des vibrations d'un oscillateur passif : stabilisation en temps fini et par remodelage d'énergie
M. Wijnand, B. d'Andréa-Novel, T. Hélie, D. Roze
[Résumé]
On s’intéresse au contrôle d’un oscilateur passif, avec pour objectif de le stabiliser sur un état d’équilibre cible. Dans cet article, deux approches de l’automatique sont examinées, comparées, puis associées. La première approche repose sur le formalisme des Systèmes Hamiltoniens à Ports (systèmes passifs admettant un bilan de puissance équilibré) et une méthode de contrôle s’appuyant sur la passivité, par remodelage d’énergie et réallocation d’amortissement (méthode dite IDA-PBC). Cette méthode s’appuie sur une fonction de Lyapunov, qui correspond à une énergie physique naturelle du système. La seconde approche repose sur une représentation d’état standard du système et une méthode de contrôle non linéaire, permettant d’atteindre un point d’équilibre en un temps fini, propriété utile pour des applications avec des contraintes de temps. Cette méthode s’appuie sur une analyse par fonction de Lyapunov homogène. On montre alors que cette méthode de contrôle en temps fini admet une reformulation passive de type SHP, à partir de la fonction de Lyapunov. Enfin, l’association de ces approches est examinée sur des expériences numériques : on construit des simulations à passivité garantie du système original (linéaire) et du système bouclé (non linéaire) ; on étend cette étude au cas où le système original comporte des non-linéarités (par exemple de type raidissant). Les résultats permettent de commenter l’intérêt de ce type de contrôleur et d’apporter des interprétations énergétiques.
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Correction de l'effet doppler d'une membrane de haut-parleur électrodynamique
T. Lebrun, T. Hélie
[Résumé]
Les haut-parleurs électrodynamiques sont des transducteurs non idéaux. De nombreux phénomènes non linéaires engendrent des distorsions audibles (couplage électro-mécanique, comportement de la suspension de la membrane, etc). L’un d’eux est dû au fait que les ondes acoustiques produites par la membrane ne sont pas émises depuis une position fixe : un effet Doppler est induit par le déplacement de la membrane. Cet article examine cet effet (souvent considéré come négligeable) dans le cadre simplifié d’une propagation en ondes planes et traite de sa compensation pour les signaux à large bande audio. Plus précisément, un modèle de propagation linéaire unidimensionnel est adopté, excité par un piston plan en condition limite dont la position est une fonction du temps.
Ce modèle physique introduit un temps de propagation variable entre le piston
et un point d’observation fixe, satisfaisant une équation implicite : il s’agit donc d’un problème non linéaire. La solution (régulière) du problème est établie sous une forme implicite, puis un algorithme de simulation explicite est obtenu en s’appuyant sur une méthode à perturbation régulière : les termes du développement exact en série entière sont des polynômes multi-variables en le déplacement du piston et ses dérivées, de degré global homogène. Ce solveur est utilisé pour quantifier la distorsion due à l’effet Doppler dans plusieurs configurations réalistes de haut-parleurs en fonctionnement. Enfin, un algorithme de correction est calculé à partir d’une technique d’inversion qui s’appuie sur le formalisme des séries de Volterra. Sa robustesse est testée numériquement pour les mêmes configurations réalistes.
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Ondes acoustiques à amplitude constante dans des milieux désordonnés non-Hermitiens
E. Rivet, A. Brandstötter, K. G. Makris, H. Lissek, S. Rotter, R. Fleury
[Résumé]
Dans un milieu acoustique, tout désordre est généralement associé à des
phénomènes de diffusion multiple, créant des interférences qui empêchent
généralement la transmission des ondes à certaines fréquences spécifiques.
Ici, nous montrons que ces effets disparaissent lorsque l’on force les ondes à
se propager avec une amplitude constante en ajoutant une distribution de perte
et de gain adaptée au désordre, rendant le milieu non Hermitien. Après avoir
introduit la théorie des ondes acoustiques à amplitude constante dans les
milieux continus, nous présentons une démonstration expérimentale de ce
concept dans un métamatériau acoustique non-Hermitien et discret, composé de
haut-parleurs localement contrôlés. Les mesures démontrent sans ambiguïté la
création d’une onde qui présente la même pression constante dans toute la
structure désordonnée.
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Conception d'une zone d'écoute personnelle par contrôle d'impédance déporté
T. Laurence, R. Boulandet, L. Desarzens, H. Lissek
[Résumé]
Afin de proposer des espaces d’écoute personnels dans des environnements bruyants, il est d’un grand intérêt de pouvoir concevoir une zone de silence, et ce sans appareillage envahissant l’espace de l’utilisateur. Ces travaux proposent une approche de contrôle d’impédance déporté afin de minimiser localement le bruit dans des situations où un contrôle global n’est pas applicable. On montre qu’en contrôlant de manière décentralisé un ensemble de couples source/microphone colocalisés, il est possible d’observer une diminution du niveau sonor dans une zone relativement large de l’espace. Ce résultat est obtenu sans utiliser de capteur dans la zone d’écoute, et sans observation direct de la source de nuisance principale. Après la présentation de l’algorithme de contrôle et de la procédure d’identification des caractéristiques acoustiques du système, on évalue les performances de celui-ci en simulation. Des résultats en champ libre et en bruit harmonique, ainsi que dans un champ sonore plus complexe, sont aussi présentés.
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Chair(s) : |
B. Audoin, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
V. Gusev, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans, France |
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Laser-generated acoustic waves in tungsten thin films with oriented nanostructure
N. Chigarev, N. Martin, A. Zerr, S. Raetz, V. Tournat, V. Gusev
[Résumé]
There is a growing interest in the deposition of thin films with oriented nanostructure by glancing angle deposition (GLAD), i.e., using oblique incidence of particles [1]. The films with different types of columnar nanostructure can be sculptured by GLAD. However even the films, which are not intentionally structured, exhibit spatial inhomogeneity at nanoscale, which manifests itself for example in the variation of the columns orientation from the bottom towards the top of the film. Here we report preliminary results on the evaluation by the picosecond ultrasonic technique of tungsten 100 nm-thick films deposited by GLAD sputtering on glass, silicon (100) and diamond substrates. Incidence angle of sputtered W atoms was 80∘ leading to a column angle of 35-40∘. The coherent acoustic waves were generated by picosecond pump laser pulses incident on W films. Both the acoustic eigenmodes of the film and the acoustic waves launched in the substrate were detected by picosecond probe laser pulses. Particular attention was devoted to revealing (i) shear acoustic waves excitation and (ii) film inhomogeneity influence on the acoustic eigenmodes spectrum; the former being indeed expected due to film anisotropy and inclination of columnar nanostructure relative to the substrate surface orientation [2]. The information on nano-acoustic waves generation and propagation in these films could be useful for their depth-profiling and for testing theoretical models existing for the prediction of anisotropic elastic behaviors of complex tilted porous nanostructures [3]. [1] A. Barranco, A. Borras, A. R. Gonzalez-Elipe, A. Palmero, Progress in Materials Science 76, 59 (2016). [2] D. H. Hurley, O. B. Wright, O. Matsuda, V. E. Gusev, O. V. Kolosov, Ultrasonics 38, 470 (2000). [3] E. Coffy, G. Dodane, S. Euphrasie, A. Mosset, P. Vairac, N. Martin, H. Baida, J. M. Rampnoux, S. Dilhaire, J. Phys. D: Appl. Phys. 50 484005 (2017).
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Non-Contact Study of Heat-Treated Metallic Plates Using Acoustic Nonlinearity of Zero-Group-Velocity (ZGV) Lamb Modes
G. Yan, S. Raetz, H. Seo, K.-Y. Jhang, N. Chigarev, V. Gusev, V. Tournat
[Résumé]
The non-contact and nondestructive techniques for probing the quality of interface,
adhesion, nonlinear phenomena, or local mechanical properties at micro-metric scale
are of paramount importance in many applications, from advanced technologies at
micro-metric and nano-metric scales to basic research such as evaluation of ultra-high
pressure material properties. In recent years, ZGV modes have proven to be an effective tool for locally and very
accurately probing the thickness of a sample or the mechanical properties of isotropic
or anisotropic materials. These particular types of guided waves, corresponding to
local resonances of the inspected structure, are the results of the interference of two
Lamb waves having an opposite phase velocity and coexisting to a single pair of
frequency and wave number. The laser ultrasonic technique has demonstrated its
ability to efficiently generate and detect such local resonances at frequencies in the
range from a few tens to several hundreds MHz. In this study, measurements of acoustic nonlinearity via contactless generation of ZGV
Lamb waves are carried out in order to characterize the thermal aging of the aluminum
alloy at the micro-metric scale. The experiments are realised on aluminum alloy
specimens (Al6061-T6) which have been heat-treated at 220∘C for different times (0
min, 20 min, 40 min, 1 h, 2 h, 10 h, 100 h, 1000 h) after solution heat treatment and had
therefore the different levels of thermal aging. From the experimental observation, the
fractional change in the acoustic nonlinearity agrees well with the variation in the yield
strength, which demonstrates the potential capacity of the presented results for
evaluating the thermal damages. Therefore, the variation of the acoustic nonlinearity
could be considered as an indicator of the level of thermal aging of the aluminum alloy.
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Photoacoustic nanoscopy
A. Husiev, N. Delorme, S. Raetz, N. Chigarev, G. Vaudel, E. Meteyer, V. Tournat, P. Ruello, V. Gusev
[Résumé]
Photoacoustic methods of non-destructive testing and evaluation (NDTE) of structures and materials are of great interest due to their contactless nature. The techniques of acoustic waves generation and detection by lasers are the most widespread. Currently laser ultrasonics allows better than picosecond temporal resolution but, similar to photoacoustic microscopy [1-4], is restricted to sub-micrometric spatial resolution in visible range because of the light diffraction limit. Following continuous increase of the nanostructures and nanocomposites application in modern science and technology the development of photoacoustic methods of NDTE with nanometric spatial resolution becomes more and more required.
We demonstrate experimentally that spatial resolution of photoacoustic imaging could be reduced from ”micro” to ”nano” by applying near-field optics technique. Localization of optoacoustic conversion process in nanoscale volume of material was achieved by focusing pump laser radiation on the apex of the atomic force microscope (AFM) tip placed in the vicinity of the material surface. The detection of laser-generated acoustic waves, emitted and propagating in the sample, was achieved by the beam-deflection technique. The amplitude of detected acoustic signal depends on a number of material parameters in the region of photoacoustic conversion such as light absorption/reflection coefficients, thermal expansion coefficient, electron-hole-phonon deformation potential in semiconductors, elastic moduli, etc. The realized combination of photoacoustics with AFM constitutes the basis for the transfer of photoacoustic spectroscopy [1], microscopy [2], and imaging [3] to nanoscale. The experiments conducted on nanostructured samples provide examples of the photoacoustic nanoscopy and nanoscale photoacoustic imaging.
1. A. Rosencwaig, Photoacoustic spectroscopy of biological materials, Science 181, 657 (1973). 2. A. Rosencwaig and A. Gersho, Photoacoustic effect with solids: A theoretical treatment, Science 190, 556 (1975). 3. A. Rosencwaig, Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy (R.E. Krieger Publ. Comp., Malabar, Florida, 1980). 4. A. Rosencwaig, Therma-wave imaging, Science 218, 223 (1982).
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Imagerie tridimensionnelle et sans contact par acoustique picoseconde de la topographie d’une cellule adhérente
B. Audoin, L. Liu
[Résumé]
L’acoustique picoseconde est une technique pompe-sonde résolue en temps [1] dont il a été montré qu’elle
permet d’accéder aux propriétés mécaniques de cellules, telles que la compressibilité ou l’adhésion,[2] avec
une résolution limitée par celle de l’optique de focalisation, soit le micron. Cependant la microscopie opto-
acoustique permet également de cartographier l’épaisseur de cellules adhérentes. La mesure repose sur la
détection de l’interaction Brillouin résolue en temps pour les parties les plus épaisses de la cellule,[3] tandis
que la détection de fréquences de résonance permet de cartographier des composants minces de la cellule
dont les épaisseurs sont de l’ordre du dixième de la longueur d’onde optique. La technique est tout d’abord
appliquée à des films polymères biomimétiques d’épaisseurs calibrées. La cartographie d’une cellule
ostéosarcome entière est ensuite réalisée avec le microscope opto-acoustique. Elle est confrontée à une
image de la même cellule obtenue par microscopie à force atomique. Les résultats, notamment en ce qui
concerne la topographie du noyau, complètent les mesures antérieures de l’inhomogénéité élastique du
milieu nucléaire. Ils pourront être utilisés pour le suivi d’un grand nombre de processus cellulaires et pour la
compréhension des mécanismes inhérents à la mécano-transduction notamment. [1] C. Thomsen, H. T. Grahn, H. J. Maris, and J. Tauc, Surface generation and detection of phonons by
picosecond light pulses, Phys. Rev. B 34, 4129 (1986)
[2] T. Dehoux, M. Abi Ghanem, O. F. Zouani, J.-M. Rampnoux, Y. Guillet, S. Dilhaire, M.-C. Durrieu and B.
Audoin, All-optical broadband ultrasonography of single cells, Scientific Reports, 5, 8650 (2015)
[3] C. Rossignol C., N. Chigarev, M. Ducousso, B. Audoin, G. Forget, F. Guillemot, and M-C Durrieu, In vitro
picosecond ultrasonics in a single cell, Applied Physics Letters, 93, 123901 (2008)
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Chair(s) : |
V. Gusev, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans, France |
B. Audoin, Université de Bordeaux - I2M, 33405, Talence, France |
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Elastic response in single nanowire
L. Belliard, C. Jean, T. Cornelius, O. Thomas, Y. Pennec, M. Cassinelli, E. Toimil-Molares, B. Perrin
[Résumé]
Since the pioneer work of M. Orrit, investigating the dynamic response of single gold nanospheres, pump and probe investigations are considered as a powerful tool to get information’s about confined acoustic modes in single small object. Generally, the vibrational modes observed are assigned to breathing modes of the structure. According to the particle shape, additional extensional or flexural signatures have been also reported. The common denominator of all these previous studies is the clear evidence that particle coupling with the local environment leads to a huge damping rate. The particle/substrate interaction is at the origin of the acoustic energy transfer into the substrate. As a direct consequence, the resonator exhibits a low quality factor. To reach a high quality factor response, the elastic energy must be confined into the nanostructure and any mechanical coupling must be suppressed. Experimentally, this is achieved by investigating free standing nanostructures. Taking advantage of such geometry we have been able first to excite few breathing harmonic modes in copper single nanowire. The high spectral resolution achieved allowed to investigate nanoporous or core-shell single nanowire.
Additionally, the 1D shape of our samples gives us the opportunity to analyze guided acoustics modes along the nanowire axis. We show that the observation of propagating acoustic waves in nanoscale waveguides provides additional elastic information’s. Finally, nanowires could play the role of monochromatic acoustic sources when deposited on a substrate. The irradiated field is analysed using spatiotemporal imaging given the nanowire orientation thanks to the anisotropy field recorded. C. Jean, L. Belliard, and al., Nano Lett. 16 (10), 6592-6598 (2016)
C. Jean, L. Belliard, and al. Appl. Phys. Lett. 107, 193103 (2015)
C. Jean, L. Belliard, and al. J. Phys. Chem. Lett. 5 (23) 4100-4104 (2014)
L. Belliard, TW. Cornelius, and al., Jour. Appl. Phys. 114 193509 (2013)
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Evaluation non destructive de la tenue mécanique d’assemblages collés par ondes de choc intenses générées par laser
M. Ducousso, S. Bardy, Y. Rouchausse, T. Bergara, L. Berthe, L. Videau, F. Jenson, N. Cuvillier
[Résumé]
L’évaluation non destructive de la tenue mécanique d’assemblages collés est un
des derniers verrous à lever avant une généralisation de l’utilisation de ce
procédé pour de nombreux assemblages industriels.
Nous présentons ici l’utilisation d’onde de choc intense générées par laser
pour procéder à cette évaluation. Rapidement, la focalisation en surface de
structure d’une impulsion laser intense (ns, GW/cm2) permet d’ioniser la
surface de la structure et d’engendrer la détente instantanée d’un plasma.
Celui-ci, par principe d’action/réaction, crée une onde de choc (intensité de
quelques GPa) dans la structure. Si cette onde de choc se réfléchie à une
interface libre, le changement de phase associé génère la propagation d’une
onde de détente qui peut être utilisée pour solliciter le collage en traction
et quantifier sa tenue mécanique.
Après démonstration de l’innocuité du procédé, nous l’utilisons sur assemblages
collés Titane/composites. Les expérimentations sont comprises à la lueur des
simulations réalisées. Selon la face illuminée de l’assemblage, les mécanismes
mis en jeux sont significativement différents. De manière surprenante,
l’atténuation du composites ne semble pas être le paramètre physique le plus
influent pour ce procédé. Dans les deux cas d’illumination, deux tenues
mécaniques différentes d’assemblages ont pu être identifiées et sont en bonne
corrélation avec des caractérisations destructives réalisées en parallèle. Ces
résultants sont particulièrement prometteurs pour le contrôle du collage
structural.
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Evaluation of the structural phase transition in multiferroic (Bi1-x Prx)(Fe0.95 Mn0.5)03 thin films by picosecond acoustic interferometry
N. Chigarev, A. Lomonosov, Z. Wen, S. Raetz, Q. Jin, A. Bulou, N. Delorme, S. Avanesyan, A. Rousseau, G. Vaudel, P. Ruello, D. Wu, V. Gusev
[Résumé]
Picosecond acoustic interferometry (PAI) is an experimental technique for the generation and detection of ultrashort acoustic pulses using ultrafast lasers [1]. It provides opportunity to monitor propagation of nanometers-in-length acoustic pulses in transparent media and to determine acoustical, optical and acousto-optical parameters of the materials [2]. We report on the application of PAI for the evaluation of the effect of Pr substitution on the elasticity of Bi(Fe0.95Mn0.05)O3 (BPFMO) thin films. The films were deposited on Si and LaAlO3 substrates by a sol-gel method. X-ray diffraction and Raman spectra revealed earlier that a phase transition from rhombohedral to tetragonal structure occurs at about 15% Pr substitution and is accompanied by the maxima of remanent magnetization and polarization [3]. Thus BPFMO films at the structure transition composition show the strongest ferromagnetism. Combining PAI with optical interferometry, scanning electron microscopy and topographic measurements by atomic force microscopy we found that the structural transition is also characterized by the minimum in longitudinal sound velocity and maximum in optical dielectric constant. Our results in combination with earlier ones [3] suggest that BFO-based films and ceramics with compositions near phase boundaries might be promising materials for multifunctional applications.
The authors acknowledge Le Mans Acoustique for funding ”Ferrotransducers” project. [1]. C. Thomsen, H. T. Graham, H. J. Maris, J. Tauc, Picosecond interferometric technique for study of phonons in the Brillouin frequency range, Optics Communications 60, 55 (1986). [2]. A. M. Lomonosov, A. Ayouch, P. Ruello, G. Vaudel, M. R. Baklanov, P. Verdonck, L. Zhao, V. E. Gusev, Nanoscale noncontact subsurface investigations of mechanical and optical properties of nanoporous low-k material thin film, ACS Nano 6, 1410 (2012). [3]. Z. Wen, L. You, X. Shen, X. Li, D. Wu, J. Wang, A. Li, Multiferroic properties of (Bi1-x Prx)(Fe0.95 Mn0.5)03 thin films, Mater. Sci. Eng. B 176, 990 (2011).
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Contrôle de l’adhérence de films par ondes acoustiques de surface générées et détectées par sources laser
M. Robin, F. Jenot, M. Ouaftouh, M. Duquennoy
[Résumé]
L’utilisation d’ondes acoustiques pour le Contrôle Non Destructif de l’adhérence constitue un enjeu académique et industriel important. Dans ce contexte, les ondes de surface sont particulièrement bien adaptées puisqu’elles sont notamment sensibles aux conditions de contact entre un film et un substrat. En effet, sous certaines conditions, la dispersion de leurs vitesses de propagation est directement influencée par le niveau d’adhérence des éléments de la structure.
Le plus souvent, les assemblages étudiés nécessitent la présence d’une couche de colle dont l’épaisseur non uniforme et les caractéristiques élastiques mal maîtrisées nuisent à l’interprétation des résultats. Afin de s’affranchir de ces problèmes, les films transparents utilisés sont placés en contact direct avec le substrat. Ils peuvent présenter une face adhésive mettant notamment en jeu au niveau de l’interface des phénomènes électrostatiques. Les études menées exploitent la méthode Ultrasons-Laser qui présente les avantages de permettre l’excitation et la détection sans contact des ondes considérées dans une large gamme de fréquences.
Les résultats théoriques et expérimentaux exposés concernent les effets des conditions de contact sur la dispersion des modes de surface de type Rayleigh. Nous montrons clairement l’influence des variations de l’adhérence sur les modes générés dans le cas particulier d’une excitation localisée à l’interface.
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Chair(s) : |
K. Ege, Laboratoire Vibrations Acoustique, 69621, Villeurbanne, France |
F. Ablitzer, LAUM - UMR CNRS 6613, 72085, Le Mans, France |
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Caractérisation Vibratoire d'une Table d'Harmonie de Piano à Queue
P. Margerit, J.-F. Caron, A. Lebée, S. Paulello
[Résumé]
Dans le cadre du projet ANR MAESSTRO (Modélisations Acoustiques, Expérimentations et Synthèse Sonore pour Tables d’haRmonie de pianO), on s’intéresse au remplacement du bois par des composites dans la facture des tables d’harmonie de piano. Une étape cruciale de la démarche consiste à caractériser finement les propriétés vibratoires de la table d’harmonie témoin. L’objet étudié dans ce travail est une table d’harmonie de piano à queue Stephen Paulello SP190. Elle est constituée d’un multicouche d’épicéa. Pour une des couches, la direction des fibres est variable le long de la surface de la structure. On a donc besoin de caractériser une structure multicouche, anisotrope et dont les propriétés mécaniques varient spatialement. Pour cela, on développe des outils de caractérisation dérivés de méthodes de traitement de signal dites haute résolution, type ESPRIT. On modélise un signal mesuré sur une structure comme une somme d’exponentielles amorties, dont les paramètres complexes (amplitudes, fréquences et/ou nombres d’ondes, etc.) vont pouvoir être estimés. Premièrement, on applique ces méthodes pour faire de l’analyse modale haute résolution: à partir de la réponse impulsionnelle de la table d’harmonie mesurée, on extrait les fréquences, amortissements et déformées modales de la structure. A l’aide d’un problème inverse basé sur ces données extraites, on peut identifier les constantes matériau de l’épicéa constituant la table. Deuxièmement, on utilise ces méthodes pour extraire les paramètres des ondes se propageant dans la structure (High Resolution Wavevector Analysis), à une fréquence donnée. Ces paramètres, ou vecteurs d’onde, peuvent servir à formuler un problème inverse d’identification des propriétés de la structure, qui est indépendant des conditions aux limites. Par l’extraction locale des vecteurs d’onde, on montre comment on peut caractériser le comportement en flexion local et anisotrope de la table, et ainsi fournir une base solide pour le remplacement du bois par des matériaux composites.
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Modèle minimal de la note du loup
E. Gourc, C. Vergez, P.-O. Mattei, S. Missoum
[Résumé]
Les instruments à cordes frottées et plus particulièrement les violoncelles sont susceptibles de faire apparaître un phénomène parasite appelé note du loup. Lorsque cela se produit le musicien est incapable de produire un son périodique. Afin de mieux comprendre ce phénomène, nous étudions un modèle minimal de violoncelle prenant en compte le couplage entre la dynamique de la corde frottée et la dynamique de la caisse. Les solutions périodiques du système couplé sont calculées à l’aide d’une technique de continuation couplée à une méthode de tir (shooting). Nous montrons que lorsque la fréquence du mouvement de Helmholtz est proche de la fréquence de résonance de la caisse, il existe une bifurcation de Hopf secondaire (Neimark-Sacker) qui fait apparaître des solutions quasi-périodiques stables pouvant expliquer la note du loup.
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Simulation passive d'un modèle réduit exact de plaque de Berger en grandes déformations
D. Roze, T. Hélie
[Résumé]
Ce travail présente la simulation à passivité garantie d’un modèle de plaque non linéaire. Le modèle de plaque de Berger décrit la dynamique non linéaire du déplacement transverse d’une plaque en négligeant l’inertie dans le plan de la plaque. Ce modèle fournit une première approximation de glissement fréquentiel en fonction de l’amplitude de la vibration. L’écriture de ce système dans le formalisme des Systèmes Hamiltoniens à Ports (SHP) permet d’encoder le bilan de puissance du système et de définir une simulation à passivité garantie grâce à une méthode numérique préservant le bilan énergétique. On présente une réduction d’ordre pour une classe de systèmes dont l’énergie potentielle est une somme de polynômes appliqués à des fonctions quadratiques du déplacement ou de ses dérivées spatiales. Cette réduction basée sur une décomposition modale est exacte dans le cas d’une force d’excitation décomposée sur les modes considérés. Une méthode numérique à passivité garantie assure la stabilité des simulations pour des dynamiques non linéaires en préservant le bilan de puissance établi dans le cadre des SHP. Des résultats de simulations sont présentés pour des amplitudes variables d’excitation.
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Sound synthesis using differential geometry: the integrable system of a nonlinear string with large displacements
J. Bensoam
[Résumé]
Using differential geometry, nonlinear propagation of waves can be formalized in an intrinsic way (avoiding artificial nonlinearities corresponding to a particular choice of coordinates systems). Following Arnold’s geometric approach, a dynamical system is considered as a map taking values in an abstract Lie group. For a simple one-dimensional acoustical system, it gives rise to the Reissner beam model for which the motion of each different section, labelled by the arc length s, is encoding in the Special Euclidean Lie group SE(3) - a natural choice to describe motion in 3-dimensional space. It turns out that, fortunately as a map over space-time, this multi-symplectic approach can be related to the study of harmonic maps for which two dimensional cases can be solved exactly. It allows us to identify, among the family of problems, a particular case where the system is completely integrable. Among almost explicit solutions of this fully nonlinear problem, it is tempting to identify solitons, to propose some sound synthesis and to test the known numerical methods on these solutions.
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Analyse de couplages vibroacoustiques sur un double pavillon de trombone en situation de jeu
M. Secail-Geraud, L. Leblanc, J. Gilbert, F. Gautier, P. Hoekje
[Résumé]
Les vibrations de paroi d’instruments de musique de type cuivre sont couplées de façon complexe au champ acoustique interne. Dans le cas du trombone, les niveaux vibratoires sont élevés au niveau du pavillon où la paroi est fine et le diamètre important. L’importance de ces vibrations pour les musiciens reste une question ouverte. Nous proposons ici une étude expérimentale des couplages vibroacoustiques d’un prototype de pavillon de trombone à double parois. Le pavillon double est constitué de deux pavillons concentriques définissant une région annulaire qui peut être remplie d’eau, permettant ainsi de faire varier continument la structure modale du pavillon. Le trombone opère en situation de jeu grâce à une bouche artificielle. Des situations de coïncidences entre une harmonique du signal acoustique auto-entretenu et un mode vibratoire particulier, le mode piston, sont suscitées à des volumes d’eau spécifiques. Les signaux acoustiques et vibratoires sont analysés au voisinage des coïncidences. Il apparait clairement des phénomènes spectaculaires sur les signaux vibratoires. Les signaux acoustiques rayonnés en champ proche sont eux que très faiblement perturbés.
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