Academic literature on the topic 'Multimodal acoustic propagation'

La Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un moyen de mesure non intrusif de la vitesse particulaire classiquement utilisé en mécanique des fluides. La vitesse acoustique est une grandeur très importante en acoustique car elle permet de caractériser les champs de propagation acoustique indispensable pour la compréhension de certains phénomènes de propagation en proche paroi ou pour des géométries complexes. Le banc DUCAT installé au laboratoire de l’équipe acoustique et vibration de l’Université de Technologie de Compiègne avait pour but de caractériser les performances acoustiques de différents systèmes d’absorption acoustique tel que les SDOF ou les poreux métalliques pour des utilisations aéronautiques à travers la mesure amont/aval de la vitesse et la pression acoustiques à travers deux sondes automatisées contenants un capteur à fil chaud ainsi qu’un microphone avec ogive. L’objectif de cette thèse est de permettre la mesure de la vitesse acoustique en propagation multimodale et en présence d’écoulement en utilisant la VLD. Le signal mesuré par la VLD est échantillonné aléatoirement et présente un bruit de fond assez important dû à la présence de l’écoulement dans le conduit. La nature complexe du signal mesuré demande des méthodes de traitement de signal particulières pour pouvoir en extraire la vitesse acoustique qui nous importe. La première partie de cette thèse, présente un benchmark des différentes méthodes présentes dans la littérature ainsi que leur validité pour les conditions expérimentales actuelles du banc DUCAT. Une simulation du signal VLD mesuré est développé en guise de référence de validation des méthodes qu’elles soient spectrales ou temporelles. La méthode des moindres carrés pondérés est finalement sélectionnée et adaptée suite à cette étude pour l’estimation des différents paramètres acoustiques à partir du signal brut. La deuxième partie concerne la présentation des outils numériques utilisés ou développés pour la simulation de la propagation acoustique dans les conduits infinis. L’outil numérique est un code éléments finis aéroacoustique basé sur les équations de Galbrun couplées à une couche absorbante virtuelle dite PML (Perfect Matched Layer). En raison de la présence de la PML, la résolution numérique du problème inverse devient compliquée et un code de résolution des problèmes aux valeurs propres non linéaires basé sur la méthode du Contour Intégral a dû être développé. La troisième partie de ce travail présente les différents composants du banc expérimental. Le banc permet la propagation acoustique multimodale (jusqu’à 5000 Hz) en présence d’un écoulement en aspiration/expiration pouvant atteindre une vitesse de Mach 0.25. La quatrième partie présente une comparaison numérique et expérimentale des outils présentés et développés durant la thèse. Une première comparaison pour une propagation multimodale dans un conduit droit permet de conclure sur l’efficacité du système de mesure et de traitement de signal avec une erreur relative inférieure à 1 dB. Une seconde comparaison a été réalisée pour l’étude des modes piégés acoustiques dans le cas d’un conduit cylindrique avec changement brusque de section<br>Laser Doppler Velocimetry (LDV) is a non-intrusive measurement of particle velocity classically used in fluid mechanics. The acoustic velocity is a very important quantity in acoustics for the characterization of acoustic propagation fields, which is essential for the understanding of certain propagation phenomena in near walls or for complex geometries. The DUCAT bench installed in the laboratory of the Acoustics and Vibration team of the University of Technology of Compiègne aimed at characterizing the acoustic performances of various acoustic absorption systems such as SDOF or metallic porous materials for aeronautical uses through the measurement of the acoustic velocity and pressure through two automated probes containing a hot wire sensor as well as a microphone with ogive. The objective of this thesis is to allow the measurement of acoustic velocity in multimodal propagation and in the presence of flow using the VLD. The signal measured by the VLD is randomly sampled and has a fairly large background noise due to the presence of flow in the duct. The complex nature of the measured signal requires special signal processing methods to extract the acoustic velocity that is important to us. The first part of this thesis presents a benchmark of the different methods available in the literature and their validity for the current experimental conditions of the DUCAT bench. A simulation of the measured VLD signal is developed as a reference to validate the methods, whether they are spectral or temporal. The weighted least squares method is finally selected and adapted following this study for the estimation of the various acoustic parameters from the raw signal. The second part concerns the presentation of the numerical tools used or developed for the simulation of the acoustic propagation in infinite ducts. The main numerical tool is an aeroacoustic finite element code developed in the lab based on Galbrun’s equations coupled to a virtual absorbing layer called PML (Perfect Matched Layer). Due to the presence of the PML, the numerical solution of the inverse problem becomes complicated, which led us to develop a code for solving nonlinear eigenvalue problems based on the Integral Contour method. The third part of this work presents the different components of the modified version of the bench as well as the characteristics of these different components. The bench allows the experimentation of multimodal acoustic propagation (up to 5000 Hz) in the presence of a suction/expiration flow that can reach a speed of Mach 0.25. The fourth and last part, presents a protocol of experimental numerical validation of all the tools presented and developed. The test/calculation comparisons are presented for a multimodal propagation in a straight duct at first. The results allow to conclude on the efficiency of the measurement and signal processing system with a relative error lower than 1 dB. The same protocol is then used for the experimental study of the acoustic trapped modes in the case of a cylindrical duct with an abrupt change of section

L'étude expérimentale de la propagation et du rayonnement multimodal en guide large est abordée via des mesures par antennerie microphonique de la réflexion des modes pour différentes extrémités. Le banc expérimental est constitué d'un guide large fermé à une extrémité et débouchant sur différentes terminaisons à l'autre extrémité ; en paroi du guide sont branchées une source acoustique et deux antennes microphoniques. Chaque composant du banc est étudié pour améliorer les résultats de mesure. Une méthode de vérification des performances des haut-parleurs constituant la source et une méthode de pilotage de la source acoustique sont proposées pour favoriser la génération des différents modes de propagation de l'onde. Une méthode de calibration in-situ pour l'antenne est développée pour les différents modes. Un calcul des incertitudes pour l'estimation du coefficient de réflexion est proposé.Enfin les mesures sont effectuées pour différentes extrémités de guide : avec une bride, sans épaisseur, avec un écran infini. Le principe de la méthode de mesure de la réflexion des différents modes consiste à appliquer la méthode du doublet microphonique adaptée aux signaux issus de la décomposition modale obtenue au moyen de deux antennes de microphones. Les résultats de mesure pour le mode plan sont avantageusement comparés aux résultats théoriques issus de la littérature. Les résultats pour les premiers modes supérieurs montrent l'aptitude du système à extraire le coefficient de réflexion en module et en phase suffisamment précisément pour distinguer l'effet de la condition de rayonnement<br>The experimental study of multimodal propagation and radiation in a wide guide is proposed via measurements of the reflection of modes for different terminations by using microphone arrays. The experimental bench consists of a wide guide closed at one end and ended with different terminations at the other end; an acoustic source and two microphone arrays are flush-mounted to the wall of the guide. Each component of the bench is first studied to improve the measurement results. A method of verifying the performance of the loudspeakers constituting the acoustic source and a method of controlling the acoustic source are proposed in order to facilitate the generation of the different modes of propagation of the wave. An in-situ calibration method for the microphone array is developed for the different modes. A calculation of the uncertainties for the estimation of the reflection coefficient is proposed.Then, measurements are performed for different guide terminations: with a finite flange, without flange, and with an infinite flange. The measurement of the reflection for the different modes consists of applying the method of two microphones to the signals from the modal decomposition obtained by means of two microphone arrays. Results of measurements for the plane mode are satisfactorily compared with theoretical results from the literature. Results for the first higher modes show the ability of the system to extract the reflection coefficient in modulus and in phase with sufficient precision to distinguish the effect of the radiation condition

Afin de réduire le bruit dans les villes, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension de la propagation acoustique en milieu urbain. Il existe aujourd’hui des logiciels commerciaux qui permettent de modéliser des champs acoustiques urbains à des coûts de calcul raisonnables. Toutefois, ces outils sont basés principalement sur des approches énergétiques qui ne contiennent pas d’informations sur la phase. Pour cette raison, elles ne permettent pas la prise en compte d’effets d’interférence (par exemple, des résonances), nous offrant ainsi une description physique limitée du champacoustique. Inversement, des méthodes ondulatoires classiques (FEM, BEM, FDTD) permettent de prendre en compte ces effets. Or, en raison de la discrétisation et de la grande extension du domaine de propagation, leur utilisation est généralement limitée aux très basses fréquences.L’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes ondulatoires performants, dans le domaine fréquentiel et temporel, nous permettant de modéliser la propagation acoustique dans des zones urbaines étendues. L’approche proposée est basée sur une formulation mixte modale–éléments finis. L’idée clé de cette méthode estde considérer la rue comme un guide d’ondes ouvert, dont la base modale est composée de modes de fuite (modes qui rayonnent une partie de leur énergie en se propageant). Cette approche combine une description multimodale du champ acoustique dans la direction longitudinale et un calcul par éléments finis des modes propres transverses.L’approche a été mise en oeuvre précédemment à l’échelle d’une seule rue. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’extension de la méthode à l’échelle du quartier, afin de modéliser la propagation dans des milieux contenant un grand nombre de rues interconnectées. Une version simplifiée dans le domaine temporel, contenant uniquement lemode de propagatif le moins fuyant, est également développée.En nous basant sur ces approches, nous étudions des phénomènes ondulatoires qui peuvent apparaître dans des configurations urbaines particulières. Plus précisément, nous nous intéressons à l’interaction des modes de la rue avec des résonances dans une cour intérieure adjacente, ainsi qu’à la formation de bandes de fréquences interditesdans des réseaux périodiques de rues interconnectées. Le résultat principal de cette étude est que, malgré la forte présence de pertes par radiation dans le milieu, des effets de résonance importants peuvent encore se produire. Les résultats présentés dans ce manuscrit mettent en évidence l’importance d’une approche ondulatoire pour décrirecorrectement des champs acoustiques aux basses fréquences, et ils suggèrent l’usage potentiel de ces phénomènes afin de contrôler la propagation acoustique dans le milieu.Enfin, nous présentons une étude sur l’utilisation de métasurfaces (surfaces contenant un réseau de résonateurs) pour améliorer la performance des murs antibruit. Nous démontrons que, grâce à l’excitation des résonances locales sur la métasurface, il est possible d’obtenir des propriétés non conventionnelles, comme par exemple des angles de réflexion négatifs ou de l’absorption acoustique aux basses fréquences<br>The improvement of the urban sound environment requires a good understanding of the acoustic propagation in urban areas. Available commercial softwares give the possibility to simulate urban acoustic fields at relatively low computational costs. However, these tools are mainly based on energy methods that do not contain information on the phase. Therefore, these tools are unable to capture interference effects (e.g., resonances), providing a limited physical description of the acoustic field. Conversely, classical wave methods such as FEM, BEM or FDTD give the possibility to model interference effects, but their use is often restricted to very low frequencies due to discretisation and the huge extension of the propagation domain.The main goal of this thesis is to develop efficient wave methods for the acoustic propagation modelling in extended urban areas, both in the frequency and time domain. The proposed approach is based on a coupled modal–finite elements formulation. The key idea is to consider the urban canyon as an open waveguide with a modal basis composedof leaky modes, i.e., modes that radiate part of their energy into the atmosphere as they propagate. The approach combines a multimodal description of the acoustic field in the longitudinal direction and a finite elements computation of the transverseeigenmodes. This coupled approach, which has been successfully implemented at the scale of a single street, is extended in the present manuscript at a larger scale (the neighbourhood scale), in order to model problems arising in propagation domains containing many interconnected streets. A time domain version of the method, containing only the least damped mode, is also proposed.Using these methods, we investigate wave phenomena arising in specific urban configurations, as forbidden frequency bands in periodic networks of interconnected streets, and resonances in inner yards. It is found that, despite the presence of significant radiative losses in the propagation medium, strong interference effects are still observed. Not only this result highlights the relevance of a wave approach to describe accurately urban acoustic fields at low frequencies, but it suggest the potential use of these phenomena to control the acoustic propagation in urban environments.The last part of this dissertation presents a preliminary study on the use of metasurfaces (surfaces decorated with an array of resonators) to improve the performance of noise barriers. It is shown that, exciting resonances in these structures, it is possible to achieve some unconventional behaviours, including negative angles of reflection and low frequency sound absorption

L'environnement urbain est le siège de fortes nuisances sonores notamment générées par les moyens de transport. Afin de lutter contre ces nuisances, la réglementation européenne impose la réalisation de cartographies de bruit. Dans ce contexte, des travaux fondamentaux sont menés autour de la propagation d'ondes acoustiques basses fréquences en milieu urbain. Différents travaux de recherche récents portent sur la mise en œuvre de méthodes ondulatoires pour la propagation d'ondes acoustiques dans de tels milieux. Le coût numérique de ces méthodes limite cependant leur utilisation dans un contexte d'ingénierie. L'objectif de ces travaux de thèse porte sur l'approximation unidirectionnelle de la propagation des ondes, appliquée à l'acoustique urbaine. Cette approximation permet d'apporter des simplifications à l'équation d'onde afin de limiter le temps de calcul lors de sa résolution. La particularité de ce travail de thèse réside dans la prise en compte des variations, continues ou discontinues, de la largeur des rues. Deux formalismes sont utilisés : l'équation parabolique et une approche multimodale. L'approche multimodale sert de support à une étude théorique sur les mécanismes de couplages de modes dans des guides d'ondes irréguliers bidimensionnels. Pour cela, le champ de pression est décomposé en fonction du sens de propagation des ondes à la manière d'une série de Bremmer. La contribution particulière de l'approximation unidirectionnelle est étudiée en fonction des paramètres géométriques du guide d'ondes, ce qui permet de mieux cerner les limites de validité de cette approximation. L'utilisation de l'équation parabolique a pour but une application à l'acoustique urbaine. Une transformation de coordonnées est associée à l'équation parabolique grand angle afin de prendre en compte l'effet de la variation de la section du guide d'ondes. Une méthode de résolution est alors spécifiquement développée et permet une évaluation précise du champ de pression. D'autre part, une méthode de résolution de l'équation parabolique grand angle tridimensionnelle est adaptée à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Cette méthode permet de tenir compte des variations brusques ou continues de la largeur de la rue. Une comparaison avec des mesures sur maquette de rue à échelle réduite permet de mettre en avant les possibilités de la méthode.

La prédiction de la réduction passive du bruit nécessite l’utilisation de modèles d’impédance acoustique fiables. La proposition de tels modèles en présence d’écoulement est un problème qui reste ouvert. Les travaux réalisés dans cette thèse sont consacrés à la mise en place d’une méthode expérimentale et numérique permettant de tester la validité de modèles d’impédance acoustique de traitements SDOF en présence d’écoulement. Cette approche repose sur la comparaison de résultats expérimentaux issus d’un banc aéroacoustique, et de résultats numériques issus d’un modèle FEM-PML axisymétrique basé sur l’équation de Galbrun. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, le modèle FEM-PML utilisé est présenté. Dans la seconde partie, des modèles d’impédance acoustique de SDOF tenant compte de l’écoulement sont exposés, ainsi que la méthode de validation de ces modèles et les résultats de ces validations<br>Prediction of noise reduction requires reliable acoustic impedance models. The proposal of such models in the presence of a mean flow is a problem which remains open. This thesis is devoted to the development of an experimental and a numerical method to test the validity of SDOF treatments acoustic impedance models in the presence of mean flow. This approach is based on the comparison of experimental results from an aeroacoustical duct, and numerical results from a FEM-PML axisymmetric model based on Galbrun’s equation. Thus, in the first part of this thesis, the FEM-PML model is presented. In the second part, some acoustic impedance models are exposed, and the validation method and the results of these validations are presented

Les travaux de cette thèse ont pour cadre l'approche modale de la propagation d'ondes en conduit. Deux aspects sont abordés : la propagation acoustique dans les guides d'ondes courbes, sans écoulement, et le problème d'une source dans un écoulement cisaillé, dans un conduit rectiligne.<br />Pour un guide courbe à deux ou trois dimensions, une formulation multimodale de la propagation acoustique est mise en place et validée, et des équations différentielles matricielles sont établies pour la pression et la vitesse longitudinale, ainsi qu'une équation de Riccati pour la matrice impédance. Si les caractéristiques du coude (section, admittance aux parois) sont constantes, un calcul algébrique de la matrice de diffusion est possible, qui permet l'étude des propriétés de diffusion de ce coude et de tout système complexe composé de conduits droits et courbes. Une comparaison de cette approche, ondulatoire, et d'une matrice de diffusion construite par la méthode des rayons montre une très grande similitude entre ces résultats à haute fréquence. L'atténuation dans un coude traité en parois par un matériau absorbant est enfin étudiée dans le cadre de l'approche multimodale et nous mettons en évidence plusieurs propriétés des conduits courbes traités.<br /><br />La seconde partie de ces travaux concerne le problème de la propagation acoustique dans un guide droit siège d'un écoulement parallèle cisaillé, en présence d'une source. La fonction de Green de l'équation de Pridmore-Brown est calculée dans un premier temps. Par transformée de Fourier spatiale inverse, les pôles de la fonction de Green font apparaître les modes acoustiques perturbés par l'écoulement, dont il est alors possible de calculer l'amplitude. La présence d'un spectre continu dû à la singularité de l'équation de Pridmore-Brown est également mise en évidence, et la contribution du continuum de modes hydrodynamiques correspondant est étudiée et décrite.