27
1 Ensim 5 A - Antennes acoustiques 1 Localisation et caractérisation des sources par antennes acoustiques Formation de voies ou beamforming Ensim 5 A - Antennes acoustiques 2 Principe des antennes linéaires principe du "télescope acoustique" (Billinsley & Kinns, 1976) acquisition simultanée du signal point de focalisation situé devant l'antenne Applications : caractérisation du bruit de jet isoler les sources de bruit sur les engins de transport terrestres analyse des contributions acoustiques présentes dans le bruit de passage d'un véhicule

Localisation et caractérisation des sources par antennes ...perso.univ-lemans.fr/~jhthomas/antennerie.pdfAntenne parabolique Ensim5 A -Antennes acoustiques 4 Formation de voies :

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • 1

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    1

    Localisation et caractérisation des sources par antennes acoustiques

    Formation de voies ou beamforming

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    2

    Principe des antennes linéaires

    � principe du "télescope acoustique " (Billinsley & Kinns, 1976)� acquisition simultanée du signal

    � point de focalisation situé devant l'antenne

    Applications :

    � caractérisation du bruit de jet� isoler les sources de bruit sur les engins de transport terrestres� analyse des contributions acoustiques présentes dans le bruit de

    passage d'un véhicule

  • 2

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    3

    Principe des antennes Méthodes de formation de voies

    Antenne parabolique

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    4

    Formation de voies : utilisation d’un modèle de sourceMéthodes de formation de voies

    Champ proche : modèle en ondes sphériques

    Champ lointain : modèle en ondes planes

    λ2

    2LDF =

    Distance de Fresnel

    Fmi Dr ≤

    Fmi Dr >

    L : envergure de l’antenne

    mirDistance

    source i – micro m

  • 3

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Principe des antennes linéaires Méthodes de formation de voies

    dML =

    d

    0θδ

    δ

    Source i

    Capteur référence

    MicrophonesFront d’onde

    Différence de marche

    )()( 0 miimim tstp ττα −−=

    τ0

    Signal capté par le microphone m

    m

    mmi ττ = : temps de trajet du front d’ondemicrophone r - microphone m

    miα Atténuation

    r

    0sinθδ d=

    0sin)1( θτ cd

    mm −=

    5

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Compensation des retards Méthodes de formation de voies

    dML =

    d

    0θδ

    δ

    Source i

    Capteur référence

    MicrophonesFront d’onde

    Différence de marche)()( 0 miimim tstp ττα −−=

    τ0Signal capté par le

    microphone m

    m r

    )sin)1((1

    )(1

    )( 00 θατ

    ατ

    c

    dmtptpts m

    mimim

    mii −+=+=−

    Signal en B

    B

    6

  • 4

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Antennes à retard et somme Méthodes de formation de voies

    )(tpmSignal capté par le microphone m

    )sin)1((1

    )(1

    )( 00 θατ

    ατ

    c

    dmtptpts m

    mimim

    mii −+=+=−

    Signal source retardé

    θ

    m r

    Signal source reconstruit (focalisation en des directions θ)

    ∑=

    −+=M

    mm

    mii c

    dmtp

    Mts

    1

    )sin)1((11

    ),( θα

    θ

    miα1

    AmplificationSource

    7

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Antennes à retard et somme Méthodes de formation de voies

    )()sin)1((1

    )( 00 tpc

    dmtpts rm

    mii =−+=− θα

    τ

    Signal source retardé

    Signal source reconstruit (focalisation en des directions θ)

    ∑=

    −+=M

    mm

    mii c

    dmtp

    Mts

    1

    )sin)1((11

    ),( θα

    θ

    )()sin)1(( 0 tpc

    dmtp rmim αθ =−+

    ))sin(sin)1((11

    ),(1

    0∑=

    −−+=M

    mrmi

    mii c

    dmtp

    Mts θθα

    αθ

    8

  • 5

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Antennes à retard et somme : champ lointain Méthodes de formation de voies

    Approche temporelle : Signal source reconstruit (focalisation en des directions θ)

    ∑=

    −+=M

    mm

    mii c

    dmtp

    Mts

    1

    )sin)1((11

    ),( θα

    θ

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    ∑ S

    ∑=

    −+∗=M

    mm

    mii c

    dmttp

    Mts

    1

    )sin)1(()(11

    ),( θδα

    θ

    ∑=

    −=

    M

    m

    c

    dmfj

    mmi

    i efPMfS

    1

    sin)1(2)(

    11),(

    θπ

    αθ

    Approche fréquentielle :

    9

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Antennes à retard et somme : champ proche Méthodes de formation de voies

    Approche temporelle

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    ∑ S

    ∑=

    =M

    m

    mimmi c

    rtpats

    1

    )(1

    )(

    ∑=

    ∗=M

    mmimmi twtpats

    1

    )()()(

    ∑=

    =ΞM

    m mi

    m

    r

    a

    1 4π

    )(1

    )(c

    rttw mimi +Ξ

    = δ

    Approche fréquentielle

    ∑∑== Ξ

    =M

    m

    rkj

    mm

    M

    m

    c

    rfj

    mmi

    im

    im

    efPa

    efPafS

    11

    2

    )()()(

    π

    10

  • 6

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Source Méthodes de formation de voies

    Source caractérisée par son débit d’accélération

    )()( 0 tQts ai ρ=

    dt

    tdQtQ ua

    )()( = u

    Q

    Domaine fréquentiel

    )()( 0 ωωρω ui QjS =

    11

    : Débit de vitesse

    Pression

    )(4

    )(4

    )( 00 ωπρω

    πωρω u

    jkR

    u

    jkR

    QR

    ejkcQ

    R

    ejP

    −−

    ==

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    12

    Traitement en fréquence

    Pression due à la source sur le microphone

    Estimation de la source : Représentation matricielle à la fréquence

    Vecteur de pointage (ou steering vector)avec la contrainte de normalisation Et

    Par exemple : processeur de Bartlet

    ( ) ( )mi

    rkj

    im r

    eAp

    mi−

    = ωω ( ) ( ) mirkjmmii eprA += ωωπω 2=f

    pwHiiS =

    iHi

    ii hu

    uw =1=i

    Hi hw

    ( )

    −=L

    L

    mimii rjkrexph

    ii hu =Valeur quadratique de l’estimateur

    [ ] ippHiiSE wGw=2Matrice interspectrale des pressions

    Méthodes fréquentielles

  • 7

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    13

    Matrice interspectrale des pressions

    Densité spectrale de puissance de la distribution de sources

    pour laquelle on a

    dont les éléments sont

    Symétrie hermitienne

    { } { } { } ippHiiHHiHHiHiiiii EESSEG wGwwppwpwpw ==== ∗ ))((ˆ

    Méthodes fréquentielles

    { } ][ ppmnHpp GE == ppG{ } ∑

    =

    ∗∗ ≈=N

    kknkmnm

    ppmn TpTpTppEG

    1,, ),(),()2( ωω

    =≠

    ==→

    ∗conjugué complexe

    réel

    ppmn

    ppnm

    ppmm

    ppmmpp

    mn

    GGnm

    GGnmG

    mnG

    ∗mnG

    ppHpp GG =

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    14

    La formation de voies est la solution d’un problème d’optimisation

    On cherche à définir une fonction coût et à la minimiser

    Fonction coût : écart entre la valeur estimée de l’amplitude de la source et sa valeur réelle

    en terme de densité spectrale de puissance

    Trouver le minimum :

    Méthodes fréquentielles

    iHi A−pw

    { } { } { } { }iiiiHiHiippHiiHiiHi AAEAEAEAAEJ ∗∗∗ +−−=−−= wppwwGwpwpw ))((

    iiiHpipi

    Hiipp

    Hi GJ +−−= wggwwGw

    0=∂∂

    i

    J

    w

  • 8

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    15

    La formation de voies : méthode de Bartlet

    Si est une matrice hermitienne, elle est définie positive si

    C’est le cas car alors, le minimum existe et il est unique.

    Trouver le minimum :

    Méthodes fréquentielles

    iiiHpipi

    Hiipp

    Hi GJ +−−= wggwwGw

    0=∂

    ∂H

    i

    J

    w

    0>ippHi wGw

    ippHiiiG wGw=ˆ

    ppG

    pippipiippHi

    JgGwgwG

    w1022 −=⇒=−=

    ∂∂

    { } iiHiiiHiiipp GAAE hhhhG == ∗

    { } { } iiiiiiipi GAAEAE hhpg === ∗∗( )

    iHi

    ii

    Hiipippi

    hh

    hhhhgGw ===

    −− 11

    iHi

    ii hh

    hw =

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    16

    La formation de voies : méthode de Capon

    On cherche à minimiser l’énergie en sortie de traitement

    Critère :

    Contrainte :

    Optimisation par la méthode des multiplicateurs de Lagrange:

    Méthodes fréquentielles

    0)1( =−+= iHiipp

    HiL hJ wwGw λ

    ippHiCJ wGw=

    0=∂∂

    Hi

    LJ

    w

    1=iHi hw

    0=∂∂

    λLJ

    ippiiippHi

    L hhJ 1

    202 −−=⇒=+=

    ∂∂

    GwwGw

    λλ

    � Utilisation de la matrice interspectrale pour déterminer un vecteur de pointage optimal (méthode à variance minimale)

  • 9

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    17

    La formation de voies : méthode de CaponMéthodes fréquentielles

    10 =⇒=∂∂

    iHi

    L hJ

    ippHi

    ippHi hh

    hh1

    1 212 −

    − −=⇒=−G

    G λλ

    ippi h1

    2−−= Gw λ

    ippHi

    ippi hh

    h1

    1

    =G

    Gw

    Solution de la méthode de Capon

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    18

    Autres méthodes pour améliorer la résolutionMéthodes fréquentielles

    � Méthodes « haute résolution » (algorithme MUSIC par exemple)Décomposition en sous-espace de la matrice interspectrale (décomposition en valeurs singulières SVD)

    { } H MMnMMpp ××= VVG 2diag)( εωEspace source

    L premières valeurs propres

    Espace bruit

    M-L dernières valeurs propres

    Matrice des vecteurs propres

    [ ]MLBi

    HBB

    Hi

    iS vvVhVVhL1 avec

    1 de estimateur +==

    Vecteurs propres associés à l’espace « bruit » (aux M-L dernières valeurs propres)

  • 10

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    Antennes à retard et somme : champ lointain Méthodes de formation de voies

    Approche temporelle : Signal source reconstruit (focalisation en des directions θ)

    ∑=

    −−=

    M

    m

    c

    dmfj

    ri efPMfS

    1

    )sin(sin)1(2 0)(

    1),(

    θθπθ

    Approche fréquentielle :

    ))sin(sin)1((1

    ),(1

    0∑=

    −−+=M

    mri c

    dmtp

    Mts θθθ

    Réponse angulaire de l’antenne :

    ∑=

    −−==

    M

    m

    c

    dmfj

    r

    i eMfP

    fSfX

    1

    )sin(sin)1(2 01

    )(

    ),(),(

    θθπθθ19

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    20

    Principe des antennes linéaires Méthodes de formation de voies

    réponse angulaire en fonction de la direction

    dML =

    d

    ( )( )

    ( )

    −=

    0

    0

    sinsin2

    sin

    sinsin2

    sin

    θθ

    θθθ

    dk

    Lk

    AS

    Envergure de l'antenne dML =

    ( )( )

    ( )0

    0

    sinsin2

    sinsin2

    sin

    θθ

    θθθ

    −≈

    dk

    Lk

    AS

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    retard

    ∑ S

    θ

  • 11

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    21

    Résolution et lobes secondairesMéthodes de formation de voies

    La résolution des antennes est proportionnelle à la fréquence

    Lobe principal dont dépend la résolution de l’antenne et lobes secondaires parasites(à gauche) qui peuvent être atténués par une pondération des microphones de l’antenne.

    Des lobes de repliement peuvent apparaître quand les conditions d’échantillonnage

    spatial ne sont plus respectées (à droite) (Doc. ACB Engineering)

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    22

    Principe des antennes linéaires Méthodes de formation de voies

    dML =

    d

    ( )( )

    ( )0

    0

    sinsin2

    sinsin2

    sin

    θθ

    θθθ

    −≈

    dk

    Lk

    AS

    L’antenne simple couche est sensible à l’onde arrière

  • 12

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    23

    Antennes linéaires : fréquence et envergure Méthodes de formation de voies

    Ouverture de l’antenne (largeur du lobe principal)

    dépend de

    -1 0 1-1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    x [m]

    z [m

    ]

    angle d'orientation -30°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -20

    -10

    0

    angle [°]at

    ténu

    atio

    n [d

    B]

    M = 16 microphonesfréquence : 1000 Hz (λ/2 = 0.33 m)d = 0.10 mL = 1.60 mkL = 30.3

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 12.2°ouverture du lobe principal à -10 dB : 20.5°

    −−

    +=−=∆kLkL

    αθαθθθθ 2sinarcsin2sinarcsin 0012

    39156.1=α3 dB

    10 dB 31858.2=α

    ck

    ω=

    L

    λπ LkL 2=

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    24

    Antennes linéaires : fréquence et envergureMéthodes de formation de voies

    Ouverture de l’antenne (largeur du lobe principal)

    −−

    +=−=∆kLkL

    αθαθθθθ 2sinarcsin2sinarcsin 0012

    -1 0 1-1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    x [m]

    z [m

    ]

    M = 16 microphones

    d = 0.10 mL = 1.60 m

    angle d'orientation 0°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90-50 0 50

    -30

    -20

    -10

    0

    angle [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    fréquence : 330 Hz

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 32.3°ouverture du lobe principal à -10 dB : 55.2°

    kL = 10

    kL = 50

    angle d'orientation 0°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -20

    -10

    0

    angle [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    fréquence : 1650 Hz

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 6.4°ouverture du lobe principal à -10 dB : 10.6°

  • 13

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    25

    Antennes linéaires : fréquence et envergureMéthodes de formation de voies

    Ouverture de l’antenne (largeur du lobe principal)

    −−

    +=−=∆kLkL

    αθαθθθθ 2sinarcsin2sinarcsin 0012

    -90 -60 -30 0 30 60 900

    15

    30

    45

    60

    75

    90

    105

    120

    angle d'orientation θ0 [°]

    ∆θ[°]

    largeur du lobe principal à -3 dB

    5102050100200kL

    angle d'orientation -45°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -20

    -10

    angle [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    fréquence : 330 Hz

    kL = 10

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 54.7°ouverture du lobe principal à -10 dB : 75.9°> 75.9°

    angle d'orientation -45°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -20

    -10

    0

    angle [°]at

    ténu

    atio

    n [d

    B]

    fréquence : 1650 Hz

    kL = 50

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 9.1°ouverture du lobe principal à -10 dB : 15.2°

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    26

    Antennes linéaires : sous-échantillonnageMéthodes de formation de voies

    Quand la fréquence augmente, la demi-longueur d'onde acoustique devient du même ordre de grandeur que la distance entre microphones

    devient sensiblement plus faible que 1, ce qui conduit à l'amplification des lobes secondaires.

    Des "lobes de réseau " apparaissent avant d'arriver à la limite théorique d'échantillonnage spatial

    ( )

    ( )0

    0

    sinsin2

    sinsin2

    sin

    θθ

    θθ

    dk

    Lk

    2min λ=d

    plage d'utilisation de l'antenne quand [ ]21 ϑϑ

    12

    sinquand2

    sinarcsin

    12

    sinquand2

    sinarcsin

    002

    001

  • 14

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    27

    Antennes linéaires : sous-échantillonnageMéthodes de formation de voies

    lobes de réseau pour fréquence : 1650 Hz ( λλλλ /2 = 0.20 m)

    -1 0 1-1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    x [m]

    z [m

    ]

    M = 8 microphones

    d = 0.20 m

    L = 1.60 m

    kL = 50

    angle d'orientation -45°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90-50 0 50

    -30

    -20

    -10

    0

    angle [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 9.1°ouverture du lobe principal à -10 dB : 15.2°

    limite lobe de réseau à 6 dB : [NaN° -5.8°]

    limite lobe de réseau à 10 dB : [NaN° 2.0°]

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90-50 0 50

    -30

    -20

    -10

    0

    angle [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 6.4°ouverture du lobe principal à -10 dB : 10.7°

    limite lobe de réseau à 6 dB : [-37.3° 37.3°]

    limite lobe de réseau à 10 dB : [-47.8° 47.8°]

    angle d'orientation 0°

    2min λ=d

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    28

    Antennes linéaires : fenêtre d’apodisationMéthodes de formation de voies

    0 0.5 10

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    none

    0 0.5 10

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    hamming

    0 0.5 10

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    kaiser

    0 0.5 10

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    gaussian

    Hanning : la plus populaire des fenêtres basées sur la fonction cosinus (les autres : Hamming , Blackman, Harris),

    Kaiser-Bessel (avec facteur ) maximise le rapport entre l'énergie du lobe principal et celle des lobes secondaires,

    Gaussienne (avec facteur ) supprime les lobes secondaires.

    πβ 2=

    5.2=α

    Les fonctions d'apodisation sur l'envergure de l'antenne ont pour but le contrôle des lobes secondaires

  • 15

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    29

    Antennes linéaires : fenêtre d’apodisationMéthodes de formation de voies

    Les fonctions d'apodisation sur l'envergure de l'antenne ont pour but le contrôle des lobes secondaires …

    -1 0 1-1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    x [m]

    z [m

    ]

    M = 16 microphones

    d = 0.10 mL = 1.60 m

    apodisation : kaiser

    angle d'orientation 0°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90 -50 0 50-30

    -20

    -10

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 10.3°

    ouverture du lobe principal à -10 dB : 18.2°

    fréquence : 1650 Hz ( λλλλ /2 = 0.20 m) kL = 50

    angle d'orientation -45°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90-50 0 50

    -30

    -20

    -10

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 14.7°

    ouverture du lobe principal à -10 dB : 26.6°

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    30

    Antennes linéaires : fenêtre d’apodisationMéthodes de formation de voies

    Les fonctions d'apodisation sur l'envergure de l'antenne ont pour but le contrôle des lobes secondaires … mais ne réduisent pas les lobes de réseau

    apodisation : kaiserfréquence : 1650 Hz ( λλλλ /2 = 0.20 m) kL = 50

    -1 0 1-1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    x [m]

    z [m

    ]

    M = 8 microphones

    d = 0.20 m

    L = 1.60 m angle d'orientation 0°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90-50 0 50

    -30

    -20

    -10

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 10.3°

    ouverture du lobe principal à -10 dB : 18.2°

    angle d'orientation -45°

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -20

    -10

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    ouverture du lobe principal à -3 dB : 14.6°

    ouverture du lobe principal à -10 dB : 26.6°

  • 16

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    31

    Antennes linéaires : sources mobilesMéthodes de formation de voies

    Ces antennes ont été utilisées dès les années 80 pour étudier le bruit des trains

    280 km/h

    Deux types de bruits :

    � un bruit mécanique de roulement, émis à la fois par le matériel et l'infrastructure

    � un bruit aérodynamique, dû aux écoulements d'air autour du train

    −−

    = )(2cos)²cos1(

    )(c

    Rtf

    MR

    Atp π

    β

    )cos1()( 00 βM

    ftf

    −=

    Effet Doppler

    β

    Variation d’amplitude

    Fréquence instantanée

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    32

    Antennes linéaires verticalesMéthodes de formation de voies

    · Barsikow utilise aussi des antennes linéaires verticales à pas variables pour garderune résolution constante dans le gamme de fréquence [Barsikow, JSV 1986]

    Antennes linéaires verticales à espacements variables des microphones

    Bruit aérodynamique généré par le pantographe d’un train à 200 km/h

    Niveau dans la bande 1172-1367 Hz

  • 17

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    33

    Antennes linéaires verticalesMéthodes de formation de voies

    · La SNCF utilise en 1993 une antenne linéaire de 15 microphoneshorizontale pour caractériser des sources rapportées sur un train d'essai detype Corail [Poisson, Thèse, 1996].

    Les premiers essais réalisés sur TGV Atlantique en 1994 utilisent également une antenne verticale

    Des mesures ont aussi été effectuées en Belgique sur un train Thalys à 330 km/h en 1996

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    34

    Antennes linéaires verticales : bruit de passageMéthodes de formation de voies

    Méthodes bien adaptées à l’analyse des bruits de passage

    Antennes additives linéaire (Doc. INRET)pour l'analyse des sources mobiles.

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    V = 25 km/h, f=2000 Hz

    V = 112 km/h, f= 2000 Hz

    330 Hz

    1650 Hz16 micro – L=1.6 m

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

  • 18

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    35

    Antennes linéaires horizontales : sources mobilesMéthodes de formation de voies

    L’effet Doppler est corrigé en suivant le déplacement du train: dé-dopplérisation

    Assurer le suivi d ’une zone du train lors de son passage

    La focalisation est ajustée à chaque instant de manière à suivre la zone sélectionnée

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    36

    Antennes linéaires verticales ou horizontales Méthodes de formation de voies

    Barsikow utilise des antennes linéaires de 15 microphones qui peuvent être orientéesen position verticale ou horizontale pour localiser et identifier des sources de roue/rail[Barsikow et al, JSV 1987]

    Antenne linéaire de 15 microphones espacés de 8 cm et placée à 5.7 m du centre de la voie pour travailler dans la gamme 1000-4500 Hz

    Niveau global A pour un train à 200 km/h

    Le train est équipé de roues de conception différentes

  • 19

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    37

    Antennes linéaires verticales ou horizontales Méthodes de formation de voies

    Les antennes linéaires horizontales peuvent être constituées de microphonesd’écartements différents pour garder une même résolution sur la gamme de fréquence[Barsikow et al, JSV 1986]

    Train test à 250 km/h dont les wagons comportent des roues avec différents types de frein : les niveaux (global A) les plus faibles correspondent à des freins à disque.

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    38

    Antennes 2DMéthodes de formation de voies

    Les antennes planes sont basées sur le même principe

    Sum and Delay Array : les voies sont retardées en fonction de la position du point focal, puis sommées

    fenêtre d’apodisation

    -0.5 0 0.5-0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    x [m]

    z [m

    ]

    type d'antenne : star3h

    -0.5 0 0.5-0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    x [m]

    z [m

    ]

    type d'antenne : rectangular

    -0.5 0 0.5-0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    x [m]

    z [m

    ]

    type d'antenne : cross

    ( ) ( )∑∑

    =

    =

    +∗=

    M

    j

    jij

    ji

    j

    M

    j ji

    ji c

    rttp

    r

    w

    r

    wtS

    1

    12

    1 δ

    jw

  • 20

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    39

    Résolution et lobes secondairesMéthodes de formation de voies

    -0.5 0 0.5

    -0.5

    0

    0.5

    x [m]

    z [

    m]

    type d'antenne : rectangular

    -10

    0

    10

    05

    10-10

    -5

    0

    5

    10

    M = 121 microphones

    fréquence : 1000 Hz ( /2 = 0.33 m)λ

    d = 0.10 m

    L = 1.10 m

    kL = 20.8

    angle d'orientation azimut : 0° site : 0° dist ance de focalisation : 10 m

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (azimut) 0°

    0

    -10

    -20

    -30

    -90-60

    -30

    0

    30

    6090

    angle de site [°]

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle de site [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (site) 0°

    ouverture du lobe principal à -3 dB

    azimut : 14.0°

    site : 14.0°

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    40

    Résolution et lobes secondairesMéthodes de formation de voies

    -10

    0

    10

    05

    10-10

    -5

    0

    5

    10

    M = 31 microphones

    fréquence : 1000 Hz ( /2 = 0.33 m)λ

    d = 0.10 m

    L = 1.10 m

    kL = 20.8

    angle d'orientation azimut : 0° site : 0° dist ance de focalisation : 10 m

    -0.5 0 0.5

    -0.5

    0

    0.5

    x [m]

    z [

    m]

    type d'antenne : star3h

    -10

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (azimut) 0°

    0

    -10

    -20

    -30

    -90-60

    -30

    0

    30

    6090

    angle de site [°]

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle de site [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (site) 0°

    ouverture du lobe principal à -3 dB

    azimut : 21.6°

    site : 21.6°

  • 21

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    41

    Résolution et lobes secondairesMéthodes de formation de voies

    -10

    0

    10

    05

    10-10

    -5

    0

    5

    10

    M = 21 microphones

    fréquence : 1000 Hz ( /2 = 0.33 m)λ

    d = 0.10 m

    L = 1.10 m

    kL = 20.8

    angle d'orientation azimut : 0° site : 0° dist ance de focalisation : 10 m

    -0.5 0 0.5

    -0.5

    0

    0.5

    x [m]

    z [

    m]

    type d'antenne : cross

    angle d'azimut [°] 0

    -10

    -20

    -3090

    60

    300

    -30

    -60

    -90

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle d'azimut [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (azimut) 0°

    0

    -10

    -20

    -30

    -90-60

    -30

    0

    30

    6090

    angle de site [°]

    -50 0 50-30

    -25

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    angle de site [°]

    atté

    nuat

    ion

    [dB

    ]

    angle d'orientation (site) 0°

    ouverture du lobe principal à -3 dB

    azimut : 22.5°

    site : 22.5°

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    42

    Résolution et lobes secondairesMéthodes de formation de voies

    Effet des lobes secondaires pour une source en face de l’antenne

    Effet des lobes de réseau (sous échantillonnage spatial)

  • 22

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    43

    Résolution et lobes secondaires: répartition des capteurs

    Méthodes de formation de voies

    64 microphones

    Grille régulière

    Répartition aléatoire

    Arrangement en spirale

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    44

    Application des méthodes de formation de voiesMéthodes de formation de voies

    localisation de l’origine du bruit et aide à la compréhension des phénomènes

    (Doc. ACB Engineering)

    Différentes dispositions de

    microphones

  • 23

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    45

    Application des méthodes de formation de voiesMéthodes de formation de voies

    localisation des fuites et des sources de bruit

    (Doc. ACB Engineering)

    Analyse des fuite sur la porte passager au cours d’un test sur route à 150 km/h

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    46

    Utilisation des antennes en soufflerieUtilisation des antennes en soufflerie

    Méthodes de formation de voies

    Utilisation des antennes en soufflerieUtilisation des antennes en soufflerie

    (Doc. ACB Engineering)

    Analyse du bruit aéroacoustique généré par

    un rétroviseur

    Permet de choisir entre deux Permet de choisir entre deux

    configurationsconfigurations

  • 24

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    47

    Méthodes de formation de voies : bruit de passageMéthodes de formation de voies

    Utilisation pour l’analyse du bruit de passageUtilisation pour l’analyse du bruit de passage

    (Doc. ACB Engineering)

    Mise en évidence du bruit de contact pneu-chaussée à 144 km/h

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    48

    Sources mobilesMéthodes de formation de voies

    Résultats par bandes d’octave pour le TGV Atlantique (Doc. SNCF)

    Trajectoirede la cible

    Antenne

    Zone de suivi

    D°45 °45

  • 25

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    49

    Sources mobiles : éolienneMéthodes de formation de voies

    Résultats par bandes de 1/3 d’octave (Oelermans et al, JSV 2007)

    Hauteur de la tour 53.5 m Diamètre du rotor 58 m

    Vitesse de rotation 25 tr/mn

    148 microphones

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    50

    Utilisation des antennes en aéronautiqueMéthodes de formation de voies

    (Doc. Boeing, Underbrink)

    localisation des sources de bruit sur un avion au décollage chez Boeing

    Déploiement d’une très grande Déploiement d’une très grande antenne comportant 617 microphones antenne comportant 617 microphones

  • 26

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    51

    Utilisation des antennes en aéronautique : antennes en croixMéthodes de formation de voies

    (Doc. ONERA)

    localisation des sources de bruit sur un avion au décollage

    Airbus A340 survolant une antenne en Airbus A340 survolant une antenne en croix comportant 40 microphones croix comportant 40 microphones

    600 Hz600 Hz

    1200 Hz1200 Hz

    2500 Hz2500 Hz

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    52

    Exemple (voir diapositive suivante)Méthodes fréquentielles

    Richardson-Lucyconventional

    498 Hz498 Hz

    10 dB10 dB

    Bartlet

    SOAP

    Reg. 10 dB

    110 mic.

    4 m x 4 m

  • 27

    Ensim 5 A - Antennes acoustiques

    53

    ExempleMéthodes fréquentielles

    Etude réalisée par le CETIM avec une antenne ACB Engineering et un logiciel de traitement VisualVibroAcoustics

    Bouche d'échappement

    Bouche d'admission

    Aération

    Pompe