Mesures optiques et microphoniques synchrone en

écoulement rapide

A. Akani, H. Bailliet, J.-P. Dalmont, J.-C. ValièreLEA, Université de Poitiers, ENSMA, CNRS

LAUM, Université du Maine, CNRS

Objectifs• Développer des moyens de diagnostic de l’efficacité

des traitements actifs proposés par le LMA, le LMFA, l’ONERA– Contrôle de pression pariétale– Perte de transmission– Contrôle de la vitesse

• Améliorer la compréhension de la propagation en écoulement turbulent– Développer des méthodes optiques pour mesurer la

vitesse acoustique directement par LASER et la confronter avec des mesures microphoniques

– Développer des méthodes d’estimation modale par réseau de microphones

Veine d’essai COS (2001-2003) CoMBE (2006-2008)

Ventilateur

Source

Contre-source(LMA)

Antenne

Chaine LDV

Caractéristiques techniquesde la veine d’essai

• Aéraulique – Diamètre de la veine : 170 mm– Débit max : 2 m3/s– Mach max : 0.3

• Acoustique– Source 135 dB, 500-2500 Hz– 6 modes propagatifs

Caractéristiques Aérauliques

• Taux de turbulence au centre 4%• Profils similaires pour différents Mach

• M0.05-0.3, Re 105 -106

• Longueur d’entrée – Théorique 16 D-26 D

– La zone de mesure est à 22D sans compter le silencieux et le convergent

Caractéristiques Aérauliques

• Profil log dans la couche limite (n=1/12)• Néanmoins, bonne répétabilité spatiale et temporelle

dans la zone de mesure

Mesures LDV• Projet COS : 4 techniques avaient

été testées sur la première version de la veine:– Méthode synchrone (vert)– Méthodes spectrales (type mesure

de turbulence) par détection de pic• « Slotting » (rouge)• « Sample and Hold » (bleu)

– Méthode hybride• Pério-corrélation (« Slotting »

synchrone) Lisbonne 2004 (violet)

F=500 HzV=10m/s

F=700 HzV=10m/s

F=500 HzV=20m/s

Mesures LDV• Bilan– Dépendance vis-à-vis du Mach (vitesse d’écoulement)– Dépendance vis-à-vis de la fréquence acoustique

(déplacement particulaire trop petit)• Choix pour CoMBE– Essai avec

• Méthode synchrone (précise, estimation du module et de la phase)– Synchronisation avec la pression

• Spectrale avec interpolation linéaire (plus robuste)– Perte de synchronisation

– Essai à fort niveau pour• Repousser les effets de seuils

– Pour atteindre des Mach le plus élevé– Pour étendre le domaine fréquentiel

Mesures LDV• Modèle additif• Adaptation à

l’échantillonnage aléatoire– Compensation des temps

entre échantillons (Biais)– Importance du bon choix

de Ns (Biais)

• Estimation de la fréquence acoustique sur chaque mesure– Glissement local

Mesures LDV longitudinales

f=800Hz, M=0.018 f=1100 Hz, M=0.018

Mesures LDV radiales

f=900 Hz, M=0.05, vac=0.1 m/s f=900 Hz, M=0.1, vac=0.2 m/s

Mesures LDV• Modèle additif est rapidement plus

adapté pour ce type de méthode– Problème similaire pour le contrôle

• Possibilité de partir d’un modèle à phase aléatoire– Problème de bruit multiplicatif

– Solutions « temps-fréquence »• Quelques essais infructueux (pour l’instant)

avec les filtres LMS

turbturbacacac uttfUUtu 2cos)(

Spectre du signal de vitesse au centre du guideavant (bleu) et après (rouge) contrôle

• Essai en parallèle avec le contrôle actif du LMA– La composante de

vitesse disparaît dans le spectre de turbulence

– Efficacité du contrôle pour la vitesse

• Il semble que les fluctuations large-bande de la vitesse soient aussi atténuées– Résultat à confirmer

Perspectives LDV• OPENAIR

– Effet de la turbulence sur le contrôle• A terme

– Analyse temps-fréquence des signaux LDV• Problème de la gestion de l’échantillonnage aléatoire• Extraction fine de la fluctuation de fréquence (ou phase)

– Confronter les méthodes de contrôle et les méthodes d’analyse• Déjà commencé dans le cadre de CoMBE

Antennerie et

comparaison avec la VLD

Séparation des modes plan et azimutaux (10)

4)2(cos

4)(

4)(

4

432120

432110

432110

432100

ppppP

jppjppeP

jppjppeP

ppppP

j

j

ou bien

4)2(cos

4)(sin

4)(cos

4

432120

4210

3110

432100

ppppP

ppP

ppP

ppppP

mode plan

mode 10+

mode 10-

mode 20

mode plan

mode 10cos

mode 10sin

mode 20cos

Tronçon avec 2 antennes de 4 microphones

Détail du montage

• Etalonnage in situ– Sensibilité des microphones sensible aux conditions de montage (contraintes,

hygrométrie,…)

• En dessous de 1000Hz seul le mode plan se propage et tous les micros d’une couronne mesurent la même pression => la valeur moyenne des rapports des signaux issus de différents microphones donne les sensibilités relatives

Séparation des modes : étalonnage

Sans étalonnage Avec étalonnage

Séparation des modes

Influence du nombre de Mach sur la fréquence de coupure du premier mode azimutal

Théorie

21010 1)0()( MfMf cc

Séparation des ondes aller et retour

Lkkj

Ljkmm

mmm

m

e

ePLPP

0,0,

0,

1

)0()()0( 0,0,

0,

0,

0,0,

m

mm P

PR

0,

0,0, 1

1

m

mm R

RZ

Coefficient de réflexion

Impédance

Avec m=0 ou 1 (deux polarisations)

00

00 m

mm P

jku

Vitesses aller et retour

Vitesse totale )( 00000

0 mmmmm PkPk

ju

Influence du nombre de Mach sur l’impédance du mode plan

Loi du type : )1)(0()( 2MfMf resres

Comparaison antennerie et LDV

Antennerie LDV

Difficultés

Séparation des modes insuffisante au-delà de la fréquence de coupure lorsque le mode 10 est excité préférentiellement

Matrice de diffusion d’un élément inséréMode plan seul

• Deux mesures nécessaires (source à gauche et source à droite)

– Sans écoulement si l’élément est symétrique :

– Avec écoulement, n’est qu’un indicateur

d

g

g

d

P

P

TR

RT

P

P

2

0,2

0,

0,0,0,0,00 )()(

dg

gdgd

PP

PPPPTT

2

0,2

0,

0,0,0,0,

)()(

dg

gdgd

PP

PPPP

Matrice de diffusion d’un élément inséré avec mode 10 propagatif

• 36 termes, 6 équations => 6 configurations indépendantes• Exemple

Source à gauche Source à droite– Mode plan seul -- Mode plan seul– Mode 10cos -- Mode 10cos– Mode 10sin -- Mode 10sin

sin10,

sin10,

cos10,

cos10,

0,

0,

sin10sin10

sin10sin10sin10cos10sin10

cos10sin10cos10cos10

cos10cos10cos10

cos10cos1000

00

sin10,

sin10,

cos10,

cos10,

0,

0,

dPgPdPgPdPgP

TR

RTplan

TR

RTplan

planplanTR

RT

gPdPgPdPgPdP

d=droiteg=gauche0=mode plan10= premier mode azimutalcos = ligne nodale pour =0sin =ligne nodal pour =/2

Matrice de diffusion d’un élément inséré avec mode 10 propagatifSimplifications

• Elément inséré symétrique et symétrie axiale d’ordre 4.• Source avec axes de symétrie alignés avec ceux de l’élément inséré

• 16 termes• Sans écoulement 8 termes => 2 configurations (mode plan dominant et mode

10 dominant) • Si on admet de plus qu’il n’y a pas de couplage dans l’élément inséré

entre les modes plan et 10, il n’y a que 4 termes. On peut calculer :

• Dans le cas général, ces deux termes ne sont que des indicateurs

sin10,2

sin10,1

cos10,2

cos10,1

0,2

0,1

1010

101010

1010

101010

101000

00

sin10,1

sin10,2

cos10,1

cos10,2

0,1

0,2

00

00

00

00

P

P

P

P

P

P

TR

RTplan

TR

RTplan

planplanTR

RT

P

P

P

P

P

P

2

0,2

0,

0,0,0,0,00 )()(

dg

gdgd

PP

PPPPTT et

2

10,2

10,

10,10,10,10,1010 )()(

dg

gdgd

PP

PPPPTT

Conclusion - perspectives• Système et traitement synchrone LDV-antennerie mise en place.

– Résultats d’estimation des vitesses acoustiques en accord avec les deux techniques

– Repenser les traitements et post-traitement• Séparation acoustique/turbulence

– Mieux comprendre les effets de la turbulence sur les méthodes LDV pour l’acoustique

– Etablir les performances théoriques en tenant compte de la turbulence

• Analyse modale– Estimation de la réponse validée en dessous des fréquences de

coupures– Effets des écoulement moyens sur la réponse et sur l’impédance– Comprendre des difficultés au-delà des fréquences de coupures