TP ACOUSTIQUE 2 - mpeea.free.frmpeea.free.fr/data/enique/TP acou 2eme serie 11.pdf · 3°/ MONTAGE COMPLET ... V. Chollet - TP acou 2eme serie 11 ... absorption and scattering coefficients

V. Chollet - TP acou 2eme serie 11 - 14/02/12 - Page 1 sur 36

TPACOUSTIQUE 2


TP n° 1 ACCELEROMETRE

I – PREPARATION … à faire avant la séance de TP

Une masse m est suspendue à un ressort. A l’équilibre, la position de la masse est repérée par sonordonnée y0

On allonge le ressort en tirant sur la masse. On a alors y = y0 + ∆y .

Soit g l’accélération de la pesanteur.Soit k le coefficient de raideur du ressort.Soit f le coefficient de frottement visqueux (la force de frottement est proportionnelle à la vitesse).

1°/ Le système est en équilibre

Quelles sont les forces agissant sur la masseEcrire la condition d’équilibre de la masse

2°/ Le système est en mouvement

Montrer que l’équation différentielle régissant la position y(t) de la masse s’écrit :d2y/dt2 + 2 ξ ω0 dy/dt + ω0

2 y = ω02 y0

Exprimer le coefficient d’amortissement ξ et la pulsation propre ω0 .

II - ETUDE DE LA DOCUMENTATION TECHNIQUE DU CAPTEU R

Répondre aux questions posées ci-dessous, après lecture de la documentation donnée en annexe p14.

a) Quelle est l’unité de mesure de d’accélération utilisée dans la documentation ? Donner sacorrespondance en unité SI.

b) Quelle est l’accélération maximum mesurable à pleine échelle ?c) Quelle est la résolution du capteur ?d) Quelle est l’accélération détruisant le capteur ?e) Quelle est la plage de tension d’alimentation du capteur et sa valeur typique ?f) Quelle est la sensibilité du capteur ?g) Quel est le rapport cyclique engendré par une accélération nulle ?

y = 0

y

Position de l’origine

y = 0

y

Position initiale

y0 + ∆y

y0

y

Position d’équilibre

y = 0


III – SIGNAL DE MESURE

Un accéléromètre ADXL213 est fixé sur la masse.Ce capteur délivre deux signaux numériques de sortie dont les rapports cycliques sont proportionnelsaux accélérations mesurées dans deux directions perpendiculaires x et y.

Dans cette application seule l’accélération verticale (axe y) est mesurée.

Le branchement du capteur est précisé sur la documentation technique d’Analog-Devices :http://www.analog.com/en/prod/0,,ADXL213,00.html

1°/ SIGNAL DE MESURE AU REPOS

Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est disponible sur le fil vert,patte 4 de l’accéléromètre.

L’accélération A mesurée est donnée par la relation : A(g) = [ (T1/T2) - 0,5) ] / 0,3Elle est exprimée en fraction de g, g étant l’accélération de la pesanteur (9.81 m s-2).

La masse étant en position d’équilibre, mesurer T1 et T2 à l’aide de l’oscilloscope sur le signal Yout.En déduire l’accélération mesurée dans cette position, à quoi correspond t-elle ?Relever le chronogramme de Yout et déterminer sa période.

2°/ SIGNAL DE MESURE MASSE EN MOUVEMENT

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout àl’aide de l’oscilloscope. Commenter la variation de l’accélération a(t) ainsi visualisée.

3°/ PERIODE DES OSCILLATIONS

Déterminer avec un chronomètre un ordre de grandeur de la période T des oscillations obtenues. Pourplus de précision, réaliser la mesure sur une dizaine d’oscillations.

AccéléromètreADXL213

Conditionneurdu capteur

Conditionneurdu signal

1

2

3

4

5

6

7

8

1 (blanc)2 (rouge)

3 (jaune)

8 (rose)

6 (brun)4 (vert)

5 (gris)7 (bleu)


IV - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL

1°/ MOYENNEUR

Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est filtré à l’aide d’un filtrepasse-bas (circuit Rf Cf) afin d’en obtenir la valeur moyenne image de l’accélération mesurée. Ainsiu(t) reproduit a(t)

Câbler le filtre Rf Cf. Vérifier que sa fréquence de coupure (1/(2π Rf Cf)) permet bien d’extraire lavaleur moyenne du signal MLI de fréquence environ 1 kHz.

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout etde u(t) à l’aide de l’oscilloscope.Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de u(t). Relever quelquespseudo-périodes de u(t).

2°/ PASSE HAUT

On souhaite à partir de la mesure de l’accélération, déterminer l’évolution temporelle de la vitesse etde la position de la masse.

a) Quelle opération mathématique permet de déterminer la vitesse v(t) puis la position verticaley(t) à partir de l’accélération a(t) ?

b) On sait que le signal u(t) de mesure de l’accélération possède une composante continue.Quel problème cela pose t-il ?

c) En quoi un filtre passe haut permet-il de résoudre cette difficulté ?

3°/ MONTAGE COMPLET

Le signal MLI délivré par le capteur est conditionné avant acquisition à l’aide du circuit ci-dessous.

Le filtre passe haut CR sert à couper la composante continue avant l’acquisition.Le suiveur sert à isoler les deux filtres de façon à régler les deux constantes de tempsindépendamment l’une de l’autre.

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution des signaux u(t)et s(t) à l’aide de l’oscilloscope.Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de s(t). Relever quelquespseudo-périodes de s(t).

Youtpatte 4

u(t)Rf

Cf

Rf = 39 kΩCf = 1 µFC = 10 µFR = 100 kΩYout

patte 4

Rf

Cf

C

Rs(t)

u(t)


V – ETALONNAGE

1°/ On simule le signal délivré par l’accéléromètre à l’aide du générateur d’impulsions. Pour cela onfabrique à l’aide du générateur d’impulsions, un signal identique à Yout (même période et mêmeniveaux de tension).Appliquer ce signal à l’entrée du circuit à la place de Yout.

Mesurer la tension u(t) obtenue pour un rapport cyclique de 0,1 puis de 0,6. Ces deux valeurs serontappelées respectivement U1 et U2 .A quelles accélérations, ces deux tensions sont-elles censées correspondre ?

2°/ Pour simuler les variations d’accélération, on fabrique maintenant à l’aide du GBF, un signalsinusoïdal de 1 Hz, variable entre ces deux valeurs U1 et U2 et on l’applique à l’entrée du filtre passe-haut.

Mesurer l’amplitude de la tension s(t).Quelles sont les accélérations correspondant au min et au max de s(t).En déduire la relation entre s et A en admettant la proportionnalité entre les deux.

VI – ACQUISITION

1°/ FILTRE ANTIREPLIEMENT

Lors de l’acquisition, on échantillonne le signal à une fréquence Fe.Compte tenu de la période des oscillations, déterminer la fréquence d’échantillonnage permettantd’avoir 100 points par période.

On a la possibilité de limiter la bande passante de l’accéléromètre ADXL213 en mettant en place unfiltre passe bas constitué d’une résistance de 32 kΩ et d’un condensateur externe Cy.La fréquence de coupure de ce filtre est alors fc = 1 / (2 π.32000.Cy)

Généd’impulsio

Rf

Cf

C

Rs(t)

u(t)

C

Rs(t)Oscilloscope àmémoire

GBFFréquence 1 HzSinusoïdalmin : U1

max : U2

u(t)

1 (blanc)2 (rouge)

3 (jaune)

8 (rose)

6 (brun)4 (vert)

5 (gris)7 (bleu)

Filtre passe bas

On utilise ce circuit R Cy pourlimiter le bruit et comme filtre anti-repliement.


Déterminer la valeur minimum de Cy permettant d’éviter tout repliement de spectre. (Cf Schannon,filtre anti-repliement (anti-aliasing)).

Pour la suite, Cy est réglée à 2 µF

2°/ CARACTERISATION DU SYSTEME

Démarrer l’ordinateur sous Windows 98.Ouvrir rep-ind-buff2.vi situé dans g://applis/mp-vi/capteurs/accel.llbSur la face avant du vi, régler le potentiomètre d’étalonnage de la mesure d’accélération à une valeurcorrecte (Cf § V 2).Ecarter vers le bas la masse de sa position d’équilibre (quelques cm), et lancer le vi.

Relever la pseudo-période Tps des oscillations et le décrément logarithmique δ.En déduire la pulsation propre ω0 et le coefficient d’amortissement ξ

Sachant que la masse est m = 2 ,184 kgDéterminer le coefficient de raideur k du ressort et le coefficient ρ de frottements visqueux.

Tps = = 2π/ [ ω0 √ ( 1 - ξ2) ]δ = ln (D1/D2) = 2πξ / √ ( 1 - ξ2) ≈ 2πξ si ξ <<1

ω0 = √ (k/m)ρ = 2 √ (mk)






TP n° 2 CATT Acoustique

I – CREATION D’UN NOUVEAU PROJET

Lancer le logiciel CATT Acoustique

Sélectionner Utilities/Create a New Project.

Cliquer sur OK entraîne la création automatique des fichiers suivants :

MASTER.GEO fichier décrivant la géométrie de la salleREC.LOC fichier définissant la position des récepteursSRC.LOC fichier définissant la position et les caractéristiques des sourcesGEO.PRDPROJECT.TXT

II – GEOMETRIE DE LA SALLE

La salle considérée est de forme parallélépipèdique.

Cliquer ici pour créer un répertoireTP Acou sur votre espace personnel

Nommer leprojet TP1par exemple

O

- w/2

+ w/2

h

d


Cliquer sur Geo File

Cela ouvre un éditeur de texte

Cliquer ici, cela ouvre cette boite de dialogue

Ouvrir le fichierMaster


Modifier ce texte comme ci-dessous pour décrire la salle simulée :

;MASTER.GEO;constant declarationsLOCAL h = 8 ;hall height in mLOCAL w = 10 ;hall widthGLOBAL d = 24 ;hall depth;absorption and scattering coefficients 125Hz to 4kHz [%], optional RGB-colorABS audience = <40 50 60 70 80 80> L <30 40 50 60 70 80> 255 0 0 ABS wood = <15 13 10 9 8 7> L <30 30 30 30 30 30> 255 255 0 ;Notes:;- if 8k and 16k values are known they can be given after; a colon as in <15 13 10 9 8 7 : 7 8 > otherwise they; are extrapolated from 2k and 4k values.;- RGB-color is optional, one will be auto generated if not given.;- scattering coefficients are optional (but strongly recommended); if not given the default values in General settings will be usedCORNERS;floor corners1 -w/2 0 02 -w/2 d 03 w/2 d 04 w/2 0 0;ceiling corners11 -w/2 0 h12 -w/2 d h13 w/2 d h14 w/2 0 hPLANES[1 floor / 4 3 2 1 / audience ][2 ceiling / 11 12 13 14 / wood ][3 stage wall / 1 11 14 4 / wood ][4 rear wall / 3 13 12 2 / wood ][5 left wall / 2 12 11 1 / wood ][6 right wall / 4 14 13 3 / wood ]

Sauvegarder le fichier MASTER.GEO

Remarque :

ABS audience = <40 50 60 70 80 80> L <30 40 50 60 70 80> 255 0 0

Déclaration et initialisation des variables :- h : hauteur- w largeur- d : profondeur

Coordonnées du plafond

Coordonnées du plancher

Définition des différentes surfaces des parois :

Nom/numérotation des angles/type de surface

O

4

1

2

311

12

13

14

Commentaires

Définition des matériaux

Nom du matériau Coefficients d’absorption àdifférentes fréquences :125,250,500,1k,2k,4k : 8k, 16k Hz

Coefficients de diffusion àdifférentes fréquences :

Couleur de la surface


III – LE RECEPEUR ET LA SOURCE

1°/ RECEPTEUR

Dans l’éditeur de texte, modifier le fichier REC par défaut pour avoir :

;REC.LOCRECEIVERS1 -3 d-4 1.3

Sauvegarder ce fichier


Ouvrir le fichierREC

Coordonnées position deu recepteur

N° du recepteur


2°/ SOURCE

Dans l’éditeur de texte, modifier le fichier SRC par défaut pour avoir :

;SRC.LOCLOCAL src_z = 1.7SOURCEDEFS;id --pos x y z-- directivity -- aim point (has no effect with omni) --A0 1.0 1.7 src_z OMNI 1.0 3.7 src_z

Lp1m_a = <70 73 76 79 82 95> ; SPL at 1m on the source axis 125 Hz to 4 kHz

Sauvegarder ce fichier.

Ouvrir le fichierSRC


Déclaration et initialisation variable z

Position coordonnées de la source

Nom de la source

Caractéristiques fréquentiellede la source

Directivité

Coordonnées du point de vueNon pris en compte si omni


3°/ GENERAL SETTINGS

IV – PLOT FILE VIEWER

Apparaît alors une vue 3D de la salle. Tester les différentes vues possibles.

Remplir leschemins

Nommer le projet

Cliquer ici ouvre lafenêtre

Tester lesdifférents boutons

Puis cliquer ici


Cliquer ici pour passerd’une vue à l’autre

Coef d’absorptionpar bande d’octave

Coef de diffusionpar bande d’octave

Courbecorrespondante

Pour changerde paroi


V – EXERCICE 1

1°/ INFLUENCE DU VOLUME

a) Pour les différentes salles dont les dimensions sont données ci-dessous, calculer A, le RT60 à1 kHZ donné par la formule de Sabine : RT60 = 0,16V/A et la fréquence de Schroëder.

b) Déterminer par la simulation le temps de réverbération RT60 de Sabine, le T30 et lafréquence de Schröeder.

Les dimensions de la salle sont changées dans le fichier MASTER.GEO.

Salle 1 : 8x10x24Salle 2 : 2,2x4x5Salle 3 : 8x17x30

2°/ INFLUENCE DE L’ABSORPTION

a) Pour la salle 3 changer la nature du revêtement de sol : totabs, totref, audience, wood. calculerA, le RT60 à 1 kHZ et la fréquence de Schroëder .

b) Déterminer par la simulation le temps de réverbération RT60 de Sabine, le T30 et lafréquence de Schröeder.

NOTE :

La fréquence séparant le comportement résonant et le comportement réverbérant d’une pièce est appelée fréquencede Schröeder, elle est donnée par : fs = 3c/L

Où c est la vitesse du son dans l’air et L est la plus petite dimension caractéristique du local.

La fréquence de Schröeder peut aussi s’exprimer en fonction du temps de réverbération RT60 :

fs = 2000 √ (RT60/V)

V étant le volume de la pièce, les deux formules donnant à peu près les mêmes résultats.

Le T-30 permet de chiffrer la durée des réverbérations tardives. On le mesure de la façon suivante :

30 dB

∆t

On a : RT-30 = 2 ∆t

Lp

t

5 dB


Procédure :

VI – SIMULATION SOURCE RECEPTEURS : Predict SxR

Il s’agit de produire le calcul de divers paramètres tels que le T-30, les échogrammes et lesréponses impulsionnelles de la salle en fonction de la position de la source et du récepteur.

Pour cela, il faut cliquer sur Save CAG and Run. Cela lance le logiciel TUCT (The UniversalCode Tracing) réalisant les calculs.

Lancer lasimulation

Lancer le tracé de RT(Reverberation Time)

Changer la naturedes parois. Lechoix de la paroiconcernée se faitau-dessus


La fenêtre suivante apparaît alors :

Lancer le calcul, cela ouvre une fenêtre TUCT

Puis cliquer ici …

… Puis cliquer sur Run

On choisit iciles différentsgraphiques

Permet uneécoute d’unson wav


VII - EXERCICE 2

1°/ ANALYSE DES RESULTATS

Relever et comparer le T-30 et le STI de la salle 3 dans les conditions suivantes :

- Sol et mur du fond totalement réverbérants.

- Sol Audience et mur du fond bois.

Comparer également les réponses impulsionnelles et déterminer les instants auxquels seproduisent les premières réflexions. Les courbes peuvent être sauvegardées au format bitmap.

Ecouter le son wav audible à la position du récepteur pour les deux cas proposés.

2°/ AUTRE ECHOGRAMME, VISUALISATION DES SOURCES SECONDAIRES

La procédure ci-dessous permet d’obtenir un autre échogramme dans TUCT :

3°/ VISUALISATION DES FRONTS D’ONDES

Réaliser la procédure ci-dessous et exporter la vidéo.

Choisir l’ordredes sources-images

Etudier et commenter les diverses possibilités offertes ici par le logiciel


4°/ PIXEL RENDERING SURFACE RENDERING

Tester ces deux menus dans TUCT.

VIII – EXERCICE 3

Relever et comparer les réponses impulsionnelles des salles suivantes :

Salle A : Gymnase : 40*70*5Salle B : Couloir : 3*70*5Salle C : Petit réfectoire : 5*7*10

Examiner les premières réflexions : Déterminer les instants où elles se produisent, déterminer ladistance parcourue par l’onde correspondante, vérifier par rapport aux dimensions de la salle.(CfTD). Comparer et commenter.

Pour passerd’une image àl’autre

Pour exporterune vidéo


TP n° 3-1 TP SONOMETRE 1 (1h30)

I – UTILISATION DU SONOMETRE

1°/ MESURE EN SALLE

On utilise un haut-parleur comme source sonoreLe signal est sinusoïdal à 1000 Hz et délivré par un GBF. Un ampli de puissance est intercaléentre le GBF et le HP.

Le haut-parleur est maintenu sur une armoire métallique ou sur un tableau blanc.

Relever LAEQ en fonction de la distance. Commenter.

2°/ SOURCES SUPERPOSEES

On utilise deux sources situées à peu près au même endroit.

- Source 1 le HP décrit ci-dessus.

- Source 2 second HP. (utiliser un deuxième GBF et un deuxième ampli)

Mesurer séparément les niveaux de pressions sonore des deux sources en un point donné dans lasalle, à environ 1 mètre des deux sources.

Mesurer le niveau de pression sonore obtenu lorsque les deux sources fonctionnent en même temps.

II – MESURE DE TEMPS DE REVERBERATION

On mesure le temps de réverbération à différents endroits dans le bâtiment MP :

- Hall d’entrée

- Escalier

- Bureau

Pour cela on enregistre le niveau de pression sonore obtenu suite à une impulsion sonore (clap demains).

Cet enregistrement se réalise en connectant le sonomètre à l’ordinateur portable via le port USB.

On enregistrera les LAEQ avec une pondération temporelle Fast.


Lancer le logiciel 8852 du sonomètre.

Reprendre les données exportées en fichier excel sous OpenOffice.

Apporter les modifications nécessaires :

- problème du point ou de la virgule

- t = 0 début de l’impulsion pour tous les enregistrements

Tracer les courbes obtenues dans les trois salles sur le même graphique.

Déterminer le RT-60 et/ou le T-30 à partir de ces enregistrements. Commenter.

Choisir le bonport com :

com3

Etablir la connexion en mettant en route le sonomètre,puis en appuyant sur setup du sonomètre

Fixer la périoded’échantillonnage à 0,1 s

Lancer l’enregistrement,puis arrêter

Exporter les donnéesen fichier excel ou

texte


TP n° 3-2 TP SONOMETRE CYRUS (1h30)

I – PRESENTATION DE L’APPAREIL

1°/ CARACTERISTIQUES

L’appareil dispose d’une seule gamme de mesures de 20 dBA à 143 dBC (Crête) soit une étendued’environ 120 dB.

Trois fenêtres temporelles sont possibles : LAF pour Fast, LAS pour Slow et LAI pour Impulse.

L’utilisation de l’appareil se déroule en trois étapes : Calibration, Enregistrement, Consultationdes mesures.

Il est aussi possible d’exporter les mesures dans un PC avec l’utilisation du logiciel NoiseTools.

2°/ REGLAGES INITIAUX

Date et heureLangue

Taux d’échantillonnage : Menu/Options de Stockage/Taux Echantillonnage

Taux possibles : 2s, 1s, ½ s, ¼ s, 1/8 s, 1/16 s, 1/100 s

Pondération temporelle : Menu/Options/Pond. Temps. (F, S ou I)

Effacement de la mémoire : Menu/Effacer la Mémoire

Attention, l’effacement est définitif, télécharger les données dansNoiseTools auparavant.


3°/ VUE D’ENSEMBLE


4°/ MODULES

Pendant une mesure l’instrument enregistre et stocke les données de tous les modulessimultanément.

Les vues des modules sont accessibles par les flèches gauche et droiteA l’intérieur d’un module, les différentes pages sont accessibles par les flèches haute et basse.





5°/ CALIBRATION

Le niveau de bruit ambiant doit être inférieur à 80 dBA

Le sonomètre doit être équipé de son micro.

Insérer délicatement et complètement le micro dans le calibrateur. Ne pas obstruer l’orifice à labase du tube du microphone.

Allumer l’appareil

Attendre 3s minimum

Presser calibrer sur le sonomètre

Attendre 5 s

Le message : Calibré à …. dB Correction de …. dB => Presser OK

Annuler pour revenir en mode mesure.

6°/ PREMIERES MESURES

Presser mesurer

Note vocale / Parler => Cela autorise au maximum 30 s de notes vocales

Note vocale / Passer => Pas de note vocale associée à la mesure.

Quand la mesure débute, l’appareil mesure et enregistre toutes les données acoustiques. On peutainsi passer d’un affichage à l’autre pendant la mesure.

Mesure Stoppée => Mode résultats. On peut alors consulter les différents modules. (Cf I – 4°/)




II – MESURE SIMPLE

1°/ SOURCE SONORE

Lancer le logiciel Audacity.

Menu Piste/ajouter nouvelle/piste mono

Menu Générer/son : On choisira une sinusoïde à 500 Hz puis un signal carré

Menu Générer/bruit : On sélectionnera un bruit blanc

La sortie audio de l’ordinateur est relié à une paire d’enceintes amplifiées servant ainsi de sourcesonore.

2°/ MESURE SOURCE SINUS 500 Hz

Fermer les portes de la salle

Démarrer la mesure après avoir enregistré une note vocale précisant : « nom, type de source,salle »

Le sonomètre doit être placé à une distance supérieure au rayon acoustique de la salle de façon àréaliser la mesure en champ diffus.

En l’absence de pied, tenir le sonomètre bras tendus en ayant enfilé la dragone.


3°/ MESURE SOURCE CARREE 500 Hz

Suivre la même procédure

4°/ MESURE BRUIT BLANC

a) Dans la salle

Suivre la même procédure

b) Dans la salle voisine

Suivre la même procédure à une distance de 3m de la cloison

III – EXPORTATION DES MESURES

Connecter le sonomètre au PC grâce à son câble USB.

Lancer le logiciel NoiseTools.

Télécharger les mesures.

On peut alors éditer les rapports, en particulier résumé et octave.


IV – EXPLOITATION

1°/ SOURCE SINUS

Relever les valeurs de Leq obtenue lors de la mesure en bande d’octave.

Conclure.

2°/ SOURCE CARREE

Relever les valeurs de Leq obtenue lors de la mesure en bande d’octave.

Comparer par rapport au cas de la source sinusoïdale. Conclure.

3°/ SOURCE BRUIT

Relever les valeurs de Leq obtenue lors de la mesure en bande d’octave dans la salle et hors de lasalle.

En déduire l’isolement brut D = L1 – L2 de la paroi entre les 2 salles en fonction de lafréquence. Conclure.

4°/ DOSE DE BRUIT

Noter le Lex,8h mesuré avec la source de bruit.

Conclure par rapport à la réglementation.

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