Acoustique urbaine, acoustique des salles, traitement du signal :                                      retour au cv

• Optimisation d’une maquette de rue pour l’étude de la propagation du son en milieu urbain (post-doctorat)

• caractérisation des matériaux poreux par méthode temps / fréquence (ATER)
• Influence de la pression statique sur la caractérisation ultrasonore de matériaux poreux. Etude du régime de faible diffusion (thèse de doctorat)

• Analyse spectrale et échantillonnage aléatoire en Anémométrie Laser Doppler (stage de DEA)

Optimisation d’une maquette de rue pour l’étude de la propagation du son en milieu urbain.
Post-doctorat, 1^er sept. 2000 – 2001, Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine.

Mots clés : acoustique urbaine, acoustique des salles, maquette, diffusion, réverbération, signal

Contexte : Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche national de la Fédération de Recherche 73 du CNRS visant à mettre au point un logiciel prédictif des ambiances sonores, pour l’aide à la conception de quartiers urbains. Il s’inscrit dans le PREDIT " Ambiances sonores urbaines ", cofinancé par le Ministère de l’Environnement et l’ADEME. Ce projet est réalisé en collaboration avec le LCPC (section Acoustique Routière et Urbaine, Nantes), le CERMA (Nantes), le CRESSON (Grenoble), le LAM (Paris VI) et la société SerdB (Nantes).

Résumé : le logiciel de prédiction intègrera les modèles de propagation récemment développés et basés sur les phénomènes de diffusion. Pour valider ces modèles, les mesures in situ étant trop contraignantes, une maquette à l’échelle 1/25^ème a été mise au point lors d’une thèse au LAUM en 1998. Deux grandeurs sont mesurées ou estimées dans l’espace de la maquette à partir de la réponse impulsionnelle : le niveau sonore et le temps de réverbération. Ces grandeurs sont ensuite être confrontées à des mesures in situ, pour la validation de la maquette, puis aux modèles. A l’heure actuelle, cette comparaison est cependant permise jusqu’à 2,5 kHz pleine échelle seulement, en regard de la bande du bruit routier [0,4 – 5] kHz. Cette limitation est due à une puissance insuffisante de la source (un éclateur électrostatique) et au rapport signal sur bruit (RSB) trop faible en haute fréquence, en raison de la compensation atmosphérique.
    Deux axes de recherche ont donc été lancés en septembre 2000. Le premier concerne la mise au point d’une source ponctuelle, omnidirectionnelle et puissante (soit des niveaux d’environ 110 dB SPL pour disposer d’un RSB de 40 dB) sur une large bande ([10 – 150] kHz). Plusieurs voies ont été explorées. Un calcul analytique a tout d’abord montré qu’un microphone 1/8’’, intrinsèquement ponctuel, ne peut fournir un niveau sonore suffisant. Les sources piézoélectriques (de type PVDF) n’ont pas été approfondies pour des raisons similaires. Une source à jet d’air comprimé spécifique, initialement développée et fournie par Horoshenkov (Bradford, Angleterre), a fait l’objet de plusieurs tests. Cependant, le niveau est insuffisant. D’autre part, la mise en place d’une telle source dans la maquette et le traitement des signaux stationnaires générés pose également problème. C’est donc vers l’éclateur électrostatique, source intrinséquement ponctuelle et omnidirective, que les recherches se tournent désormais. Une collaboration sur les arcs électriques a ainsi été initiée avec le Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas d’Orsay. La mise au point d’un nouveau système générateur d’impulsions – source est actuellement en cours.
    Le second axe consiste à développer une méthode de traitement de signal plus performante pour l’estimation des temps de réverbération. Xiang a proposé en 95 une méthode de régression non linéaire à partir des décroissances d’énergie. Un premier travail, mené sur des réponses impulsionnelles simulées, a montré que cette méthode est plus robuste que la méthode de régression linéaire classique. Elle présente une variance plus faible et permet de traiter des signaux de RSB nettement plus faibles. Les tests réalisés sur des signaux mesurés in situ et dans la maquette indiquent en outre deux élements intéressants. D’une part, l’existence de doubles pentes (typiques des locaux couplés) mise en évidence par la méthode linéaire est généralement erronnée et plutôt due à l’influence du bruit pour des RSB inférieurs à 23 dB. D’autre part, les temps de réverbération estimés par la méthode classique augmentent avec la fréquence (phénomène injustifié physiquement), alors que la méthode de Xiang indique bien une décroissance du temps de réverbération avec la fréquence. Cette méthode demande toutefois encore quelques réglages.
    Lorsque la source sera mise au point, il devrait alors être possible de réaliser des mesures dans toute la maquette (longueur de trois mètres) et sur la bande souhaitée. Plusieurs configurations (intersections …) seront ainsi testées et les mesures comparées aux mesures in situ. Une fois la validation de la maquette réalisée, les modèles (basés sur des équations de diffusion et des télégraphistes) seront vérifiés plus précisément.

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Influence de la pression statique sur la caractérisation ultrasonore de matériaux poreux. Etude du régime de faible diffusion
Thèse de doctorat, 1996 – 1999, Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine.

Mots clés : milieux poreux, ultrasons, diffusion, expérimentation, inversion numérique

Contexte : Cette thèse s’inscrit dans les travaux du groupe Matériaux du Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine. Cette équipe développe des modèles et des moyens d’expérimentation pour caractériser les milieux poreux. Outre les approches purement mécaniques de caractérisation du squelette, plusieurs méthodes ont été développées pour la mesure de paramètres caractéristiques du comportement acoustique du matériau. Parmi celles-ci, les méthodes ultrasonores sont un outil majeur. M. Bernard Castagnède est l’initiateur de ce développement et une première thèse a été réalisée sous son encadrement entre 1993 et 1996 par M. Manuel Melon. Ma thèse est la suite de ces précédents travaux.

Résumé : Les méthodes ultrasonores se sont récemment imposées comme un moyen simple et efficace pour la caractérisation acoustique des matériaux poreux. Dans le régime haute fréquence, les expressions de l'indice de propagation et du coefficient de transmission prennent des formes simples (modèle de Johnson et coll.). La mesure de ces deux grandeurs fournit ainsi trois paramètres caractéristiques du comportement acoustique du matériau : la tortuosité et deux longueurs caractéristiques visqueuse et thermique. Ces mesures sont réalisées sous l’hypothèse de structure rigide du matériau, obtenue par saturation à l’aide d’un fluide léger tel que l’air. Bien que validées ces dernières années, ces méthodes rencontrent des limitations drastiques liées à un pouvoir absorbant excessif ou au phénomène de diffusion.
    L’apport de cette thèse réside dans le développement d’une nouvelle méthode palliant ces insuffisances. Les mesures précédentes sont réalisées à fréquence fixe et pour différentes valeurs de la pression statique du fluide saturant (de 0 à 7 bars). La validation de cette méthode est réalisée par la mesure des paramètres de mousses polyuréthanne connues. La densification du milieu de propagation offre un gain en dynamique important, résolvant les problèmes de forte atténuation. L’étude de l'influence de la fréquence dans la bande [30-600] kHz met en évidence le phénomène de diffusion, faible dans les mousses et plus fort dans des échantillons de billes de verre. L'hypothèse de séparation des pertes par effets viscothermiques et par diffusion, avancée par Nagy et coll. (96), est appliquée avec de bons résultats lors de l'extraction des paramètres en régime de diffusion. Les modèles de diffusion simple (régime de Rayleigh) sont ensuite étudiés pour valider cette hypothèse. Il ressort qu’ils ne s'appliquent correctement qu'aux matériaux de faible porosité (cas des mousses). La mesure de la longueur visqueuse à partir du coefficient de transmission est cependant correcte même en présence de diffusion forte (cas des faibles porosités comme dans les billes). D’excellents résultats on également été obtenus dans des échantillons de sable, usuellement difficiles à caractériser.
    Les limites de la méthode sont finalement étudiées. S'appuyant sur la théorie de Biot pour le cas du squelette mobile, des simulations montrent que peu de matériaux présentent des ondes de structure dans la gamme de pression considérée. Cette information confirme l'applicabilité de la méthode à une large gamme de matériaux très résistifs. Une dernière étude concerne la présence de membranes résiduelles, au sein de mousses polyuréthanne assez résistives, mettant en défaut la méthode. L'augmentation de pression permet d'obtenir les paramètres par inversion numérique à partir de signaux temporels de fort rapport signal sur bruit. Les résultats obtenus mettent en évidence un comportement très particulier : la tortuosité apparente varie avec la pression.

Collaborations :  - travaux réalisés pour partie conjointement avec un chercheur russe
                            - deux thèses du LAUM (ondes de surface dans le sable et modèles temporels de propagation)
                            - une thèse de l’IFREMER (site de Brest, acoustique sous-marine).

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Caractérisation des matériaux poreux par méthode temps / fréquence. Etude de faisabilité.
Attaché Temporaire d'Enseignement et de Recherche, 1999 – 2000, Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine.

Une collaboration avec les groupes Matériaux et Signal a donné lieu à l’encadrement d’un stage de DEA (Gilles Le Chenadec):

Mots clés : matériaux très absorbants, temps-fréquence.

Résumé : l’idée est d’utiliser une salve de sinus pour améliorer le rapport signal sur bruit en transmission. Le traitement postérieur par transformée de Wigner Ville fait apparaître une information habituellement inaccessible pour des mousses très résistives. La vitesse ainsi évaluée dans le matériau a pu être comparée qualitativement avec un modèle aux paramètres grossièrement estimés par les méthodes classiques. L’exploitation précise de cette information pose cependant encore des problèmes numériques.

Par ailleurs, au sein de l’équipe Matériaux du LAUM, la collaboration avec Zine Fellah, dans le cadre de sa thèse, s’est également poursuivi. Ces travaux concernent l’extraction des paramètres de porosité, tortuosité, et longueurs caractéristiques à partir de la mesure ultrasonore des réflexions aux première et seconde interfaces d’un matériau poreux posé sur fond rigide et à l’aide de modèles temporels. Cette méthode permet de pallier les insuffisances des méthodes traditionnelles.

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Analyse spectrale et échantillonnage aléatoire en Anémométrie Laser Doppler
Stage de DEA, 1996, 4 mois – Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine
CDD réalisé pour EDF (DER, Clamart).

Mots clés : échantillonnage aléatoire, interpolation, reconstruction, analyse spectrale, autocorrélation, estimateur, Anémométrie Laser Doppler.

Résumé : Le département d’acoustique et de mécanique vibratoire de la Direction des Etudes et Recherche d’EDF à Clamart effectue des mesures de vitesse de particules dans des veines (canalisations) en présence d’écoulement. Le principe de mesure est l’Anémométrie Laser Doppler. Le passage des particules en un point de l’espace n’est pas temporellement régulier et suit une loi de Poisson. L’échantillonnage qui en résulte est par suite aléatoire. Trois méthodes d’analyse spectrale de tels signaux ont été comparées lors de ce travail. Elles sont basées sur l’interpolation linéaire entre deux échantillons, sur la transformée de Fourier d’un estimateur donné de la fonction d’autocorrélation et sur l’extension de la méthode de Papoulis traitant le cas de la gigue. Ces méthodes ont été appliquées à des signaux simulés (sinus, bruit blanc ou rose, bruit en 1/f ou 1/f² où f est la fréquence, spectres de Kolmogoroff ou de Van Karman) puis à des signaux réels tirés de la mesure. La méthode d’interpolation d’ordre 1 ressort comme la plus performante en termes de détection de pics et de temps de calcul.

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Publications

Journaux internationaux à comité de lecture :

1- Moussatov A., Ayrault C., Castagnede B. : "Porous material characterization – ultrasonic method for estimation of tortuosity and characteristic length using a barometric chamber", Ultrasonics, à paraître en avril 2001.
2- Tizianel J., Allard J.F., Castagnede B., Ayrault C., Henry M., Moussatov A., Gedeon A.: "Transport parameters and sound propagation in an air-saturated sand", J. Appl. Phys., 86, p. 5829-5834, 1999.
3- Ayrault C., Moussatov A., Castagnede B., Lafarge D. : "Ultrasonic characterization of plastic foams via measurements with static pressure variations", Appl. Phys. Let., 74 (21) , p. 3224-3226, 1999
4- Moussatov A., Guillon L., Ayrault C., Castagnede B. : "Experimental study of the dispersion of ultrasonic waves in sandy sediments", C. R. Acad. Sci. Paris, t. 326, Série II b, p. 433-439, 1998
5- Melon M., Mariez E., Ayrault C., Sahraoui S. : "Acoustical and mechanical characterization of anisotropic open-cell foams", J. Acoust. Soc. Am., 104(5), p 2622-2627, 1998.

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Communications

Congrès internationaux avec publication des Actes :

1- Ayrault C., Castagnede B., Moussatov a. : "Ultrasonic characterization of porous materials saturated with compressed air by temporal signal analysis", Waves 2000, St Jacques de Compostelle, 10-14 juillet 2000
2- Moussatov A., Ayrault C., Castagnede B. : "Influence of static pressure on ultrasound propagation in plastic foams", 137th Meeting of the Acoustical Society of America and the 2nd Convention of the European Acoustics Association, Berlin, 15-19 mars 1999
3- Guillon L., Moussatov A., Brouard B., Ayrault C. : "Propagation of sound in sand : measurements and modelling", Ocean 98, Nice, 28 sept. - 1 oct 1998.

4- Ayrault C., Moussatov A., Castagnede B. : "Influence de la pression statique sur la caractérisation de matériaux poreux", 14ème Congrès Français de Mécanique, Toulouse, 29 août - 3 sept. 1999.

5- Ayrault C., Moussatov A., Castagnede B. : "Caractérisation ultrasonore de matériaux poreux en régime faiblement diffusif par variation de pression statique", 6èmes Journées d'Acoustique Physique Sous-Marine et Ultrasonore, Blois, 5 et 6 mai 1999

6- AYRAULT C., SIMON L. : "improvement of sources and reverberation time estimation for the study of sound propagation in a street scale model", soumis à 17th international Congress on Acoustics, Rome, sept. 2001.