Numerical model for the weakly nonlinear propagation of sound through turbulence

When finite amplitude (or intense) sound, such as a sonic boom, propagates through a turbulent atmosphere, the propagation is strongly affected by the turbulence. The interaction between sound and turbulence has mostly been studied as a linear phenomenon, i.e., the nonlinear behavior of the intense sound has been neglected. It has been shown that turbulence has an effect on the perceived loudness of sonic booms, mainly by changing its peak pressure and rise time. Peak pressure and rise time are important factors that determine the loudness of the sonic boom when heard outdoors. However, the interaction between turbulence and nonlinear effects has mostly not been included in propagation studies of sonic booms. It is therefore important to investigate the influence of acoustical nonlinearity on the interaction of intense sound with turbulence

Computation of the mean velocity field above a stack plate in a thermoacoustic refrigerator

A numerical simulation of the unsteady flow above one stack plate in a thermoacoustic refrigerator was performed. The second order mean velocity field was computed. Two regions could be distinguished. In the first region, located at the plate extremities, the mean flow is essentially vortical and results from the resonator/plate transition. In the second region, located above the plate, the mean velocity field corresponds to a streaming flow which results from the interaction of the acoustic wave with the plate boundaries. The effects of stack plates spacing on the streaming flow pattern is studied

Caractérisation des vents dans la moyenne atmosphère et basse thermosphère à partir d'observations d'ondes infrasonores

Le Système de Surveillance International (SSI), destiné à vérifier l'application du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaire (TICE), est constitué de quatre réseaux de stations : sismologiques, hydroacoustiques, radionucléides et microbarométriques. Ces dernières enregistrent en continu les ondes infrasonores dans la bande de fréquence 0.02-4 Hz. Ces ondes se propagent dans l'atmosphère sur de longues distances à travers les guides résultant de la stratification naturelle des propriétés atmosphériques (température, densité, vents, ...) et représentent une source d'information pour comprendre la dynamique atmosphérique jusque dans la basse thermosphère. L'objectif de cette thèse est d'analyser dans quelle mesure les observations infrasonores peuvent être assimilées dans les modèles atmosphériques.Nous commençons par décrire l'atmosphère et ses mécanismes de circulation ainsi que les différentes techniques d'observations utilisées pour le développement des modèles atmosphériques. L'analyse descriptive de l'interaction des ondes infrasonores avec l'atmosphère permet de mettre en évidence l'intérêt des mesures infrasonores par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Afin de rendre compte de ce potentiel nous développons un algorithme d'inversion afin d'estimer des paramètres atmosphériques dont le problème direct est traité par une méthode de tracé de rayons. Le développement des formes perturbatives des équations des rayons pour des perturbations du milieu de propagation, et plus particulièrement des paramètres de vents, est décrit en détail. Nous formulons et analysons le problème inverse au travers de différents cas d'études synthétiques visant à mettre en évidence les conditions d'applications de l'algorithme.Les résultats obtenus témoignent de la pertinence de notre approche et montre que l'apport des observations infrasonores peut-être significatif au niveau des altitudes de réfraction de l'énergie acoustique, c'est-à-dire à environ 50 km et entre 100 et 120 km d'altitude.The International Monitoring System (IMS) designed to monitor compliance with the Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty (CTBT) uses four complementary verification methods : seismic, hydroacoustic, radionucleide and microbarometric stations spanning the entire globe. Microbarometric stations record continuously infrasonic waves in the frequency band 0.02-4 Hz. These waves propagate at long-ranges through atmospheric ducts resulting from the natural stratification of atmospheric properties (temperature, density, winds, ...) and represent a valuable information to understand atmospheric dynamic until the lower thermosphere. In this thesis, we seek to determine the possible contribution of infrasound observations for improving current atmospheric specifications.We describe the atmospheric media and its circulation mechanisms as well as the conventional observations used in the development of atmospheric models. A description of the interaction between infrasonic waves and the atmosphere help to understand the interest of microbarometric measurement compared with conventional observations. To highlight this potential we develop an inverse algorithm in order to estimate atmospheric parameters from infrasonic observations. The forward problem is handled by a ray-tracing algorithm. First-order perturbation equation resulting from perturbation of atmospheric properties, and especially wind parameters, are developped and numerically validated. We then analyse the inverse problem through several numerical experiments in order to show the capabilities and limitations of our algorithm.Results show the suitability of our approach and indicate that infrasonic observations can significantly improve current atmospheric specification at the altitudes of acoustic energy refraction, i.e. around 50 km and between 100 and 120 km.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Wind turbine sound propagation:Comparison of a linearized Euler equations model with parabolic equation methods

Noise generated by wind turbines is significantly impacted by its propagation in the atmosphere. Hence, for annoyance issues, an accurate prediction of sound propagation is critical to determine noise levels around wind turbines. This study presents a method to predict wind turbine sound propagation based on linearized Euler equations. We compare this approach to the parabolic equation method, which is widely used since it captures the influence of atmospheric refraction, ground reflection, and sound scattering at a low computational cost. Using the linearized Euler equations is more computationally demanding but can reproduce more physical effects as fewer assumptions are made. An additional benefit of the linearized Euler equations is that they provide a time-domain solution. To compare both approaches, we simulate sound propagation in two distinct scenarios. In the first scenario, a wind turbine is situated on flat terrain; in the second, a turbine is situated on a hilltop. The results show that both methods provide similar noise predictions in the two scenarios. We find that while some differences in the propagation results are observed in the second case, the final predictions for a broadband extended source are similar between the two methods

Interactions écoulement-nuage de bulles de cavitation acoustique

L'impact d'un écoulement bas débit sur la taille d'un nuage de bulles de cavitation acoustique est étudié expérimentalement et analytiquement. Expérimentalement, un nuage de bulles induites par une onde ultrasonore générée par un transducteur piézoélectrique annulaire a été soumis à un écoulement contrôlé à débit contrôlé. Il est observé, pour des débits d'écoulement croissants, une diminution de la taille du nuage de bulles. Analytiquement, il est montré que les positions d'équilibre d'une bulle unique sont impactées par l'écoulement, du fait de la compétition entre la force de Bjerknes de radiation acoustique et la force hydrodynamique due à l'écoulement. Cette compétition entre forces engendre une vitesse critique d'écoulement au delà de laquelle la bulle n'a plus de position d'équilibre et est emportée par l'écoulement

Investigating the impact of atmospheric boundary layer stratification on wind farm noise propagation

The expansion of wind farm installations has been hindered by annoyance issues resulting from the noise emitted by wind turbines. Understanding the factors that affect sound propagation is crucial to mitigate the impact of noise. Atmospheric boundary layer (ABL) stratification strongly affects the noise propagation of isolated wind turbines. However, few studies have looked at the influence of atmospheric conditions on wind farm noise propagation. This study aims to investigate this through numerical simulations. Large eddy simulations (LES) are used to predict the mean flow inside and around the wind farm. The noise from each wind turbine is computed from an extended source model that determines the wind turbine sound production based on its geometry, and on the flow characteristics (wind speed and turbulence intensity). A model based on the parabolic equation is employed to compute the sound propagation based on the flow fields obtained from LES. Neutral, stable and unstable stability conditions are considered for an idealized wind farm layout. The results of this study provide insight into the influence of atmospheric conditions on wind farm sound propagation and can inform the development of effective noise mitigation strategies.</p

Réflexion d'ondes de choc acoustiques faibles

Des expériences à l'échelle du laboratoire ont été mises en place pour l'étude de la propagation de choc faibles à proximité de parois rigides. Ces ondes sont générées par une source à arc électrique et une méthode optique de type Schlieren est mise en place afin de visualiser les fronts d'ondes incidents ainsi que les schémas de réflexion. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats issus de simulations numériques basées sur la résolution des équations complètes de Navier-Stokes

Modélisation de la propagation acoustique à moyenne distance du bruit des trains à grande vitesse

Cette étude a pour but d'identifier les paramètres influant sur la propagation acoustique du bruit émis par des trains à grande vitesse (TGV). Une campagne expérimentale est présentée, pendant laquelle des passages de TGV ont été enregistrés à des distances de la voie comprises entre 7,50 et 600 mètres. Des mesures de température et de vent ont également été réalisées pour caractériser les conditions atmosphériques pendant les passages. Les profils moyens de température et de vent sont estimés à partir des mesures à l'aide de la théorie de la similitude. Un modèle de propagation du bruit de TGV est ensuite présenté. Dans une première étape, le train est décomposé en un ensemble de sources équivalentes. Dans une seconde étape, un modèle de propagation analytique est utilisé pour calculer le niveau acoustique au récepteur. Les résultats du modèle sont comparés aux mesures en champ acoustique proche

Cavitation ultrasonore générée par une excitation bifrequentielle

Une étude expérimentale a été menée pour mesurer le seuil et l’activité de cavitation inertielle pour différentes formes d’onde d’excitation ultrasonore. A niveau d’énergie acoustique donné, l’utilisation d’une onde bifréquentielle permet une augmentation de l’activité de cavitation. Les résultats obtenus démontrent la nonlinéarité du mécanisme mis en jeu et  nous permettent d’envisager des applications à une méthode de thrombolyse exclusivement ultrasonore