Mesure de vitesse acoustique particulaire en champ libre par anémométrie laser Doppler

- Cette étude présente une méthode d'estimation de la vitesse particulaire acoustique et de la vitesse de convection par Anémométrie Laser à effet Doppler (ALD). Ces paramètres sont estimés grâce à l'utilisation conjointe d'une technique de démodulation synchrone en quadrature et d'un estimateur basé sur la dérivée de la phase du signal Doppler. Enfin, cette méthode est appliquée à la mesure des paramètres de la vitesse acoustique en champ libre pour une excitation sinusoïdale

Détection de la FI de signaux à variations de phase sinusoïdales et faible indice de modulation par une technique basée sur le principe du maximum de vraisemblance : Application à la mesure de la vitesse particulaire acoustique

- La mesure de la vitesse particulaire acoustique par vélocimétrie laser à effet doppler (VLD) nécessite une démodulation de signaux à variation de fréquence sinusoïdale. La gamme d'amplitude et de fréquence étant étendue en acoustique, l'indice de modulation des signaux recueillis peut atteindre des valeurs faibles. Cette étude présente la comparaison de 2 méthodes basées sur le principe du maximum de vraisemblance pour estimer la FI de signaux dont l'indice de modulation est de l'ordre de 10-2. L'influence des paramètres de chaque méthode sur la précision d'estimation est mis en évidence

Towards wideband speech by narrowband speech bandwidth extension (magic effect or wideband recovery ?)

Cette thèse porte sur l extension de la parole bande étroite [300-3400 Hz] vers la parole large bande [50-7000 Hz]. Cette étude est réalisée à l aide de la modélisation de la parole et de la perception dans les bandes de fréquences autour de la bande étroite (inférieure à 300 hz et supérieure à 3400 hz). De nouveaux outils de calculs sont développés pour synthétiser la parole large bande à partir de l analyse et de la classification de la parole bande étroite. Les différents algorithmes conçus dans le cadre de cette thèse sont évalués par des tests subjectifs statistiques, basés sur le standard ITU-T, effectués dans un environnement de téléphonie mobile. La complexité et le retard algorithmique de la solution retenue sont donnés avec précision. L algorithme sur lequel débouche cette thèse est un algorithme qui est peu coûteux et très performant de telle sorte qu il est mûr pour être intégré dans un téléphone mobile de la norme GSM.This thesis studies the extension of narrowband speech [300-3400 Hz] to wideband speech [50-7000 Hz]. This investigation is achieved in the light of speech modelling and perception in the frequency bands around the narrowband (below 300 Hz and above 3400 Hz). New processing tools are developed that enable the synthesis of wideband speech from the analysis and the classification of narrowband speech. The different algorithms designed in this thesis are evaluated by statistical subjective tests, derived from the ITU-T standard, performed in a mobile phone environment. The processing consumption as well as the algorithmic delay of the selected algorithm are accurately given. The ultimate outcome of this thesis is an algorithm that is cheap and performing such that it is mature to be integrated into a GSM mobile phone.LE MANS-BU Sciences (721812109) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'estimation paramétrique de signaux à variation sinusoïdale de la fréquence instantanée et à amplitude variable (application à l'anémométrie laser Doppler pour l'acoustique)

L'anémométrie laser à effet Doppler (ALD), dont l'utilisation est très répandue en mécanique des fluides, peut aussi être utilisée pour la mesure de vitesse particulaire acoustique. La nature vectorielle de cette grandeur permet de caractériser les champs à structure complexe ce qui autorise, par exemple, l'étude de phénomènes acoustiques au voisinage de parois vibrantes ou de discontinuités géométriques. L'ALD offre, pour ce type de problème. le double avantage de présenter une bonne résolution spatiale de la mesure et de ne perttirber que faiblement le champ à explorer. Le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM) est équipé d'un banc de mesure conçu pour la mesure de vitesse acoustique. Depuis près de huit ans. les recherches se sont orientées vers la validation expérimentale de cette technique ainsi que vers l'élaboration de méthodes de traitement des signaux propres à extraire la vitesse particulaire dans lin contexte de traitement différé et avec l'hypothèse d'un signal Doppler d'amplittide constante. Cependant, pour que l'ALD soit exploitable efficacement il est indispensable de concevoir un système de mesure. simple d'utilisation, permettant d'accéder rapidement à la vitesse acoustique et prenant en compte la nature variable de l'amplitude du signal Doppler. L'objectif de cette étude est donc de proposer des méthodes de traitement du signal adaptées à l'estimation de la vitesse particulaire acoustique, dans le cas d'une excitation sinusoïdale. et de définir une architecture matérielle et logiciens indispensable à cette mesure. Celle-ci s'opère à partir des composantes en phase et en quadrature du signal Doppler ramené-es en bande de base à l'aide d"un dispositif de démodulation analogique spécialement développé pour cette application. Trois estimateurs sont alors proposés: le premier est basé sur le calcul de la dérivée de la phase du signal Doppler. Sa principale vocation consiste à initialiser une deuxième méthode d'estimation basée sur la recherche du maximum de vraisemblance. Le filtrage de Kalman étendu cmontrent l'influence des paramètres du problème sur la qualité des estimations. Par la suite. des simulations statistiques de -\,Ionte-Carlo permettent d'évaluer la qualité des trois méthodes. Une estimation sommaire des complexités algorithmiques des estimateurs complète également cette phase dévaluation. Enfin. la validation expérimentale des techniques d'estimation s"articule autour de deux ex- périences Dans un premier temps, la mesure de la vitesse de déplacement sinusoïdale d'une pointe d'aiguille montée dans un pot vibrant permet de coiifronter les résultats obtenus par ALD à ceux que donne un vibromètre laser. Dans un second temps. la mesure de vitesses particulaires acoustiques rayonnées par un haut-parleur électrodynamique, est proposée. Les valeurs issues de la mesure en champ libre par ALD sont alors coniparées à celles des vitesses de référence obtenues à l'aide de la méthode du doublet microphonique.Laser Doppler Anemometry (LDA), which is widely used in fluid mechanics, can also be used in order to measure acoustic particle velocity. The knowledge of this vector quantity could be especially useful to characterize a complex acoustic field, allowing for example the study of phenomena close to vibrating surfaces or around duct discontinuities. In addition, LDA ensures, for this kind of problem, theoretically non-invasive velocity measurements with an excellent spatial résolution. The Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM) is equipped with a system designed for acoustic velocity measurement. For nearly eight years, research has been directed towards the experimental assessment of this technique and the development of signal processing methods based on post-processing techniques, with the assomption of a constant amplitude Doppler signal. However, in order to design a more integrated set-up, furthermore easy to manipulate, it is essential to design a system providing real-time measurements of acoustic velocity and taking into account the varying amplitude of the Doppler signal. This research work offers signal processing methods adapted to the estimation of acoustic particle velocity, for a sine-wave excitation, and defines hardware and software architectures suited to this measurement. The latter is performed with the help of the in-phase and the quadrature components of the Doppler signal, which is downshifted thanks to an analog quadrature demodulation technique especially designed for this application. Three estimators are then proposed: the first is based on the Doppler phase derivation, and is the starting point of a second method based on maximum likelihood estimation. The extended Kalman filter is the third method explored. Finally, the approximated, though accurate, analytical forms of the Cramer-Rao bounds show the influence of the parameters on the quality of the estimations. Estimator performance is then illustrated by means of statistical Monte-Carlo simulations. An assessment of the complexity of these algorithms also supplements this evaluation. Finally, the assessment of the estimation technique is obtained thanks to two experiments. Firstly, the measurement of the sinusoidal velocity of the displacement of a needle assembled in a vibration exciter allows the comparison of the results obtained by LDA with those obtained with a laser vibrometer. Then, the measurement of the acoustic particle velocity field radiated by a loudspeaker, is proposed. The measurements obtained in free field by LDA are then compared with the reference velocities obtained using a sound intensity probe.LE MANS-BU Sciences (721812109) / SudocSudocFranceF

Propagation acoustique en présence d'écoulement (développement de techniques laser, traitement du signal et étude analytique)

Divers aspects de la propagation acoustique en présence d écoulement sont abordés dans ce travail : développement de techniques Laser, traitement du signal associé, modélisation analytique. Une première étude permet d adapter la Vélocimétrie par Images de Particules à la mesure de champs de vitesse acoustique et d utiliser cette technique pour la mesure de profils de vitesses dans les couches limites de Stokes. Par ailleurs, une nouvelle méthode de traitement de signaux obtenus par Vélocimétrie Laser à effet Doppler est proposée pour l extraction de caractéristiques acoustiques dans un écoulement moyen. Les résultats de cette méthode sont avantageusement comparés à des résultats par mesures microphoniques et à ceux d autres méthodes de traitement de signal. Enfin, une solution analytique pour la propagation acoustique multi-modale en présence d écoulement laminaire en conduite circulaire est développée. Elle généralise les solutions connues et permet d analyser les effets du cisaillement.Acoustic propagation in the presence of mean flow is studied from different points of view : development of Laser techniques, of the signal processing and analytical modeling. Before considering acoustic velocity measurements in mean flow, the adaptation of Particle Image Velocimetry parameters to acoustic velocity field is conducted, allowing the measurement of acoustic velocity profiles in Stokes boundary layers. On the other hand, a new method of signal processing for Laser Doppler Velocimetry bursts is proposed for extraction of acoustic features in the presence of mean flow. Results of this method are satisfactorily compared with results obtained by microphonic antenna and those of other signal processing methods. Finally, the analytical solution of multi-modal acoustic propagation in circular duct in the presence of a laminar mean flow is developed. It generalizes solutions of more particular cases and allows a study of the influence of shear on acoustic propagation.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude statistique du champ de pression à proximité des jets axisymétriques turbulents à haut nombre de Reynolds

Le champ proche des jets est une zone où cohabitent des contributions de pression de nature hydrodynamique et acoustique. Leurs caractéristiques sont méconnues, conduisant à une définition controversée des frontières de cette région ainsi qu'à l'impossibilité d'y prédire les niveaux de pression effectivement rencontrés. Cette zone présente un fort intérêt pour l'étude de la dynamique du jet ainsi que pour celle du rôle que peuvent jouer les structures cohérentes dans les mécanismes de génération de bruit aéroacoustique. L'étude présentée ici porte sur un jet subsonique, de nombre de Mach Mj=0,3, et un jet supersonique, Mj=1,4. Elle s'appuie sur des mesures acoustiques en champs proche et lointain ainsi que des mesures de pression champ proche synchrones à des mesures de vitesse dans l'écoulement par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV). Une interaction forte entre les deux contributions de pression est mise en évidence par des pertes de cohérence importantes. Ce phénomène, dont un modèle est proposé, permet de définir précisément la frontière du champ proche par le produit du nombre d'onde et de la position radiale kr=1,3. L'analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD), sur la base de laquelle est également proposée une méthode de normalisation des données, montre le caractère très cohérent du champ de pression proche à basse fréquence ainsi que l'importance de la prise en compte des contributions azimutales. Une séparation des contributions hydrodynamique et acoustique de pression est obtenue grâce à un filtrage POD. La champ de pression instantanée est déterminé sur une surface entourant le jet grâce à une extension au domaine spectral de l'estimation stochastique linéaire (LSE). Ces données sont utilisées pour estimer le rayonnement acoustique du jet par une formulation intégrale de Kirchhoff ainsi que pour extraire la structuration tridimensionnelle de l'écoulement.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Caractérisation statistique des sources aéroacoustiques en jets supersoniques par vélocimétrie laser à effet Doppler (application à la prédiction du bruit de jet)

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte particulier des écoulements en régime supersonique à l'origine de niveaux de bruit très importants et pouvant induire des phénomènes de vibrations significatives des structures solides présentes dans le champ acoustique rayonné. L'étude préalable de techniques de réduction de bruit et des mécanismes vibro-acoustiques nécessite, entre autres, une connaissance rigoureuse du bruit rayonné ainsi que de ces différentes sources. Pour un écoulement libre quelconque, une approche possible d'estimation du bruit généré consiste à relier la dynamique du champ turbulent intrinsèque de l'écoulement au champ acoustique rayonné. Ceci est rendu possible grâce au concept d'{\it analogie aéroacoustique} proposé initialement par Lighthill (1952). La détermination des organisations spatiale et temporelle du champ turbulent à partir d'un tenseur de corrélation des fluctuations de vitesse permet de rendre compte, statistiquement, de l'évolution au sein de l'écoulement des mécanismes de conversion de l'énergie cinétique turbulente en énergie acoustique et indirectement, de celle des sources aéroacoustiques. Des mesures par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler (technique de mesure optique) en jets supersoniques successivement froid et chaud sont ainsi ici réalisées afin de déterminer une des composantes principales de ce tenseur de corrélation. Une modélisation simplifiée du tenseur, basée sur l'estimation d'échelles spatiales et temporelles dites intégrales et caractéristiques des mécanismes sources, est ensuite proposée dans la cas d'une turbulence homogène. La composition spectrale du champ turbulent dans le cas du jet supersonique froid est également ici rapportée et renseigne sur sa dynamique. Ces données expérimentales sont finalement couplées à un code de calculs aéroacoustiques dans le but de prédire le spectre d'intensité acoustique rayonné par un jet supersonique chaud.The prediction of jet mixing noise using an acoustic analogy and based on experimental measurements is here investigated in the case of a supersonic jet. The basis of any acoustic analogy is the representation of the specifics spatial and temporal organisations of the turbulent field as a spatiotemporal correlation tensor of the turbulence velocity. This quantity gives informations on the dynamic and efficiency of the mechanisms of conversion of the turbulence kinetic energy into acoustic energy. Turbulence and source properties such as integral length and time scales, as well as convection velocity are commonly used to characterised the mixing processes and used for accurately modelling the spatiotemporal correlation tensor. The accuracy of the noise prediction is therefore related to the accuracy with which this tensor is modelled. Modelling of this quantity, based on experimental two-point Laser Doppler Velocimetry measurements in the case of a supersonic jet is here proposed. Modelling is based on an assumption of a homogeneous and isotropic turbulence field so that the tensor can be reduced to one component only. The prediction of the noise radiated by the flow requires also the spatial distribution of the energy of the sources to be known. An aerodynamic code is here used and validated by experimental measurements in a hot supersonic jet. Additional measurements have been performed to study the spectral content of the turbulent field and its evolution along the flow in such typical jets. This highlight on how the turbulent kinetic energy is efficiently used by the different components of the turbulent field. The noise radiated by the hot supersonic jet is finally predicted using a numerical code based on the Lighthill's acoustic analogy and the model established for the correlation tensor obtained from the experimental measurements.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Conception d'un dispositif expérimental et étude de l'écoulement oscillant en résonateur acoustique fort niveau pour la caractérisation de phénomènes non-linéaires (transition à la turbulence et écoulements redressés)

Deux phénomènes de l'acoustique non-linéaire à fort niveau sont étudiés lors de cette thèse: la transition à la turbulence et les écoulements redressés en guide d'onde acoustique. Le développement récent de la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (VLD) ouvre de nouvelles voies pour l étude de ces phénomènes. Une partie du travail de cette thèse a ainsi consisté en l adaptation de la VLD à des mesures acoustiques en proche paroi. Ce travail préliminaire a permis de proposer par la suite l étude de la transition à la turbulence en fluide oscillant compressible et celle des tourbillons internes et externes des écoulements redressés. Pour ce faire, un dispositif expérimental a été conçu, réalisé, instrumenté et caractérisé, impliquant en particulier une étude de l'ensemble couplé source acoustique / résonateur. Pour isoler les phénomènes à l'étude, les autres phénomènes non-linéaires qui peuvent apparaître dans le guide d'onde sont évalués. Des mesures par VLD de vitesse acoustique et de turbulence dans la couche limite acoustique permettent de préciser l'évolution des régimes d'écoulements qui interviennent dans la transition à la turbulence et de déterminer une limite expérimentale entre le régime laminaire et le régime turbulent. Des mesures de la vitesse des écoulements redressés sont effectuées pour observer l'évolution des tourbillons internes et externes des écoulements redressés, en particulier pour des écoulements redressés rapides. Une étude préliminaire est aussi effectuée en vue d'étudier l'influence d'un obstacle sur le schéma de Rayleigh pour aider à la compréhension des phénomènes présents dans les machines thermoacoustiques.Two of nonlinear acoustic phenomena of high acoustic level are studied in this thesis: the transition to turbulence and the streaming flow in an acoustic wave guide. The recent development of Laser measurement techniques such as Laser Doppler Velocimetry (LDV) allow to reconsider the study of these phenomena. Part of the present work consists in the adaptation of LDV to acoustic measurements in the near wall region. This makes it possible to begin thereafter the study of the transition to turbulence in a compressible oscillating fluid and the study of the inner and outer streaming especially for high acoustic levels. For this purpose, an experimental set-up was designed, carried out, instrumented and characterized on the basis of the study of the coupled electroacoustic system: source / acoustic resonator. To isolate the studied phenomena, the other non-linear phenomena which can appear in the wave guide (nonlinear propagation and minor losses at geometric discontinuity) are quantified. LDV measurements of acoustic velocity and turbulence in the acoustic boundary layer make it possible to specify the evolution of the flow regimes which appear in the transition to turbulence and to determine an experimental limit between a laminar flow and a turbulent flow for our measurements. Velocity measurements of acoustic streaming are performed to study the evolution of the inner and outer acoustic streaming especially for high acoustic levels. A preliminary study was also carried out in order to study the effect of an obstacle on the Rayleigh cells so as to help understand of phenomena in thermoacoustic machines.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF