Propagation acoustique en milieu extérieur complexe: problèmes spécifiques au ferroviaire dans le contexte des trains à grande vitesse

Abstract

Outdoor sound propagation involves complex physical phenomena, mainly associated with temperature and wind variations in the atmospheric boundary layer and with boundary conditions (influence of the ground impedance, terrain effects, ...). Furthermore, in the context of high speed trains (TGV), noise sources are in motion at a relatively high speed, cannot be considered as compact, and are of different types (rolling noise, aerodynamic noise, ...). This work aims at modeling TGV noise propagation outdoors and at understanding the physical phenomena associated with this type of propagation. In a first part, acoustic scattering by turbulent fluctuations of temperature and wind is considered in the presence of a refractive shadow zone. The scattering effect of a given turbulence scale depends on acoustic frequency and propagation geometry. This coupling between turbulent structures, acoustic frequency and geometry is studied using tools from the theory of wave propagation in random media and parabolic equation simulations, in order to estimate the smallest and largest turbulence scales to be taken into account in a given configuration. In a second part, a solver of the linearized Euler equations is described which uses finite-difference time-domain methods. The use of optimized numerical schemes enables to apply this propagation model to long range sound propagation configurations. One of the main difficulties encountered with time domain propagation models is to take into account the reflection of acoustic waves by an impedance ground. Time-domain impedance boundary conditions that are efficient from a numerical point of view are proposed for impedance models commonly used in outdoor sound propagation studies. To obtain these boundary conditions, the impedance is approximated by well chosen template functions, which enables the use of the recursive convolution method. They are validated in two- and three-dimensional propagation geometries, considering a homogeneous atmosphere and then a stratified atmosphere. Finally, specific applications to TGV noise are presented in a third part. First, a TGV noise propagation model is described where the train is represented by a set of equivalent point sources. Model results are compared to measurements performed at different distances from the track assuming homogeneous propagation conditions. The equivalent sources model is also coupled to a parabolic equation code in order to take into account the influence of a vertical profile of temperature or wind. Second, the characteristics of a "rumbling" noise that can be heard tens of second before or after some TGV pass-bys are analyzed. In some circumstances, it is indeed possible to hear a relatively low-frequency noise perceived as an aircraft pass-by, which is referred to as "rumbling" noise. The analysis is mainly based on experimental results and enables to determine the characteristics of this "rumbling" noise and the circumstances in which it occurs. Parabolic equation simulations are also performed to show the importance of the wind in the appearance of this phenomenon.La propagation acoustique en milieu extérieur fait intervenir des phénomènes physiques complexes, liés essentiellement aux variations de température et de vent dans la couche limite atmosphérique et aux frontières du domaine (effet de l'impédance du sol, de la topographie, ...). De plus, dans le contexte des trains à grande vitesse (TGV), les sources de bruit sont étendues, en mouvement 'a une vitesse relativement élevée, et de nature diverse (bruit de roulement, bruit d'origine aérodynamique, ...). Ce travail de thèse a pour but de modéliser la propagation du bruit des TGV en milieu atmosphérique, et de comprendre les phénomènes physiques associés à ce type de propagation. La première partie de ce travail s'intéresse à l'effet de diffusion des fluctuations turbulentes de température et de vent sur les ondes acoustiques en présence d'une zone d'ombre acoustique. L'effet de diffusion d'une taille de structure turbulente donnée dépend de la fréquence acoustique et de la géométrie de propagation. Ce couplage entre échelles de turbulence, fréquence acoustique et géométrie est étudié à l'aide d'outils de la théorie de la propagation des ondes en milieu aléatoire et de simulations d'équation parabolique, afin d'estimer les plus petites et les plus grandes tailles de structure turbulente à prendre en compte dans une configuration donnée. Dans une deuxième partie, une méthode de résolution des équations d'Euler linéarisées par différences finies dans le domaine temporel est décrite. L'utilisation de schémas numériques optimisés permet d'appliquer ce modèle de propagation à des configurations de propagation acoustique longue distance. Une des principales difficultés rencontrées avec les modèles temporels de propagation est la prise en compte de la réflexion des acoustiques sur un sol d'impédance finie. Des conditions limites d'impédance performantes d'un point de vue numérique sont proposées pour des modèles d'impédance couramment employés dans les études de propagation en milieu extérieur. Ces conditions limites sont obtenues en approchant l'impédance par des fonctions-type particulières, ce qui permet d'utiliser la méthode de convolution récursive. Elles sont validées dans des configurations de propagation bi- et tridimensionnelle, en considérant une atmosphère homogène puis une atmosphère stratifiée. Enfin, les applications spécifiques au bruit des TGV sont présentées dans une troisième partie. Dans un premier temps, un modèle de propagation du bruit des TGV basé sur une décomposition du train en un ensemble de sources ponctuelles équivalentes est décrit. Les résultats de ce modèle sont comparés à des mesures réalisées à différentes distances de la voie de circulation en supposant les conditions de propagation homogènes. Le modèle de sources équivalentes est également couplé à un code d'équation parabolique afin de prendre en compte l'effet d'un profil vertical de température ou de vent. Dans un deuxième temps, les phases d'approche et d''éloignement de passages de TGV sont analysées afin de caractériser un phénomène de "grondement". Dans certaines circonstances, il est en effet possible d'entendre un bruit similaire à un passage d'avion une dizaine de secondes avant ou après un passage de TGV, bruit qualifié de "grondement". L'analyse s'appuie principalement sur des résultats expérimentaux, qui permettent de déterminer les caractéristiques du "grondement" et les circonstances dans lesquelles il se produit. Cette étude est complétée par des simulations d'équation parabolique qui montrent l'importance du vent dans l'apparition de ce phénomène