Brevet FR2174740A1 — publié le 19731019

L'investi concerne un procéda et un dispositif de représentation analogique de la propagation des ondes dans l'air, notamment des ondes sonores. L'invention s1 applique notamment à 11 étude sur maquette des phénomènes acoustiques aériens à grande échelle. Les études d'acoustique à grande échelle se présentent fréquenient en pratique, par exemple pour les problèmes d'acoustique architecturale et de lutte contre le bruit. L'acoustique architecturale pose des problèmes d'étude des formes et des dispositions de zones absorbantes pour des salles de concert, de conférences, etc, en vue de réaliser une audition convenable dans les zones utiles. Il est souAaitable pour cela que toutes les fréquences soient reçues avec des intensités peu différentes entre elles et suffisamment élevées. La lutte contre le bruit pose des problèmes d'étude de la disposition de structures, rideaux d'arbres, etc, destinés à abriter le mieux possible des zones habitées des bruits engendrés localement (autoroutes, aéroports, etc), et d'étudie de la disposition des bâtiments eux-mêmes, dans un ensemble urbain, de façon à minimiser les intensités du bruit reçu par le plus grand nombre possible de façades d'habitations. te calcul de la propagation des ondes sonores dans 1' espace à trois dimensions est pratiquement impossible. L'étude sur une maquette normale, à très petite échelle, n'est également pas possible car, pour que les diffractions et résonances soient bien reproduites, il est nécessaire de conserver le rapport des dimensions des objets représeStés et des longueurs d'onde. Ainsi, pour une maquette au 1/100, il serait nécessaire de multiplier les fréquences par 100, une fréquence nature de 5 000 hertz devrait donc etre de 500 000 hertz sur le modèle, or des ondes de fréquence aussi élevée ne se propagent pratiquement pas dans l'air ou dans les gaz. Ces inconvénients se trouvent supprimés, selon la présente invention, par un procédé de représentation analogique dans lequel on représente les ondes à étudier par des ondes de fréquence beaucoup plus élevée, qui seront presque toujours des ultra-sons et que l'on désignera ainsi dans la suite, et dans lequel on représente de l'air par un liauide. Autrement dit, conformément à la présente invention, on utilise une maquette qu'on immerge dans un liquide et vers laquelle on dirige les ultra-sons produits à l'intérieur du liquide. Si l'on désigne par F la fréquence sonore à représenter par un ultra-son de fréquence f, on calcule la fréquence f de façon que b f =Fx- a expression dans laquelle a désigne l'échelle de la maquette et b désigne le rapport de la vitesse de propagation des ondes dans le liquide utilisé à leur vitesse dans l'air. Par exemple, si la maquette est une maquette au 1/1 et si la vitesse du son dans le liquide est quatre fois plus élevée que dans l'air, une onde de fréquence F = 5 000 hertz devra être représentee par un ultra-son de fréquence 2 mégahertz. On préfère généralement utiliser des- ultra-sons dont la fréquence ne dépasse pas le mégahertz ou un petit nombre de mégahertz, pour pouvoir utiliser des émetteurs et des récepteurs d'ultra-sons classiques, et éviter des amortissements trop importants. Le plus souvent, on considérera la fréquence réelle maximum à représenter et la fréquence ultra-sonore maximum utilisable comme des données de base et l'on en déduira l'échel- le approximative de la maquette à utiliser d'après la formule ci-dessus. Lorsque de grands espaces sont à représenter (groupes d'immeubles par exemple), il est souhaitable d'utiliser une très petite échelle ( 500, par exemple) mais il n'est le plus souvent pas nécessaire de représenter des fréquences très élevées. On peut, par exemple, se limiter à 500 ou 1 000 hertz. En effet, les répartitions obtenues pour ces fréquences sont valables pour les fréquences supérieures, car la disproportion entre les longueurs d'onde et les dimensions des objets représentés fait que, pour les ondes les plus courtes, les diffractions et les résonances sont faibles et leurs variations en fonction de la longueur d'onde peuvent être négligées (les différences de résonances ne pourraient être importantes que pour des sons extremement purs, c'est-à-dire de fréquence rigoureusement constante, qui n'ont généralement pas d'inté rAt). Un des avantages importants du procédé de la présente invention est que les fréquences acoustiques utilisées sont pour la plupart totalement inaudibles et se trouvent pratiquement absentes dans tout environnement usuel. Ainsi, la mesure peut se faire pratiquement sans gêne pour le personnel et sans bruits acoustiques parasites, ce qui permet d'avoir de bons rapports signal/bruD même avec des puissances modérées. Il n'est donc pas nécessaire que les expériences se fassent dans un looal phoniquement isolé, l'air ambiant agissant comme un absorbeur très efficace pour toute fuite sonore. Les faibles dimensions des longueurs d'onde rendent facile la réalisation de cuves ou "chambres" anéchoiques qui peuvent aussi être à très petite échelle. Ces cuves permettent lf étalonnage précis des générateurs, des instruments de mesure et des modèles simulant les propriétés absorbantes de différents matériaux et revttements. Dans une mise en oeuvre partioulière du procédé de l'inventin, les ultra-sons, au lieu d'être émis d'une façon continue, sont émis de façon discontinue, c'est-à-dire sont émis par périodes d'émission séparées par des périodes de "silence", (c'est-à-dire sans émission). Cette façon de procéder a plusieurs avantages - elle permet de travailler à une puissance plus élevée sans provoquer dtéchauffement des générateurs, ce qui augmente le rapport signal/bruit. - elle permet de connattre la distance parcourue par les ondes sonores reçues (en particulier par réflexions) grâce à la connaissance du décalage de temps entre leur émission et l'arrivée ; on peut ainsi appliquer un coefficient de correction de l'amortissement éventuel qui est fonction exponentielle de la distance parcourue. - elle permet de séparer nettement les ondes arrivant directement de celles arrivant par réflexions simples ou multiples, ceci permet une interprétation des phénomènes et par exemple l'identification de surfaces réfléchissantes à éliminer ou à orienter différemment. Pour utiliser pleinement ces avantages, il y a inté rdt à ce que les durées des périodes démission soient courtes par rapport aux différences de durée des principaux trajets directs et réfléchis, et à ce que les périodes de silence soient plus longues que le temps pris par les "échos" multiples pour disparattre ; en définitive, on peut avoir intérêt à ce que ces périodes de silence soient plusieurs dizaines de fois plus longues que les périodes d'émission. Cette technique offre moins dtintérêt pour les ondes les plus graves, dont l'amortissement est négligeable et dont les effets de résonance sont mieux rendus par une excitation continue. Dans la pratique, les ondes sonores à représenter ntont généralement pas une fréquence unique mais un spectre de fréquence et, en conséquence, on utilise des ultra-sons ayant un spectre correspondant, c'est-i-dire que les fréquences du spectre des ultra-sons correspondent respectivement, par le jeu de la formule donnée plus haut, aux fréquences du spectre des ondes sonores. On comprendra que cette formule permet de déterminer la fréquence théorique des ultra-sons à utiliser, mais que cette fréquence théorique est essentiellement une fréquence conseillée dont on peut s'écarter si cela est nécessaire, par exemple en raison du matériel que l'on a à sa disposition et suivant les exigences de précision sur les résultats. Ce matériel comprend essentiellement une cuve, un liquide de remplissage de la cuve, une maquette, des générateurs, fixes ou mobiles et des récepteurs dtultra-sons et des accessoires, notamment des absorbeurs d'ultra-sons. La cuve est constituée par toute capacité apte à recevoir la maquette au sein d liquide. te liquide sera généralement de l'eau, sans qe cela soit une obligation et l'on peut aussi utiliser, par exemple, de lthuile, un hydrocarbure, du mercure ou tout autre liquide qui présenterait des propriétés intéressantes. La maquette est construite dans des matériaux où la vitesse de propagation du son est nettement différente et de préférence supérieure à celle de a vitesse de propagation du son dans le liquide. On donne la préférence aux maquettes en métal (acier, aluminium, etc) ; dans ces matériaux, le SO-1 se propage en effet avec une vitesse environ quatre fois plus grande que dans l'eau. Lorsque l'on réalise les essais dans une cuve de dimensions limitées, on garnit d'absorbeurs de son les parois ou limites qui ne correspondent pas à des limites du prototype. te fond du modèle peut représenter le modelé du terrain et n'a pas alors à etre revêtu d'absorbeurs autres que ceux correspondant éventuellement au prototype (végétation, etc). Ces absorbeurs peuvent avoir, à 11 échelle, une structure analogue à celle des absorbeurs de son des chambres anéchorques. Leur encombrement étant d'autant plus grand que les longueurs d'onde à absorber sont plus grandes, il y a intérêt, de ce point de vue, à limiter vers le bas les fréquences représentées (à 30 hertz nature par exemple) sauf intérêt particulier de fréquences plus basses.Une très petite maquette, moins détaillée peut d'ailleurs être construite pour étudier les fréquences très basses à très petite cnelle, (ceci peut aussi avoir l'avantage d'éviter de retomber dans des fréquences audibles, au bas de l'échelle dans le modèle, et d'éviter de demander aux appareils de génération et de mesure une trop grande gamme de fonctionnement). La surface libre peut être garnie d'absorbeurs flottants, la face absorbante étant immergée et dirigée vers le bas. Ces absorbeurs peuvent être réalisés en panneaux juxtaposés amovibles pour faciliter l'intervention sur les rnoåè- les. Des regards d'observation, détendue limitée peuvent aussi 8t7e réalisés à travers les absorbeurs. L'orientation du modèle dans la cuve est indifférente. in particulier, les modèles peuvent être disposés inversés, le haut représentant le bas et réciproquement. Cette disposition est particulièrement pratique lorsque le niveau inférieur (nature) de la zone représentée est un terrain plan, On peut alors représenter ce terrain par une tartie de la surface libre sans amortisseurs. La réflexion s'y fait avec une perte d'énergie modérée mais avec changement de phase, ce qui est souvent sans grand inconvénient pratique. tes surfaces libres ainsi utilisées facilitent l'accès au modèle et son observation, Cet artifice peut s'employer également pour toute limite plane réfléchissante inclinée ou non. On décrira ci-après un exemple de mise en oeuvre du procédé et du dispositif de la présente invention, en référence aux figures du dessin joint sur lequel - la figure 1 représente une coupe verticale d'une cuve d'essais suivant l'invention, et - la figure 2 représente un enregistrement typique de l'énergie ultra-sonore reçue par un récepteur d'ultra-sons, de la cuve d'essais. Dans une cuve 1 munie d'un regard 2 et remplie d'eau, sont immergés des modèles réduits en aluminium d'une autoroute 3, d'un immeuble 4, d'un mur pare-bruit 5, et d'un terrain 6. te but des essais est de trouver une forme du mur 5 et une position relative du mur 5, de l'immeuble et de ltauto route, permettant de réduire le plus possible le bruit reçu par la façade 4a de l'immeuble en provenance de l'autoroute. Les ultra-sons sont produits par des générateurs 7, qui peuvent être fixes, déplaçables ou mobiles, placés sur les chaussées de l'autoroute. Ces générateurs sont alimentés de l'extérieur de la cuve par des câbles 8 dont seule l'arrivée est représente. les ultra-sons arrivant sur la façade sont mesurés par des hydrophones 9 fixes ou déplaçables, dont le câblage 10 conduit à des amplificateurs électroniques extérieurs. Les parois de la cuve sont munies d'absorbeurs de son en chicane 11 pouvant comporter des éléments souples ou poreux. Des absorbeurs flottants composés de panneaux indépendants 12 sont également disposés sur la surface libre 13 de liteau. La figure 2 représente pour l'exemple une fraction d'enregistrement de l'énergie reçue par les hydrophones 9 en fonction du temps. On a représenté en traits interrompus les courbes A et B correspondant à deux périodes d'émission successives d'ultra-sons, la première période se faisant dans l'intervalle t1-t2 et la seconde période dans l'intervalle t7-t8, lequel est séparé du précédent intervalle d'émission par un intervalle de silenoe t2-tj. On a représenté en traits pleins sur la figure les courbes de réception des hydrophones, lesquelles comprennent une réception directe (courbe C) au temps t3, et des réceptions secondaires (courbes D, E, F, G), aux temps t4, t5, t6. Ces réceptions secondaires correspondent à des réflexions. Les durées t2-t1, t8-t7, etc sont choisies pour que les réceptions des ondes directes et réfléchies se fassent autant que possible séparément, c'est-à-dire que la plupart de ces réceptions soient terminées avant que les suivantes ne commence. Ceci ne sera évidemment pas toujours possible pour toutes-les réceptions, plusieurs réflexions pouvant arriver presque simultanément. En fait on aura intérêt à choisir des durées d'émission, telles que t2-t1, aussi courtes que le permet la sensibilité des récepteurs. Les durées telles que t7-t2 sont choisies pour permettre la réception des réflexions notables sans perturbations par l'émission suivante. REVENDICÂTIONS 1. Procédé de représentation analogique d'une onde dans l'air, notamment, d'une onde sonore, caractérisé en ce que l'on représente l'onde par une onde de fréquence beaucoup plus élevée, en général ultra-sonore, et on représente l'air par un liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, pour une étude sur une maquette, caractérisé en ce que la fréquence ultra-sonore f est égale à F x a s expression dans laquelle P désigne la fréquence à représenter, a désigne l'échelle de la maquette et b désigne le rapport de la vitesse de propaga tion des ondes dans le liquide à leur vitesse dans l'air. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ultra-sons sont émis de façon discontinue, c'est i-dire par périodes d'émission séparées par des périodes de silence. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les périodes de silence sont plus longues que les périodes d'émission. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les durées des périodes d'émission sont courtes par rapport aux différences de durées des principaux trajets directs et réfléchis des ultra-sons. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractétisé en ce que les durées des périodes de silence sont plus longues que les durées des réflexions notables. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on utilise un liquide choisi dans le groupe cons titué par l'eau, les huiles, les hydrocarbures, et le mercure. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce outil comprend une cuve, une maquette au contact d'un liquide dans la cuve, des émetteurs et des récepteurs d'ultra-sons dans le liquide et des moyens extérieurs à la cuve pour l'alimentation des émetteurs et l'amplification des mesures. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la maquette est réalisée dans un ou plusieurs maté riaux dans lesquels le son se propage à une vitesse différente, et de préférence supérieure, à sa vitesse de propagation dans le liquide. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la maquette est réalisée en matériaux métalliques. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, carac térisé en ce qu'il comporte des éléments à surfaces absor bantes pour les ultra-sons. 12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, carac térisé en ce que une partie au moins de la surface libre du liquide est-utilisée comme un plan réfléchissant, n'é tant pas munie d1absorbeurs.