Brevet FR2562660A1 — publié le 19851011

L'invention a pour objet un procédé et un appareil perfectionné permettant la mesure de l'intensité acoustique et à partir de-là la puissance acoustique totale, partielle ou directive émise par une source quelconque placée dans un milieu fluide aérien ou sous-marin ; les mesures s'effectuent à proxité de la source qui est soit fixe, soit mobile. Les mesures classiques d'intensité acoustique en milieu aérien utilisent jusqu a présent la technique dite des microphones qui implique le calcul de la pression moyenne entre deux microphones disposés l'un derrière l'autre par rapport à la source de bruit ; la différence de pression permet de calculer le gradient moyen de pression au même point par la méthode des différences finies. Cette technique comporte plusieurs inconvénients dont les principaux sont : les erreurs engendrées par les sources parasites proches de la source principale, les erreurs de mesure dues à la diffraction et aux interférences entre les deux microphones en haute fréquence, les différences de réponse en amplitude et en phase des deux microphones et les effets des réflexions dans les espaces confinés. La métode de calcul de l'intensité acoustique utilisée couramment est la méthode dite de l'interspectre due à Fahy. L'intensité acoustique est calculée directement à partir de l'interspectre entre les signaux provenant des deux microphones, à l'aide d'un système d'acquisition et de traitement des signaux des deux microphones (1 et 2). L'intensité acoustique active (I), c'est-à-dire propagative, s'exprime par l'expression Im (G12) I = (Gî2Y pwr ou Im (G12) est la partie imaginaire de l'interspectre G en 12 12 tre les deux microphones 1 et 2, r est la densité du milieu, 4 > est la fréquence angulaire en radians par seconde et r est l'écart entre les deux microphones. Selon le procédé de l'invention, on utilise un émetteur d'un signal de référence de phase étroitement associé à la source, on combine cet émetteur avec au moins un microphone éloigné de la source auquel on fait occuper une première position 1 et une seconde position 2 éloignée de la position 1 par rapport à la source. L'invention n' exclut pas l'emploi de plusieurs entre une microphones espacés que l'on déplace simultanément chacun,/première position 1 et une seconde position 2. il est possible aussi, selon l'invention, de remplacer chaque microphone par un plan de plusieurs microphones. L'invention admet encore la combinaison, avec l'émetteur du signal de référence de phase, de deux microphones (ou plans de microphones) disposés l'un en arrière de l'autre par rapport à la source, ces deux microphones ou plans de microphones) disposés l'un en arrière de l'autre par rapport à la source, ces deux microphones ou plans de microphones étant fixes ou l'un des deux étant déplaçable entre deux positions, mais cette solution n'est pas préférée. Dans tous les cas, l'émetteur du signal de référence de phase est un transducteur qui donne un signal cohérent avec le bruit de la source. Ce transducteur peut être un microphone ou un capteur de pression ou un hydrophone ou n'importe quel capteur de variations de quantités physiques liées au bruit telles que la vitesse particulaire ou la température. Egalement, le capteur peut mesurer les mouvements de la source ou d'une partie de la source, en accélération, en vitesse ou en déplacement. Pour les mesures se faisant à l'aide d'une source de référence, le signal du générateur de la tension appliquée à la source peut servir de signal de référence. Lorsque la transmission de l'énergie se fait en partie par voie solide, le signal peut être obtenu par un capteur de force ou par une jauge de contrainte, etc... Pour bien faire comprendre l'avantage du procédé de l'invention, on expliquera maintenant la méthode de calcul utilisant, à partir de ce procédé, le signal de référence de phase provenant de la source. La relation entre le signal de référence venant de la source et des deux microphones peut être modélisée par deux systèmes de fonction de transfert H1 et H2. H1 micro 1 Réf. G -s7;-r mlcro 2 u Z 2 S du slanal G est llautospectre/de référence, ss H1 est la fonction de transfert entre la référence et le premier microphone, H est la fonction de transfert entre la référence et le 2 deuxième microphone. Pour un tel système, H1 = Gsi / G ; H = G / G ss 2 * ss On peut facilement montrer que : G12 = H 1 H2 G = H 1 G52 ss H*1 étant la conjuguée complexe de H1. La partie imaginaire de cet interspectre G12 permet le calcul de l'intensité acoustique par la méthode précédente, mais dans ce cas la valeur calculée est uniquement l'intensité en provenance de la source parce que seule la partie du signal cohérente avec le signal de référence est prise en compte. Le résultat est donc indépendant des sources parasites, même lorsque leur puissance est supérieure à celle de la source principale. L'avantage le plus grand procuré par le procédé de l'invention résulte de ce que l'on peut supprimer l'un des deux microphones classiques, faire l'acquisition des signaux du capteur de référence s et d'un seul microphone mis à une position 1 pour calculer H1, G55 et G51 et ensuite déplacer ce même microphone de l'écart nécessaire et refaire une seconde acquisition à une position 2 pour calculer H2, G' et G52. Quand il s'agit d'une source et d'un milieu stationnaires, la valeur de G devrait être égale à celle de G' aux erreurs de ss ss mesure près. Le résultat est toujours sélectif ; les interférences entre les deux microphones n'existent plus et les différences entre les caractéristiques des deux microphones et de leurs moyens d'amplification et d'acquisition sont supprimés, parce que la même chaine est utilisée pour les deux mesures. Le procédé de l'invention est encore plus intéressant pour les hautes fréquences parce que, dans ce cas, avec la méthode classique les différences entre les microphones sont plus importantes et parce que, selon l'invention, l'écart des positions de mesure n'est pas limité par les dimensions des microphones. Il est possible ainsi de se servir de microphones qui n'ont pas de bonnes caractéristiques en phase parce qu'on peut être sûr que les caractéristiques sont identiques à chaque position 1,2. La méthode de traitement expliquée ci-dessus à partir d'un signal de référence permet aussi la modification de la durée de l'acquisition pour prendre en compte seulement les ondes progressives émises par la source et pour rejeter les ondes réfléchies par les parois autour de la source. Pour ce faire, il faut traiter les signaux en blocs d'une durée plus courte que le temps nécessaire au parcours de la distance aller et retour entre le capteur d'intensité acoustique et la paroi réfléchissante la plus proche. La possibilité de faire ce type de traitement dépend du type de signal de référence choisi et des caractéristiques de la source ainsi que du milieu. On donnera maintenant une description de plusieurs exemples préférés de réalisation d'un appareil conforme à l'invention, sans intention limitative et sans exclure aucune variante, dans le cas d'un seul ou de plusieurs capteurs pour l'exécution de mesures ponctuelles de l'intensité acoustique on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil à un seul microphone déplaçable conforme à l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil à un seul microphone déplaçable conformément à l'invention mais dirigé vers la source afin de minimiser les effets de diffraction, - la figure 3 est une représentation schématique d'un appareil selon l'invention perfectionné pour l'exécution de mesures par déplacement du microphone le long de n'importe quel axe et en n'importe quel point d'un plan vertical parallèle à la source, - la figure 4 montre schématiquement un appareil selon l'inven tion comprenant de nombreux microphones déplaçables ensemble pour l'exécution de mesures dans des surfaces planes, - la figure 5 montre un appareil analogue à celui de la figure 1 perfectionné pour l'exécution de mesures quand le milieu n'est pas stationnaire, - la figure 6 montre un appareil analogue à celui de la figure 4 modifié pour l'exécution de mesures d'intensité et de puis sance directives par rapport à des surfaces planes quand le milieu n'est pas stationnaire par l'adjonction d'un plan por tant de nombreux microphones fixes en avant du cadre mobile de la figure 4, - les figures 7A et 7B sont des graphiques montrant respective ment à titre comparatif les mesures faites à l'aide d'un ap pareil classique à deux microphones fixes et d'un appareil selon l'invention à un microphone déplaçable. L'orientation, la forme et la disposition des microphones peuvent etre choisies en fonction de leurs caractéristiques de directivité et de celle de la source en vue de minimiser les effets de diffraction. Sur chacune des deux figures 1, 2, on peut voir une source sonore S dont on veut mesurer la puissance acoustique à une distance donnée. On place à cette distance un microphone M fixé à un bras 1 qui est monté coulissant dans un support rigide 2. La course du bras 1 est telle que l'on peut déplacer le microphone M entre une première position P1 où il est représenté en trait plein et une seconde position P2 où il est représenté en trait mixte, dans un sens d'éloignement par rapport à la source S. Sur celle-ci est fixé en tant qu'émetteur i signal de référence de phase, un capteur C, tel que défini plus haut, par exemple un accéléromètre, qui fournit le signal de référence de phase désiré.Le microphone M et le capteur C sont reliés chacun par un câble respectif 3, 4 à un moyen de traitement adapté 5 comme un ordinateur ou un microprocesseur préprogrammé qui traite les signaux qu'il reçoit conformément à la méthode exposée plus haut et qui affiche le résultat. La différence entre les deux figures 1, 2 est que, sur la figure 2, le microphone M est dirigé directement vers source S, ce qui n'est pas le cas sur la figure 1. Le déplacement du microphone M peut être fait manuellement au moyen d'une crémaillère de précision (non représentée) o d'un moteur électrique pas à pas capable de déplacer automatiquement le microphone M. On peut envisager aussi l'emploi d'un appareil complètement automatisé effectuant les déplacements du microphone M et relevant automatiquement des mesures sur une surface parallèle à la source S pour le calcul de la puissance partielle émise par celle-ci. La distance de déplacement du microphone mobile M est choisie selon les mêmes critères que ceux du choix de l'écart qui sépare les deux microphones utilisés selon la méthode classique, en fonction des fréquences d'intérêt et du milieu. Le critère qui est couramment appliqué est que cet écart ne devrait pas être plus grand qu'un sixième de la longueur de l'onde à la fréquence la plus haute mesurée. Ce critère donne un déphasage de 600 entre les microphones pour une onde plane et limite les erreurs à un niveau maximum de 1 dB. Pour une fréquence de 12 kHz cet écart est de l'ordre de 5 mm dans l'air et de 24 mm dans l'eau. Selon l'invention, la distance de déplacement peut être plus petite pour permettre une précision plus grande, étant donné que l'on n'est pas limité dans le sens de la réduction de l'écart par les dimensions des microphones comme avec la méthode classique selon laquelle deux microphones sont utilisés. Aux basses fréquences, les différences de phase entre signaux recueillis aux deux positions 1, 2 deviennent faibles. Pour limiter les erreurs de mesure, il faudrait augmenter l'écart entre les deux positions de mesure. Grâce à l'utilisation du même microphone pour les mesures aux deux positions, les erreurs sont diminuées mais les erreurs statistiques restent et il est donc nécessaire d'augmenter l'écart entre les positions jusqu'à environ 100 mm pour les fréquences voisines de 100 Hz en milieu aérien. Aux mêmes fréquences dans l'eau il faut augmenter l'écart jusqu'à 450 mm. La fréquence maximum imposée par le premier critère en correspondance avec cet écart est de l'ordre de 600 Hz.Le procédé de l'invention permet de faire varier cet écart à volonté afin que l'on obtienne les meilleures conditions de mesure pour chaque gamme de fréquence, celles pour lesquelles le déphasage est compris entre 100 et 600 pour une onde plane progressive dans la direction du déplacement du microphone M. Selon le mode de réalisation le plus simple de l'appareil de l'invention, le déplacement du microphone 1 est effectué dans une seule direction qui est en général normale à la surface de la source. Il est possible d'ajouter à l'appareil décrit plus haut un moyen de rotation automatique du bras 1 pour permettre des déplacements du microphone M dans des directions qui ne sont pas normales à la surface de la source. La direction du vecteur d'intensité relevé à chaque position peut âtre calculée à partir des mesures faites le long de trois axes non coplanaires. I1 est plus avantageux d'utiliser un appareil autorisant le déplacement du bras le long des trois axes parce que les mesures dans chaque direction peuvent être effectuées autour du même point, ce qui n'est pas le cas avec un bras mobile en rotation. Un tel appareil est illustré schématiquement sur la figure 3. Sur cette figure 3, le support 2 est un portique ayant deux montants espacés 2A, 2B entre lesquels s'étend une traverse 6 supportée par ses deux extrémités opposées pour pouvoir coulisser le long des montants 2A, 2B. Le bras 1, muni à son extrémite du microphone M, est monté sur un chariot 7 déplaçable le long de la traverse 6. En outre, ce bras 1 est déplaçable dans sa propre direction par rapport au chariot 7, comme dans l'exemple de la figure 2, pour que le microphone M soit déplacé entre les deux positions Pi, P2 par rapport à la source S. Avec cet appareil, des écarts de position du microphone M peuvent être effectués le long de trois axes dans les directions verticale et horizontale de manière automatique.La valeur de l'intensité en plusieurs points d'une surface plane peut être calculée par déplacement du capteur dans les trois directions à chaque point de mesure, les écarts nécessaires à effectuer les mesures dans les trois axes et les déplacements plus importants pour changer le point de mesure étant effectués par le même moyen de guidage. En variante, le microphone M pourrait être fixé simplement à l'extrémité libre d'un bras articulé d'un robot apte à effectuer les mouvements désirés. Selon l'invention, pour un milieu gazeux, on utilise un microphone d'un type quelconque. Etant donné que, grâce à l'invention, les mesures ne sont pas affectées par les caractéristiques de phase des microphones, on peut employer des microphones moins coûteux quand plusieurs mesures doivent être effectuées en même temps et qu'il faut monter plusieurs appareils autour de la source. C'est le cas par exemple du contrôle d'une machine par intensimétrie où les mêmes mesures doivent être répétées plusieurs fois pour la détection de défauts de fabrication en plusieurs points le long d'une ligne de production. Plusieurs capteurs seront donc placés autour de la machine avec un moyen de déplacement individuel de chaque microphone. Le déplacement effectué perpendiculairement à la surface de la machine permet de calculer la puissance totale rayonnée par addition des puissances partielles relevées par chaque capteur, mais des mesures de la direction du vecteur de l'intensité par des déplacements ou des rotations sont également envisageables. Quand il s'agit de faire des mesures d'intensité dans des surfaces planes, il est préférable de grouper plusieurs capteurs dont les mouvements sont assurés par le déplacement d'un cadre mobile sur lequel des microphones sont montés aux points de mesure qu'il faut scruter. La figure 4 montre schématiquement un appareil qui comprend un grillage métallique 8 à deux dimensions servant au montage de microphones sensibles M de taille appropriée ; ce grillage 8 étant déplaçable dans son ensemble le long de trois axes orthogonaux x, y, z sous l'action d'un organe de déplacement automatique (non représenté) ; l'un de ces axes est dirigé vers la source S. Dans tous les exemples de mesure mentionnés jusqu'à présent, la précision des résultats est conditionnée par l'état stationnaire des sources et par le milieu environnant. Une modification quelconque des conditions de fonctionnement ou la mise en place de structures réfléchissantes ou absorbantes près de la source entre les mesures successives peut changer les fonctions de transfert entre les capteurs et donner un résultat faux de l'intensité. I1 est donc utile de pouvoir améliorer l'appareil de l'invention de façon telle que les mesures d'intensité puissent être effectuées quand le milieu n'est pas stationnaire. La figure 5 illustre un appareil perfectionné à cet effet. Sur cette figure 5, l'appareil est le même que celui de la figure 1, avec le capteur C ou émetteur d'un signal de référence de phase, le support 2 et le bras mobile 1 pourvu du microphone M. Le bras 1 est déplaçable le long du support 2, en sens vertical, et il est associé à un bras auxiliaire 9 qui lui est parallèle et qui porte un microphone auxiliaire 10 placé devant le microphone M par rapport à la source S. Ce microphone auxiliaire 10 est généralement de même type que le microphone M. Les deux microphones 10 et M et le capteur C sont reliés au moyen 5 de traitement des signaux par des câbles respectifs 10', 3 et 4.Ainsi on peut constater que le procédé et l'appareil de l'invention sont compatibles avec l'emploi d'un microphone auxiliaire grâce auquel on peut étalonner l'appareil en faisant la comparaison des mesures avec et sans ce microphone 10 de référence à l'aide d'une source stationnaire, dans un milieu stationnaire, le microphone M étant toujours déplacé entre deux positions P1 et P2. Sa mobilité permet aussi de modifier l'écart par rapport au microphone 10 en fonction de la fréquence d'intérêt. Ainsi perfectionné, l'appareil de l'invention autorise l'exécution de quatre types de mesures 1) l'acquisition directe des signaux à l'aide de deux micro phones M et 10 et le traitement par la formule de l'inter spectre pour le calcul de l'intensité 2) l'acquisition des signaux à l'aide des deux microphones M et 10 et du signal de référence pour calculer l'intensité due à la source et pour écarter les parasites par l'emploi des fonctions de transfert 3) le traitement des signaux provenant des deux microphones M et 10 par des circuits analogiques (sommation, calcul de la différence par intégration et multiplication des signaux de pression entre les deux microphones) pour obtenir l'inten sité à l'aide des méthodes pratiquées couramment pour donner un signal en temps réel de l'intensité que l'on peut ana lyser ou filtrer ensuite 4) Combinaison de la méthode analogique citée ci-dessus en 3) avec un calcul de la puissance cohérente du signal d'inten sité par rapport au capteur de référence. Cette méthode a l'avantage que l'on obtient une sélection de l'intensité dans un milieu non stationnaire sans utiliser un analyseur à trois voies d'entrée, ce qui permet de l'utiliser avec un matériel courant. Il est possible aussi, dans le cadre de l'invention, de prévoir l'addition d'un microphone auxiliaire devant chaque microphone M, quand il s'agit d'applications individuelles de l'invention autour d'une source, ou par l'addition d'un maillage de microphones auxiliaires montés sur un cadre fixe 11 devant un cadre 8 (comme celui de la figure 4) mobile le long des axes x, y, et z grâce à un support 2 ayant des montants 2A et 2B comme le montre la figure 6, quand on veut effectuer les mesures sur les surfaces. Bien entendu l'appareil comprend toujours le capteur C de référence de phase et le moyen de traitement 5. Cette disposition peut être utilisée aussi pour faire des mesures de directivité des sources par les méthodes décrites par TROTT pour le milieu liquide et par METRAVIB pour le milieu gazeux, par la somnation des pressions mesurées dans chaque plan de l'appareil et le calcul de la pression de champ lointain. L'utilisation d'un simple capteur C de référence placé sur la source conformément à l'invention permet le calcul sélectif du signal de pression par l'utilisation de la puissance cohérente entre le capteur de référence et le signal de pression lointain donné par un circuit analogique. Dans tous les cas où un signal de référence est utilisé on a la possibilité de faire une mesure sélective et donc la possibilité de travailler en milieu bruyant ou turbulent près des surfaces réfléchissantes en choisissant la longueur des blocs d'acquisition utilisés pour les transformées de Fourier. Egalement, on a la possibilité de mesurer les contributions de plusieurs sources qui sont partiellement cohérentes par l'addition d'autres capteurs de référence et par partielles l'utilisation de logiciels de cohérences/pour le calcul des fonctions de transfert utilisés en vue de la détermination de l'intensité, de la puissance ou de la vitesse, etc..., due à chaque source. A titre d'exemple comparatif, on a représenté sur les figures 7A et 7B respectivement les spectres de l'intensité exprimee en 10'6W/m2 déterminée en fonction de la fréquence exprimée en Hz, pour une même source, à l'aide d'un appareil classique à deux microphones espacés (figure 7A) et à l'aide d'un appareil conforme à l'invention à un.seul microphone M déplaçable entre deux positions P et P2 et à capteur C de référence de phase posé sur la sources. Les différences que l'on remarque, principalement en basses fréquences, entre les deux tracés représentent les différences de caractéristiques de phase entre les deux microphones de ltappareil classique. il est clair que le procédé et l'appareil de l'invention sont également utilisables dans les milieux fluides gazeux et dans les milieux fluides liquides, par exemple en milieu sous-marin ; il suffit, dans ce dernier cas, de remplacer le mot microphone par le mot hydrophone et d'augmenter les distances pour tenir compte de la vitesse de propagation qui est plus élevée dans l'eau que dans l'air. REVENDICATIONS 10/ Procédé pour la mesure de l'intensité acoustique émise par une source quelconque placée dans un milieu fluide, au moyen d'un microphone ou d'un hydrophone, caractérisé en ce qu'on utilise un émetteur d'un signal de référence de phase étroitement associé à la source et au moins un microphone ou hydrophone que l'on déplace entre une première position et une seconde position par rapport à la source, et on traite selon des méthodes appropriées les signaux provenant de l'émetteur et du microphone. 20/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise plusieurs microphones espacés que l'on déplace simultanément chacun entre une première position et une seconde position. 30/ Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on place les microphones dans un même plan que l'on déplace entre les deux positions. 40/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on utilise comme émetteur de signal de référence un capteur tel que : un microphone ou un hydrophone, un accéléromètre, un générateur de signaux excité par la source. 50/ Appareil pour la mesure de l'intensité acoustique émise par une source (S) quelconque placée dans un milieu fluide, comprenant un microphone, caractérisé en ce qu' il comprend un bras (1) portant un microphone (M) pouvant occuper une première position (P ) et une seconde position (P2) par rapport à la source (S), un émetteur (C) d'un signal de référence de phase destiné à être placé sur la source (S) ou très près de celle-ci, et un moyen adapté (5) de traitement des signaux émis par le microphone (M) et par l'émetteur (C) du signal de référence de phase. 60/ Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que le support (2) comprend deux montants (2A, 2B), une traverse (6) montée coulissante le long des deux montants (2A, 2B) ; le bras (1) étant monté déplaçable le long de cette traverse (6) dans une position où il est dirigé vers la source (S). 7 / Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras (1) est monté à l'extrémité libre du bras d'un robot. 80/ Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le bras (1) est associé à un bras auxiliaire (9) qui porte un microphone auxiliaire (10) placé en avant du microphone (M) par rapport à la source (S), les deux microphones (M, 10) et l'émetteur (C) étant reliés au moyen adapté (5) de traitement de signaux. 90/ Appareil pour la mesure de l'intensité acoustique émise par une source (S) quelconque placée dans un milieu fluide, comprenant une pluralité de microphones, caractérisé en ce que les microphones (M) sont fixés à un grillage (8) à deux dimensions monté déplaçable dans son ensemble le long de trois axes orthogonaux dont un est dirigé vers la source (S), et en ce qu'il-existe un émetteur (C) d'un signal de référence de phase destiné à être placé sur la source (S) ou très près de celle-ci, ces microphones (M) et l'émetteur (C) étant reliés à un moyen adapté (5) de traitement des signaux. 100/ Appareil selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'un cadre fixe (11) est supporté en avant du grillage (8) par rapport à la source (S), ce cadre fixe (11) portant des microphones auxiliaires (10) de référence situés respectivement en avant par rapport à la source des microphones (M) du grillage mobile (8).