Brevet FR2933186A1 — publié le 20100101

La présente invention concerne un capteur d'impédance acoustique prévu pour mesurer l'impédance acoustique d'entrée d'un guide d'onde. Dans de nombreux domaines d'application, la caractérisation d'éléments passifs acoustiques par mesure de leur impédance acoustique est nécessaire, par exemple dans le domaine des instruments de musique où la connaissance des caractéristiques intrinsèques d'un instrument à vent permet de contrôler l'accord de cet instrument et/ou de modéliser son fonctionnement. Dans le domaine également des matériaux où la connaissance des caractéristiques intrinsèques d'un matériau telles que par exemple son coefficient d'absorption, permet de classifier ce matériau et de le comparer à d'autres types de matériau. La caractérisation d'éléments passifs acoustiques est rendue possible par la mise en oeuvre d'un capteur d'impédance acoustique tel que illustré à la Fig. 1. Le capteur d'impédance acoustique CA est associé de manière étanche à une charge qui peut être assimilée, d'un point de vue acoustique, à un guide d'onde GU. Dans le cas où l'élément mesuré est un échantillon de matériau, l'échantillon est placé dans un tube rigide fermé à l'une de ses extrémités et l'extrémité ouverte du tube est fixée de manière étanche au capteur d'impédance acoustique CA. Une fois la charge en place, le capteur d'impédance acoustique CA est excité par une source sonore commandée électriquement de manière à générer un débit acoustique contrôlé pour une plage de fréquences prédéterminée. Le capteur d'impédance acoustique CA détermine alors l'impédance acoustique Z de la surface plane S définie sur un plan dit de référence PR pour la plage de fréquences de la source. Ce plan de référence PR est parallèle à la section transversale du guide d'onde GU et est localisé au niveau d'une extrémité ouverte du guide d'onde généralement appelée entrée du guide d'onde. La charge est alors caractérisée par l'impédance acoustique ainsi déterminée, impédance acoustique qu'il est commun d'appeler impédance acoustique d'entrée. L'impédance acoustique d'entrée Z est définie, en régime harmonique, comme le rapport de la pression acoustique moyenne P sur la surface S et du débit acoustique 30 U traversant la surface plane S : Z=P U L'impédance acoustique d'entrée Z est une grandeur complexe qui est fonction de la fréquence de l'onde qui se propage dans le guide d'onde GU. Le débit acoustique U est défini comme le produit de la vitesse moyenne v d'une particule traversant la surface S par la valeur de la surface S. Ainsi, l'impédance acoustique d'entrée Z est parfois exprimée comme le rapport de la pression acoustique moyenne P et de la vitesse moyenne v d'une particule. Les deux définitions ne diffèrent donc que par une constante, en l'occurrence la valeur de la surface S. Il existe dans l'état de la technique plusieurs méthodes pour déterminer l'impédance acoustique d'entrée Z. La présente invention concerne celles qui sont basées sur la mesure d'une fonction de transfert H12 entre deux grandeurs électriques el et e2 mesurées aux bornes de deux microphones notés Ml et M2, c'est-à-dire par des capteurs de pression dynamique. Le principe de cette méthode de détermination de l'impédance acoustique d'entrée Z est le suivant. En supposant que le capteur d'impédance acoustique CA est linéaire et que les microphones Ml et M2 sont sensibles aux variations de pression acoustique P et de débit acoustique U à l'entrée du guide d'onde GU, c'est-à-dire au niveau du plan de référence PR, la fonction de transfert H12 est donnée par l'équation (1) ez H _ K Z + 13 (1) lz = e 1+8Z dans laquelle K, 13, et 8 sont des fonctions complexes de la fréquence d'excitation, fonctions qui reflètent le comportement acoustique du capteur d'impédance acoustique CA. Une mesure de la fonction de transfert H12 permet donc de déduire l'impédance acoustique d'entrée Z une fois que les fonctions K, 13, et 8 sont connues. En effet, à partir de l'équation (1), on obtient : ZùH12ù (2) 1ùbH12/K Dans le cas où le microphone M2 est plutôt sensible à la pression acoustique P et le microphone Ml plutôt sensible au débit acoustique U, la fonction K peut alors être interprétée comme la réponse au premier ordre du capteur d'impédance acoustique, R et 8 sont alors interprétés comme des paramètres correctifs. Une des difficultés majeures de cette méthode vient du fait que les trois fonctions complexes K, 13, et 8 sont inconnues a priori. Pour les déterminer, une phase préalable dite d'étalonnage est mise en oeuvre. Cette phase d'étalonnage du capteur d'impédance acoustique CA consiste à fixer tour à tour trois charges dites étalon et pour chacune de ces trois charges d'effectuer une mesure d'impédance acoustique, dites impédance étalon. Pour plus de détails, se référer à J.-P. DALMONT 2001 J. Sound Vib. 243 (3), 427-439. Acoustic impedance measurements Part I: a review). Les impédances étalons sont en général des tubes fermés, éventuellement de très grande longueur pour que l'impédance acoustique d'entrée au niveau du plan de référence PR soit assimilable à l'impédance caractéristique du tube. Mais ces charges étalons peuvent également être de longueur nulle pour que l'impédance acoustique d'entrée soit considérée comme infinie. La phase d'étalonnage à trois charges est relativement lourde à mettre en oeuvre du fait, notamment, de la nécessité que les trois mesures soient faites dans les mêmes conditions de température. Afin d'alléger ces contraintes de mise en oeuvre, il est possible de déterminer un modèle physique du capteur d'impédance acoustique qui comporte moins d'inconnues, réduisant ainsi le nombre de mesures lors de la phase d'étalonnage. Par exemple, il est connu que des capteurs d'impédance acoustique, mettant en oeuvre une méthode de détermination d'impédance acoustique dite à deux microphones, peuvent être modélisés physiquement par un modèle dans lequel la seule inconnue est le rapport des sensibilités des microphones. La phase d'étalonnage est alors réduite à la mesure d'une seule impédance étalon. Pour plus de détails, se référer à ISO 10534-2, Acoustics -. - Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes -- Part 2: Transfer function method. La Fig. 2 représente schématiquement un capteur d'impédance acoustique selon un état de la technique, dit à capillaire. Pour plus de détails, se référer à R. CAUSSE, J. KERGOMARD and X LURTON 1984 Journal of the Acoustical Society of America 75(1), 241-254. Input impedance of brass instruments û Comparison between experiment and numerical models., et selon J. KERGOMARD et R. CAUSSE 1986 Journal of the Acoustical Society of America 79(4), 1129-1140. Measurement of acoustic impedance using a capillary: an attempt to achieve optimization. Le capteur d'impédance acoustique CAl comporte un haut-parleur HP en guise de source et un tube capillaire ou réseau de tubes capillaires TU. L'une des extrémités du tube ou réseaux de tubes TU est reliée au guide d'onde GU tandis que l'autre des extrémités du tube ou réseau de tubes TU est reliée à la face avant du haut-parleur HP de manière à former une cavité CAV 1. Deux microphones Ml et M2, qui permettent de convertir une pression acoustique mesurée en une grandeur électrique, sont positionnés aux extrémités du le tube ou réseaux de tubes TU, chacun à l'une de ses extrémités, et chaque microphone Ml et M2 est relié à des moyens de calculs numériques (non représentés) qui permettent de calculer la fonction de transfert H12 à partir des grandeurs électriques el et e2 mesurées aux bornes des deux microphones Ml et M2. Lorsque le haut-parleur HP émet une onde à une fréquence donnée, c'est-à-dire qu'il excite le capteur d'impédance acoustique CAl, la pression acoustique pi sur la surface plane définie par un plan de référence PR1 parallèle à l'une des extrémités du tube ou réseau de tubes TU, c'est-à-dire la pression acoustique dans la cavité CAl, est mesurée par le microphone Ml. Par ailleurs, la pression acoustique p2 sur la surface S au niveau du plan de référence PR, est mesurée par le microphone M2. La pression acoustique pl dans la cavité CAV 1 est en première approximation proportionnelle au débit acoustique U de la source à travers le tube ou réseau de tubes TU. Ainsi, la fonction de transfert H12 de l'équation (1) est celle qui détermine le passage de l'onde de la cavité CAV1 vers l'entrée du guide GU au travers du tube ou réseau de tube TU. Elle s'écrit par H = pz•sz (3) 12 ù pi •si dans laquelle sl et s2 désignent les sensibilités des microphones Ml et M2. Bien que le capteur d'impédance acoustique CAl procure des mesures qui permettent d'obtenir une détermination cohérente de l'impédance acoustique d'entrée Z, l'inventeur a observé que de fortes atténuations se produisent dans le tube ou réseau de tubes capillaires TU. Ces fortes atténuations induisent un faible rapport signal/bruit lorsque la fréquence d'excitation est de l'ordre de quelques dizaines de Hertz provoquant alors une détermination incohérente de la fonction de transfert et par voie de conséquence de l'impédance acoustique d'entrée Z. Ainsi, le capteur d'impédance acoustique CAl est limité à une caractérisation d'éléments passifs acoustiques pour une plage de fréquences hautes, limitant ainsi la possibilité de caractériser de tels éléments pour des plages de fréquences s'étendant vers les basses fréquences. La Fig. 3 représente schématiquement un autre capteur d'impédance acoustique selon un état de la technique. Pour plus de détails, se référer à R. SINGH and M SCHARY 1978 Journal of the Acoustical Society of America 64, 995-1003. Acoustical impedance measurements using sine sweep excitation and known volume velocity technique. Le capteur d'impédance acoustique CA2 comporte un haut-parleur HP en guise de source et deux microphones Ml et M2 reliés à des moyens de calculs numériques (non représentés) qui permettent de calculer la fonction de transfert H12 à partir des grandeurs électriques et et e2 mesurées aux bornes des deux microphones Ml et M2. L'avant et l'arrière du haut-parleur sont rendus étanches à l'air l'un vis-à-vis de l'autre. De plus, l'arrière du haut-parleur HP est fermé par une enveloppe rigide de manière à former une cavité CAV 1, dite arrière, tandis que l'avant du haut-parleur HP forme une cavité CAV2 ouverte sur l'entrée du guide d'onde GU. L'un des microphones, en l'occurrence Ml, est positionné sur l'arrière de la cavité CAV1, tandis que l'autre microphone, en l'occurrence M2, est positionné dans la cavité CA2 au niveau du plan de référence PR. Lorsque que le haut-parleur HP émet une onde à une fréquence donnée, c'est-à-dire qu'il excite le capteur d'impédance acoustique CA2, d'une part la pression acoustique pl dans la cavité arrière CAV 1, est mesurée par le microphone M1 et, d'autre part, la pression acoustique p2 dans la cavité CAV2 est mesurée par le microphone M2. La pression acoustique pl dans la cavité arrière CAV 1 étant proportionnelle au débit acoustique U de la source (au signe près), la fonction de transfert H12 est alors déterminée par les moyens de calcul et l'impédance acoustique d'entrée Z est déduite de cette fonction de transfert comme expliqué précédemment. L'inventeur a observé que théoriquement le capteur d'impédance acoustique CA2 permet une détermination de l'impédance acoustique d'entrée Z cohérente même pour des fréquences de quelques dizaines de Hertz. Cependant, la mise en oeuvre du capteur d'impédance acoustique CA2 est difficile notamment, d'une part, à cause des dimensions du haut-parleur HP qui doivent être faibles rendant alors sa réalisation délicate et, d'autre part, à cause de l'étanchéité entre la face avant et arrière du haut-parleur HP qui doit être parfaite pour ne pas biaiser la mesure des pressions acoustiques pl et p2 par les microphones Ml et M2. Pour pallier les problèmes exposés ci-dessus par les capteurs d'impédance acoustiques actuels, la présente invention concerne un capteur d'impédance acoustique prévu pour mesurer l'impédance acoustique d'entrée d'un guide d'onde, ledit capteur comportant une source couplée au guide d'onde par l'intermédiaire d'une cavité ouverte, dite cavité avant, délimitée par ladite source et débouchant sur ledit guide d'onde, et une cavité, dite cavité arrière, fermée par ladite source, la pression acoustique dans chaque cavité étant mesurée par un microphone. Ledit capteur est caractérisé en ce que ladite source est une pastille piezzo-électrique montée entre la cavité arrière qui est de forme cylindrique droit et la cavité avant qui est de forme cylindrique droit, la hauteur de la cavité avant et la hauteur de la cavité arrière étant respectivement inférieures au quart et à la moitié de la longueur d'onde de l'excitation émise par ladite pastille piezzo-électrique et les diamètres des deux cavités étant inférieurs à la moitié de ladite longueur d'onde. Un tel capteur d'impédance acoustique permet la détermination de l'impédance acoustique d'entrée Z pour une large plage de fréquences allant de quelques Hertz à quelques milliers de Hertz permettant ainsi une caractérisation complète d'un élément passif acoustique. Sa structure interne permet en effet de pouvoir obtenir des mesures de pression acoustique à basses fréquences a contrario des capteurs d'impédance acoustique de l'état de la technique sans pour autant requérir une mise en oeuvre délicate et donc coûteuse de ce capteur. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: La Fig. 1 représente schématiquement un capteur d'impédance acoustique associé à une charge, La Fig. 2 représente schématiquement un capteur d'impédance acoustique selon un état de la technique, La Fig. 3 représente schématiquement un autre capteur d'impédance acoustique 20 selon un autre état de la technique, La Fig. 4 représente schématiquement un capteur d'impédance acoustique selon l'invention, et La Fig. 5 illustre schématiquement l'utilisation du capteur d'impédance acoustique pour la caractérisation de matériau. 25 A la Fig. 4, le capteur d'impédance acoustique CA3 comporte une pastille piezzo-électrique PA en guise de source, une cavité arrière CAV1, une cavité avant CAV2 et deux microphones Ml et M2 reliés à des moyens de calculs numériques (non représentés) qui permettent de calculer la fonction de transfert H12 à partir des grandeurs électriques et et e2 mesurées aux bornes des deux microphones Ml et M2. 30 La cavité arrière CAV1 a une forme cylindrique droit de diamètre dl et de longueur L1. L'une de ses bases, en l'occurrence B1, est fermée tandis que l'autre de ses bases est ouverte. Par exemple, la cavité CAV1 est obtenue à partir d'un corps cylindrique plein dans lequel est réalisé un trou borgne de diamètre dl. La cavité avant CAV2 a une forme cylindrique droit de diamètre d2 et de longueur L2 dont les deux bases sont ouvertes. Par exemple, la cavité CAV2 est obtenue à partir d'un corps cylindrique plein dans lequel est percé un trou de diamètre d2. La pastille piezzo-électrique PA, de forme cylindrique droit de longueur 1, est montée pincée entre les cavités CAV1 et CAV2 de manière à rendre la cavité CAV1 étanche à l'air et à rendre les deux cavités CAV1 et CAV2 étanches à l'air l'une de l'autre. Pour cela, la base ouverte de la cavité CAV1 est fermée par une face de la pastille piezzo-électrique PA, tandis que l'une des bases de la cavité avant CAV2 est fermée par l'autre face de la pastille piezzo-électrique PA. L'autre base de la cavité CAV2, notée B2, reste ouverte de manière à déboucher sur un guide d'onde GU à mesurer. En effet, lorsqu'un guide d'onde GU est fixé sur le capteur d'impédance acoustique CA3, une extrémité de ce guide d'onde est fixée de manière étanche à l'air avec la base B2 de manière à ce que le plan de référence PR soit parallèle à la section transversale du guide d'onde GU. Le microphone Ml est associé à la cavité arrière CAV1 de manière à pouvoir mesurer la pression acoustique pl dans la cavité CAV1 tandis que le microphone M2 est associé à la cavité avant CAV2 de manière à pouvoir mesurer la pression acoustique p2 dans la cavité CAV2. On peut noter que le positionnement des microphones Ml et M2 peut être quelconque sur chacune des cavités CAV1 et CAV2, c'est-à-dire que les distances L" l et L"2 ne sont pas nécessairement égales à la moitié des longueurs L1 et L2. La pastille piezzo-électrique PA est utilisée en tant que source d'excitation du capteur d'impédance acoustique CA3, c'est-à-dire qu'elle est destinée à être soumise à une tension électrique qui provoque sa déformation sous l'effet piezzo-électrique inverse. Cette déformation induit alors une légère modification du volume de chaque cavité et par voie de conséquence une modification des pressions acoustiques à l'intérieur de chaque cavité CAV1 et CAV2. La pression acoustique pl mesurée dans la cavité arrière CAV 1 est alors, en considérant uniquement le mode d'onde plan, c'est-à-dire selon une approximation de premier ordre, proportionnelle au débit acoustique U généré par la pastille piezzoélectrique PA. L'impédance acoustique d'entrée Z est alors donnée par l'équation (2) une fois la fonction de transfert H1,2 déterminée à partir de mesures des pressions acoustiques prises par les microphones Ml et M2. Le capteur d'impédance acoustique CA3 présente l'avantage de pouvoir être 5 modélisé physiquement par un modèle à une seule fonction inconnue : le rapport entre les sensibilités sl et s2 des deux microphones. En effet, la fonction de transfert H12 entre les microphones des cavités CAV1 et CAV2 du capteur d'impédance acoustique CA3 est donnée par l'équation (1) avec j 1 sz sin(k.L1).cos(k.Lz) K = ù -.ù. Zel s1 cos(k.4).cos(k.L2) = j.Zc2.tan(k.Lz) (4) tan(k.L2) Zc2 L1, L2, 4, 4 sont les dimensions du capteur d'impédance p.c sont les impédances caractéristiques respectivement de la cavité CAV1 et de la cavité CAV2, p étant la densité de l'air, c la vitesse du son, k=c~/c est le nombre d'ondes, S1 la surface de la section de la cavité z CAV1 donnée par S1 = n 'dl et S2 la surface la section de la cavité avant CAV2 z 15 donnée par S2 = 42 où di et d2 sont les diamètres des cavités CAV1 et CAV2. Afin d'éviter des résonances à l'intérieur des cavités avant et arrière, les hauteurs L1, L" l et L2 respectent une limite supérieure donnée par c 2,,. Lä 1 4f LZ Ainsi, de par sa structure, le capteur d'impédance acoustique CA3 peut être caractérisé physiquement par un modèle donné par l'équation (2) qui ne comporte 5 qu'une seule inconnue K. En effet, les paramètres 13 et 8 sont connus a priori car fonction des dimensions et de l'impédance caractéristique de la cavité avant CAV2 et du positionnement du microphone M2 dans la cavité CAV2. Par contre, le paramètre K est inconnu du fait que le rapport sz entre les si 10 sensitivités des deux microphones n'est pas connu a priori. Une seule phase d'étalonnage est donc nécessaire pour la détermination du rapport des sensibilités des microphones Ml et M2. Pour cela, une charge étalon est fixée au capteur d'impédance acoustique CA3 au niveau du plan de référence PR et la pastille piezzo-électrique PA est alors excitée électriquement pour créer un débit 15 acoustique U. Cette charge étalon est définie de manière à ce que son impédance soit 'infinie'. Dans ce cas, suite à la mesure des pressions acoustiques pl et p2 et à la détermination de la fonction de transfert, appelée Ho., le paramètre K est déterminé par : K=H 8 20 Selon un mode de réalisation du capteur acoustique d'impédance CA3, les hauteurs L1, L"1 et L2 valent respectivement 21.4mm, 9.5mm 13.5mm et le diamètre di vaut 18mm et le diamètre d2 vaut 16mm,. Dans ces conditions, la plage de fréquences d'utilisation du capteur d'impédance acoustique CA3 s'étend de quelques Hertz à 6 kHertz permettant ainsi une 25 caractérisation d'un élément passif acoustique sur une très large gamme de fréquences. A titre d'illustration de l'utilisation du capteur d'impédance acoustique CA3, à la Fig. 5 est schématiquement représentée l'utilisation du capteur d'impédance acoustique CA3 pour la caractérisation de matériau. 30 Pour cela, un tube rigide TUB de diamètre d3 et fermé à l'une de ses extrémités est fixé au capteur d'impédance acoustique CA3 au niveau du plan de référence PR, c'est-à-dire que l'extrémité ouverte du tube TUB est fixée de manière étanche au capteur. Au fond de ce tube TUB est placé un échantillon du matériau à caractériser, la surface du matériau côté capteur étant distante du plan de référence PR d'une distance L3 supérieure au diamètre d3 du tube TUB. Le capteur, une fois étalonné, est excité par la pastille piezzo-électrique PA et des mesures de pressions acoustiques pl et p2 sont relevées. Les moyens de calculs associés aux microphones Ml et M2 déterminent alors la fonction de transfert H1,2 afin d'obtenir l'impédance acoustique d'entrée Z permettant alors la détermination de caractéristiques intrinsèques du matériau. Par exemple, le coefficient d'absorption du matériau à caractérisera est donné par a=1ûRe2 avec Re le coefficient de réflexion donné par Re= Z- Z+Zc 7cd dans laquelle Z, = Pc où S3 =2 est la surface de la section du tube TUB. 3 4 REVENDICATIONS1) Capteur d'impédance acoustique prévu pour mesurer l'impédance acoustique d'entrée (Z) d'un guide d'onde (GU), ledit capteur comportant une source couplée au guide d'onde (GU) par l'intermédiaire d'une cavité ouverte (CAV2), dite cavité avant, délimitée par ladite source et débouchant sur ledit guide d'onde (GU), et une cavité (CAV1), dite cavité arrière, fermée par ladite source, la pression acoustique dans chaque cavité étant mesurée par un microphone, ledit capteur est caractérisé en ce que ladite source est une pastille piezzoélectrique (PA) montée entre la cavité arrière (CAV 1) qui est de forme cylindrique droit et la cavité avant (CAV2) qui est de forme cylindrique droit, la hauteur (L2) de la cavité avant et la hauteur (L 1) de la cavité arrière étant respectivement inférieure au quart et à la moitié de la longueur d'onde de l'excitation émise par ladite pastille piezzo-électrique (PA) et les diamètres (dl et d2) des deux cavités (CAV1 et CAV2) étant inférieurs à la moitié de ladite longueur d'onde. 2) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque microphone étant relié à des moyens de calculs numériques qui permettent de calculer une fonction de transfert H12 à partir des grandeurs électriques mesurées aux bornes des deux microphones (M1 et M2), la fonction de transfert est donnée par Z+ H12 __ K1+8Z dans laquelle K, 13, et 8 sont des fonctions complexes de la fréquence de l'excitation émise par la pastille piezzo-électrique, qui sont définies par 1 sz sin(k.L1).cos(k.L4) K = û j ù.ù. Zcl s~ cos(k.4).cos(k.L2) = j.Zc2. tan(kJ ) tan(k.L2) Zc2 avec L1, L2, L~, 4 respectivement les hauteurs des parties capteur et le positionnement des microphones vis-à-vis des bases du capteur, Zcl = p c et Zc2 = p c les impédances caractéristiques respectivement de la cavité Sz avant (CAVl) et de la cavité arrière (CAV2), p la densité de l'air, c la vitesse du son, arrière et avant duk=co/c est le nombre d'ondes, SI la surface de la section de la cavité CAV1 donnée z par SI = n 4i* et S2 la surface la section de la cavité avant CAV2 donnée par z S2 = 4 2 où di et d2 les diamètres des deux cavités. 3) Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction complexe K est déterminée par une phase d'étalonnage. 4) Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que une charge étalon d'impédance infinie est utilisée lors de ladite phase d'étalonnage.10