Brevet FR2979988A1 — publié le 20130315

B11-2347FR 1 Système et procédé de caractérisation d'une grandeur physique, notamment le bruit émis par un véhicule automobile L'invention concerne la caractérisation d'une grandeur physique. L'invention peut notamment être utilisée pour caractériser un bruit perçu dans l'habitacle d'un véhicule automobile. Dans l'état de la technique, il est connu d'utiliser des outils, tels que des antennes acoustiques, des microphones amplifiés, ou des miroirs acoustiques pour identifier les sources de bruits dans l'habitacle d'un véhicule. Ces outils ne permettent pas de déterminer si, pour un point donné, la source de bruit identifiée est la cause du niveau acoustique en ce point et le cas échéant de déterminer dans quelle mesure la source mesurée contribue au niveau acoustique en ce point. Dans l'état de la technique, il est connu pour répondre à ces questions de mesurer la corrélation entre deux signaux, un premier signal qui est mesuré au point pour lequel on souhaite caractériser le niveau sonore et un deuxième signal qui est mesuré aux alentours de sources de bruit potentielles. Un tel dispositif de mesure est décrit dans la publication « Imagerie acoustique en soufflerie S2A » de Arnaud Ménoret, Nathalie Gorilliot et Jean-Luc Adam présentée au 10' Congrès Français d'Acoustique qui s'est déroulé à Lyon du 12 au 16 Avril 2010. Cette technique connue d'analyse par corrélation utilise des antennes acoustiques et un algorithme spécifique qui nécessite un post traitement de plusieurs dizaines de minutes sur des ordinateurs branchés en parallèle. Par ailleurs, plusieurs autres applications du principe de corrélation sont également connues pour l'analyse de problèmes sismiques ou pour la détection de fuites dans des canalisations. Par exemple, il est connu de faire la corrélation entre deux signaux issus de deux microphones placés de part et d'autre d'une canalisation pour déterminer la position précise d'une fuite sur ladite canalisation. Ces applications utilisent la phase de la fonction de cohérence pour localiser une source de bruit et estimer son niveau de contribution en un point donné. Les algorithmes ne comportent aucun post traitement particulier de sorte que l'interprétation des résultats est difficile. La présente invention a pour objet un système de caractérisation qui puisse utiliser n'importe quel type de capteurs et notamment des capteurs de son tels que des microphones, des capteurs d'accélération, des capteurs de vibration ou analogues. L'invention a également pour objet un système de caractérisation qui permette de fournir une information de cohérence fiable en un temps d'acquisition faible et dont l'analyse soit facile à effectuer. L'invention a encore pour objet l'obtention une restitution sonore ou visuelle de l'information de cohérence qui permette à un opérateur de poursuivre ses opérations tout en disposant de l'information de cohérence. Selon un premier aspect, il est proposé un procédé de caractérisation d'une première grandeur physique en un point donné, ladite première grandeur physique étant issue d'un véhicule automobile, comprenant des étapes consistant à : - mesurer ladite première grandeur physique audit point donné ; mesurer simultanément une deuxième grandeur physique à plusieurs emplacements à proximité ou à l'intérieur du véhicule ; acquérir de manière synchronisée les première et deuxième grandeurs pendant une certaine durée d'acquisition ; - calculer une fonction de cohérence entre un premier signal issu de l'acquisition de la première grandeur et un deuxième signal issu de l'acquisition de la deuxième grandeur ; et - approximer l'amplitude de la fonction de cohérence par un polynôme d'approximation de manière à lisser la fonction de cohérence. Ce procédé peut convenir à toute sorte de capteurs et n'est pas limité à des capteurs de son tel que des microphones. D'autre part, l'utilisation du polynôme d'approximation permet de lisser le bruit d'estimation de la fonction de cohérence dû notamment à l'utilisation d'une durée d'acquisition courte par exemple inférieure à une minute. Il est ainsi possible de prévoir une durée d'acquisition courte et d'utiliser un polynôme d'approximation de degré suffisamment élevé pour conserver la tendance de la fonction de cohérence, et observer, en fonction du déplacement du second capteur, l'évolution de la fonction de cohérence. La nature de la deuxième grandeur physique peut être différente de celle de la première grandeur physique ou être identique. Dans un mode de mise en oeuvre, le calcul de la fonction de cohérence comprend : - un découpage en plusieurs blocs temporels des premier et deuxième signaux ; - des calculs de transformées de Fourier rapides de chacun des blocs des premier et deuxième signaux ; - des moyennes sur l'ensemble des blocs temporels du produit d'une transformée de Fourier avec sa conjuguée de manière à déterminer les densités spectrales de puissance des premier et deuxième signaux, et la densité inter spectrale entre le premier signal et le deuxième signal ; et - un calcul de la fonction de cohérence à partir des densités spectrales et inter spectrale. Le calcul de la fonction de cohérence comprend des opérations mathématiques simples qui peuvent toutes être réalisées rapidement, ce qui permet une observation, pratiquement en temps réel, de l'évolution de la fonction de cohérence. L'étape d'acquisition peut comprendre une numérisation des première et deuxième grandeurs physiques mesurées pendant la durée d'acquisition et le calcul de la fonction de cohérence peut être réalisé plusieurs fois par seconde à partir des premier et deuxième signaux numérisés. Le rafraîchissement du calcul de la fonction de cohérence et du polynôme l'approximant plusieurs fois par seconde permet d'observer l'évolution de la fonction de cohérence plus rapidement. Dans un mode de mise en oeuvre, le procédé comprend une restitution sous la forme d'un son et/ou d'une visualisation graphique de la fonction de cohérence et/ou du polynôme approximant la fonction de cohérence. Il est ainsi possible à l'opérateur d'identifier plus facilement l'évolution de la fonction de cohérence. Il peut également progressivement déplacer le second capteur pour identifier l'élément du véhicule qui contribue le plus à la grandeur mesurée par le premier capteur. Selon un mode de mise en oeuvre, la mesure de la première grandeur physique est une mesure de son et la mesure de la deuxième grandeur physique est une mesure de son ou une mesure appartenant à une famille de mesures vibratoires comprenant les mesures optiques et les mesures d'accélération. Selon un autre aspect, il est proposé un système de caractérisation d'une grandeur physique en un point donné, ladite grandeur physique étant issue d'un véhicule automobile, comprenant : - un premier capteur de ladite grandeur physique placé audit point donné ; - un second capteur d'une grandeur physique, ledit second capteur étant déplaçable, à proximité ou à l'intérieur du véhicule ; - des moyens d'acquisition pendant une certaine durée d'acquisition des mesures des premier et deuxième capteurs ; - des moyens de calcul d'une fonction de cohérence entre un premier signal issu de l'acquisition du premier capteur et un deuxième signal issu de l'acquisition du deuxième capteur ; - des moyens d'approximation de l'amplitude de la fonction de cohérence par un polynôme de manière à lisser la fonction de cohérence. Selon une caractéristique, les moyens de calcul de la fonction de cohérence comprennent : - des moyens de découpage en plusieurs blocs temporels des premier et deuxième signaux ; - des moyens de calcul de transformées de Fourier rapides des premier et deuxième signaux ; - des moyens de calcul de moyennes sur l'ensemble des blocs temporels du produit d'une transformée de Fourier avec sa conjuguée de manière à déterminer les densités spectrales de puissance des premier et deuxième signaux, et la densité inter spectrale entre le premier signal et le deuxième signal ; et - des moyens de calcul de la fonction de cohérence à partir des densités spectrales et inter spectrale. Selon un mode de réalisation, le premier capteur et/ou le second capteur est un capteur de son. Selon un mode de réalisation, le premier capteur est un capteur de son et le second capteur est un capteur appartenant à une famille de capteurs vibratoires comprenant des capteurs optiques et des accéléromètres. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre de manière schématique un système de caractérisation d'une grandeur physique selon l'invention, - la figure 2 illustre de manière schématique une fonction de cohérence et son approximation selon l'invention, - la figure 3 illustre de manière schématique un procédé de caractérisation d'une grandeur physique selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un capteur Cl d'une première grandeur physique, un capteur C2 d'une deuxième grandeur physique, un boîtier électronique BEL et un moyen de restitution MR. Le capteur Cl est placé à un point P donné au cours de la caractérisation du point P. Le capteur C2 est mobile, et est déplacé au cours de la caractérisation du point P. Le capteur Cl est par exemple un capteur de son. Préférentiellement on utilise un microphone amplifié. On peut également utiliser une antenne acoustique ou un miroir acoustique. Le capteur C2 est par exemple un capteur de son, un capteur vibratoire de type optique, ou un accéléromètre. Dans le cas d'un capteur de son, le capteur C2 est préférentiellement un microphone amplifié. Les deux capteurs Cl et C2 sont reliés au boîtier électronique BEL. Le boîtier électronique BEL comprend des moyens d'acquisition MACQ, des moyens de calcul de la fonction de cohérence MC et des moyens d'approximation MAPP. Les moyens d'acquisition MACQ sont configurés pour acquérir simultanément et traiter la première mesure du capteur Cl et la deuxième mesure du capteur C2 en synchronisme. Les moyens de calcul MC de la fonction de cohérence sont configurés pour calculer la fonction de cohérence des signaux Si et S2 issus de l'acquisition des mesures des capteurs Cl et C2 respectivement. Pour cela ils comprennent des moyens MTF de calcul de transformées de Fourier rapide des signaux Si et S2. Les moyens d'approximation MAPP sont configurés pour calculer un polynôme qui approxime la fonction de cohérence. Pour cela, les moyens MAPP utilisent par exemple la méthode des moindres carrés. Les moyens MR sont des moyens de restitution de la fonction de cohérence et/ou du polynôme résultant de l'approximation de l'amplitude de la fonction de cohérence. Par exemple, les moyens de restitution comprennent un ordinateur comportant un écran ou un écran indépendant. Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens de restitution MR sont configurés pour restituer sous forme sonore ou visuelle (par exemple au moyen d'un graphique) la fonction de cohérence et/ou le polynôme résultant de l'approximation de l'amplitude de la fonction de cohérence. On va maintenant décrire plus en détail les opérations réalisées par les moyens MACQ, MC, MAPP et MR selon un mode de réalisation. L'acquisition effectuée par les moyens d'acquisition MACQ comprend une numérisation régulière des deux dernières secondes des mesures des capteurs Cl et C2. D'autres durées de numérisation Tnum pourraient également convenir. On peut par exemple choisir toute durée inférieure ou égale à une minute. Les moyens de calcul MC sont configurés pour réaliser plusieurs fois par seconde, par exemple trois fois par seconde, les opérations suivantes : - découper les signaux numérisés S1 et S2 en un certain nombre N de blocs temporels. Par exemple, les moyens de calcul MC découpent les signaux S1 et S2 en N=50 blocs temporels. Les blocs temporels peuvent avoir un taux de recouvrement Trec, c'est-à-dire que lorsqu'un premier et un deuxième bloc se suivent, le deuxième bloc commence alors que le premier bloc n'est pas encore terminé. Par exemple, le deuxième bloc commence à la moitié du premier bloc, le taux de recouvrement est alors de 50% ; - réaliser une transformée de Fourier rapide FFT (Fast Fourier Transform selon un terme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier) de chacun des blocs temporels découpés ; - faire la moyenne sur l'ensemble des blocs temporels du produit d'une transformée de Fourier avec sa conjuguée de manière à déterminer la densité spectrale de puissance du signal Sl, du signal S2 et la densité inter spectrale entre le signal Si et le signal S2; et - calculer la fonction de cohérence en faisant le ratio entre la densité inter spectrale au carré et le produit de la densité spectrale de puissance du signal Si et de la densité spectrale de puissance du signal S2. Sous forme mathématique, les opérations suivantes sont réalisées par les moyens de calcul MC : - calcul de la densité spectrale de puissance G xx , du signal aléatoire Si 2 N (1) éxx = lim EXk(f,T)xXk(f,T) No. N xT k=i où Xk(f,T) représente la transformée de Fourier élémentaire du kième bloc temporel du signal numérisé Si estimée sur la durée finie T des blocs temporels. La durée finie T est directement reliée au nombre de blocs temporels N, à la durée de numérisation Tnum, et au taux de recouvrement Trec. La durée finie T correspond également à l'inverse de la résolution spectrale. Par exemple, dans le cas d'un nombre de blocs temporels N=50 avec une durée de numérisation Tnum = 2 secondes et un taux de recouvrement Trec = 50% on obtient une résolution spectrale de 12.5 Hz. - calcul de la densité spectrale de puissance Gyy, du signal aléatoire S2 ,--,N (2) Ô' NxT k=i L Y k ( f,T)xY k( f,T) où Yk (f,T) représente la transformée de Fourier élémentaire du kième bloc temporel du signal numérisé S2 estimée sur la durée finie T des blocs temporels. - calcul de la densité inter spectrale de puissance x-IN (3) éxy = lim 2 LXk(f ,T)xYk(f ,T) Nom-NxT k=i - calcul de la fonction de cohérence C(f) à partir des densités spectrales et inter spectrale. , 1 è, 2 (4) C(f )=yx2y- è,I xxè,Y1, La valeur de la fonction de cohérence est toujours comprise entre 0 et 1. La fonction de cohérence est avantageuse car si le signal S2 est issu d'une mesure d'une source (aéroacoustique par exemple) contribuant au signal S1, la valeur de la fonction de cohérence correspond à la contribution de la source S2 au signal mesuré Si. Si on note G' la densité spectrale de cette contribution, on a la relation suivante : 7 2 Gy, (5) ' xy Gxx On peut donc estimer la valeur en décibel de la contribution de la source de signal S2 au signal mesuré S1 suivant la formule ci après 10. log(G') =10. log(Gxx)+10. log(yxy) Les moyens d'approximation MAPP sont capables d'approximer chacune des fonctions de cohérence C(f) calculée par un polynôme d'un ordre par exemple supérieur à 40. L'utilisation d'un polynôme d'un ordre relativement élevé permet de conserver la tendance de la fonction de cohérence. Pour réaliser l'approximation, la méthode des moindres carrées peut être utilisée. En d'autres termes, on cherche le polynôme P qui pour un nombre N de valeurs de fréquence fi minimise la fonction FM : FM = (C( fi) - P(fi))2 Les moyens de restitution MR réalisent alors l'affichage du polynôme P(f) et/ou de la fonction de cohérence C(f). Cet affichage est mis à jour à chaque calcul par les moyens de calcul MC c'est-à-dire plusieurs fois par seconde, par exemple trois fois par seconde. Il est également possible selon l'invention de prévoir une restitution sonore du polynôme P(f) et/ou de la fonction de cohérence C(f). Pour cela le polynôme P(f) et/ou la fonction de cohérence C(f) sont intégrés sur toute la bande de fréquence étudiée. Cette valeur intégrée est divisée par la longueur de la bande de fréquence étudiée. Elle est donc comprise entre 0 et 1. Cette valeur est alors utilisée pour émettre un son calibré. La figure 2 représente la fonction de cohérence C(f) et le polynôme P(f) qui l'approxime. Comme on peut le voir, la fonction de cohérence est très bruitée. Cela est dû à l'utilisation d'une durée de numérisation du signal Si et S2 courte, par exemple deux secondes, ce qui entraine un nombre N de blocs temporels de moyennage pour le calcul des densités spectrales et inter spectrale faible. Par ailleurs plus la cohérence à estimer est faible plus le bruit est élevé. Cette durée de numérisation courte permet par contre une observation de la fonction de cohérence en temps réel puisque la fonction de cohérence observée est seulement en retard de deux secondes dans le cas de l'utilisation d'une durée de numérisation égale à deux secondes. Pour obtenir une fonction de cohérence moins bruitée tout en conservant un fonctionnement en temps réel, la fonction de cohérence C(f) est approximée par le polynôme P(f). Comme on le voit sur la figure 2 le polynôme P(f) est nettement moins perturbé que la courbe C(f). Il est ainsi possible, en rafraîchissant plusieurs fois par secondes la courbe P(f) affichée de suivre en temps réel l'évolution pour déterminer une tendance d'évolution de la fonction de cohérence. Grâce à cette tendance, l'opérateur peut par exemple identifier, si lors du déplacement du capteur C2, il se rapproche ou s'éloigne d'une source qui contribue à la grandeur physique identifiée par le capteur Cl. La figure 3 représente le procédé de caractérisation d'une grandeur physique selon l'invention. Il comprend : - une première étape (1) de mesure d'une première grandeur physique par le capteur Cl en un point donné. Le capteur Cl mesure un signal S1 ; - une deuxième étape (2) de mesure simultanée et synchronisée à ladite première étape, d'une deuxième grandeur physique par le capteur C2 en un point variable. Le capteur C2 mesure un signal S2 ; - une étape d'acquisition (3) synchronisée des premier et deuxième signaux Si et S2 ; - une étape de calcul (4) de la fonction de cohérence à partir des acquisitions de l'étape d'acquisition ; - une étape (5) d'approximation de la fonction de cohérence par un polynôme ; - une étape de restitution (6) sonore ou par affichage des courbes de la fonction de cohérence et/ou du polynôme approximant la fonction de cohérence. On va maintenant décrire trois exemples d'application de l' invention. Selon une première configuration on peut, pour un véhicule automobile en soufflerie utiliser comme capteur Cl un microphone amplifié et comme capteur C2 un miroir acoustique. Le capteur Cl est placé de manière fixe à l'intérieur de l'habitacle du véhicule et le capteur C2 est déplacé à la main autour du véhicule de manière à déterminer quelle est la source de bruit à l'extérieur de l'habitacle du véhicule qui contribue le plus à l'environnement sonore à l'intérieur de l'habitacle. Selon une deuxième configuration, pour un véhicule en soufflerie, on utilise comme capteur Cl un microphone amplifié et comme capteur C2 un capteur optique qui peut mesurer des vibrations, par exemple un vibromètre laser. Le capteur Cl est placé de manière fixe à l'intérieur de l'habitacle du véhicule et le capteur C2 est déplacé notamment autour de l'antenne de réception radio du véhicule de manière à identifier la contribution des vibrations de l'antenne au bruit apparaissant à l'intérieur du véhicule. Selon une autre configuration, pour un véhicule immobile sur banc à rouleaux, on utilise comme capteur Cl un microphone amplifié et comme capteur C2 un autre microphone amplifié. Le capteur Cl est placé de manière fixe à une distance comprise entre 3 et 5 mètres du véhicule et le capteur C2 est déplacé, notamment autour du moteur du véhicule. Il est alors possible d'identifier le niveau de contribution du moteur au bruit produit par le véhicule, entendu au niveau du capteur Cl. L'invention permet donc d'identifier rapidement les zones du véhicule qui génèrent du bruit dans et/ou à l'extérieur de l'habitacle et d'accélérer le travail d'amélioration de la signature acoustique du véhicule. REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'une première grandeur physique en un point donné, ladite première grandeur physique étant issue d'un véhicule automobile, comprenant des étapes consistant à : - mesurer (1) ladite première grandeur physique audit point donné ; - mesurer (2) simultanément une deuxième grandeur physique à plusieurs emplacements à proximité ou à l'intérieur du véhicule ; - acquérir (3) de manière synchronisée les première et deuxième grandeurs pendant une certaine durée d'acquisition ; - calculer (4) une fonction de cohérence entre un premier signal (S1) issu de l'acquisition de la première grandeur et un deuxième signal (S2) issu de l'acquisition de la deuxième grandeur ; - approximer (5) l'amplitude de la fonction de cohérence (C(f)) par un polynôme d'approximation (P(f)) de manière à lisser la fonction de cohérence. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le calcul de la fonction de cohérence (4) comprend : - un découpage en plusieurs blocs temporels du premier et du deuxième signal ; - des calculs de transformées de Fourier rapides de chacun des blocs des premier et deuxième signaux ; - des moyennes sur l'ensemble des blocs temporels du produit d'une transformée de Fourier avec sa conjuguée de manière à déterminer les densités spectrales de puissance des premier et deuxième signaux (51, S2), et la densité inter spectrale entre le premier signal et le deuxième signal (51, S2) ; et - un calcul de la fonction de cohérence (C(f)) à partir des densités spectrales et inter spectrale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'étape d'acquisition comprend une numérisation (3) des première et deuxième grandeurs physiques mesurées pendant la durée d'acquisition et lecalcul de la fonction de cohérence est réalisé plusieurs fois par seconde à partir des premier et deuxième signaux numérisés (S1, S2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une restitution (6) sous la forme d'un son et/ou d'une visualisation graphique de la fonction de cohérence (C(f)) et/ou du polynôme (P(f)) approximant la fonction de cohérence. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la mesure de la première grandeur physique est une mesure de son et la mesure de la deuxième grandeur physique est une mesure de son ou une mesure appartenant à une famille de mesures vibratoires comprenant les mesures optiques et les mesures d'accélération. 6. Système de caractérisation d'une grandeur physique en un point donné, ladite grandeur physique étant issue d'un véhicule automobile, comprenant : - un premier capteur (C1) de ladite grandeur physique placé audit point donné ; - un second capteur (C2) d'une deuxième grandeur physique ledit second capteur étant déplaçable à proximité ou à l'intérieur du véhicule ; - des moyens d'acquisition (MACQ) pendant une certaine durée d'acquisition des mesures des premier et deuxième capteurs ; - des moyens de calcul (MC) d'une fonction de cohérence entre un premier signal issu de l'acquisition du premier capteur (C1) et un deuxième signal issu de l'acquisition du deuxième capteur (C2) ; - des moyens d'approximation (MAPP) de l'amplitude de la fonction de cohérence par un polynôme (P(f)) de manière à lisser la fonction de cohérence (C(f)). 7. Système selon la revendication 6, dans lequel les moyens de calcul (MC) de la fonction de cohérence comprennent : - des moyens de découpage en plusieurs blocs temporels des premier et deuxième signaux (S1, S2) ; - des moyens de calcul de transformées de Fourier rapides (MTF) des premier et deuxième signaux (S1, S2) ;- des moyens de calcul de moyennes sur l'ensemble des blocs temporels du produit d'une transformée de Fourier avec sa conjuguée de manière à déterminer les densités spectrales de puissance des premier et deuxième signaux (S1, S2), et la densité inter spectrale entre le premier signal (S1) et le deuxième signal (S2) ; et - des moyens de calcul de la fonction de cohérence (C(f)) à partir des densités spectrales et inter spectrale. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel le premier capteur (C1) et/ou le second capteur (C2) est un capteur de son. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel le premier capteur (C1) est un capteur de son et le second capteur (C2) est un capteur appartenant à une famille de capteurs vibratoires comprenant des capteurs optiques et des accéléromètres.