Vélocimétrie Acoustique par effet Doppler (ADV)

2.2.1.1 Principe

Les mesures des trois composantes de la vitesse de l’écoulement sont effectuées en utili- sant un micro ADV 16 Mhz (Vélocimétrie Acoustique Doppler) de la société Sontek. Ce sys-

tème de mesure contient une sonde qui est composée de trois éléments (Figure 2.8) : un module de conditionnement du signal, une tige et un système acoustique qui contient un émetteur acoustique et trois récepteurs pour les trois directions de l’espace.

Le pilotage de l’ADV est effectué à partir d’un micro-ordinateur équipé du logiciel Hori- zonADV. Ce logiciel donne accès au réglage de différents paramètres (nombre d’échantillons temporels Ne, fréquence d’acquisition fADV, vitesse du son dans l’eau).

Grâce à ce logiciel, nous pouvons enregistrer neuf valeurs pour chaque échantillon : les trois valeurs de vitesse, les trois valeurs de la force du signal, et les trois valeurs de corréla- tion. La force et la corrélation du signal sont employées principalement pour déterminer la qualité de la mesure de la vitesse donnée par la sonde.

Le principe de fonctionnement de l’ADV est comme suit, quand l’émetteur produit un signal périodique, l’impulsion acoustique se propage dans le bassin d’eau et les particules dispersent une fraction de l’énergie acoustique. Les récepteurs détectent l’écho acoustique provenant du volume de mesure à l’intersection des récepteurs et de l’émetteur, la fréquence de l’écho est modifiée par effet Doppler en fonction du déplacement relatif des particules. Cette modification de fréquence captée par les trois récepteurs, permet une détermination du vecteur vitesse à partir des trois projections de la vitesse mesurées par les récepteurs et d’une matrice de transformation qui prend en compte la position géométrique des récep- teurs et de l’émetteur (Gomes et al. (2005) et Degroot (2007)).

FIGURE2.8 – Sonde de MicroADV 16-MHz

Afin de ne pas perturber l’écoulement au point d’acquisition, la position du volume de mesure est située à 50 mm de la sonde. Ce volume de mesure est un cylindre d’eau d’un diamètre de 4,5 mm et d’une hauteur de 5,6 mm résultant de l’intersection des faisceaux de l’émetteur et des trois récepteurs.

2.2. PRESENTATION DES TECHNIQUES DE MESURES 47 Longueur totale (mm) 760 Longueur de la tige (mm) 400 Longueur du conditionneur (mm) 280 Diamètre du conditionneur (mm) 560 Gamme de fréquence (Hz) 0,1 à 50 Distance du volume de mesure par rapport à l’émetteur (mm) 50

Précision de mesure (mm/s) 0,1 TABLEAU2.2 – Caractéristiques de la sonde ADV

2.2.1.2 Procédure de mesure

Avant de lancer des acquisitions ADV, un maillage 3D a été réalisé pour deux configu- rations de la passe à fentes verticales sans cylindres. Ces configurations ont pour largeur

B

b = 6.67 et 9, pour une pente S0 = 10% et débit d’étude de Q b2_V

d = 3,86. Les cellules du

maillage 3D des deux configurations mesurent respectivement X_b ∗Y_b ∗Z_b = 0.67 ∗ 0.64 ∗ 0.4 et 0.68 ∗ 0.63 ∗ 0.4. Les mesures ont été effectuées en tous points d’intersection (169 points de mesure pour la passe de largeur B_b = 9 et 104 points de mesure pour la passe de largeur

B

b = 6.67) (Figure 2.9). Le temps d’acquisition est d’environ cinq minutes et la fréquence

d’acquisition adoptée pour ces mesures fADV est 50 Hz (soit 15000 échantillons temporels

par point).

(A) B_b = 9 (B) B_b = 6.67 FIGURE2.9 – Maillages et points de mesures

2.2.1.3 Procédure de traitement

Après avoir réalisé le montage du système ADV dans le troisième bassin de la passe et réglé les différents paramètres du logiciel HorizonADV, il ne reste qu’à lancer les acquisitions des données pour lesquelles deux paramètres sont calculés pour vérifier que les mesures

sont représentatives de l’écoulement. Le premier paramètre est le rapport signal sur bruit SNR, il est exprimé en dB et représente le rapport entre l’amplitude du signal et le bruit am- biant de l’instrument. Physiquement, ce paramètre permet de vérifier si l’ensemencement naturel est suffisant. Pour que l’ADV puisse récupérer du signal et effectuer des mesures de vitesse efficaces, il faut que le rapport signal sur bruit soit suffisant. Selon les constructeurs, un rapport de 30 dB constitue un bon compromis pour les mesures de vitesses instantanées et turbulentes. Pour la plupart des mesures effectuées dans la passe à poissons, le rapport SNR est compris entre 25 et 30 dB.

Le deuxième paramètre calculé lors des mesures est le coefficient de corrélation. Il est calculé pour les trois récepteurs et est exprimé sous forme d’un pourcentage de 0 à 100%. Physiquement, ce paramètre nous donne une idée sur la qualité et la fiabilité des mesures. En général, un coefficient de corrélation supérieur à 70% donne des mesures fiables. Pour la majorité des acquisitions réalisées durant notre étude, le coefficient de corrélation est com- pris entre 80 et 90% excepté près de la surface libre : les mesures semblent moins fiables où le coefficient de corrélation varie de 20 à 50% (Jaafar et al. (2005)).

Afin de ne pas prendre en compte les acquisitions où les mesures ne sont pas représenta- tives de l’écoulement, un filtre a été appliqué sur les données. Le coefficient de la corrélation doit être supérieur ou égal à 70%, la valeur du rapport signal sur bruit doit être supérieure ou égale à 30d B et la norme de la vitesse doit être inférieure (supérieure) ou égale à la vitesse maximum (minimum) dans la passe (Vmax

Vd = 1.13).

En utilisant ce filtre, 11000 acquisitions sur 15000 ont été prises en compte en moyenne, ce qui nous représente un pourcentage de 73%. La Figure 2.10 montre un tracé des vitesses avant et après le filtrage qui nous donne une idée sur l’utilité du filtrage pour les mesures expérimentales.

(A) Avant le filtrage (B) Après le filtrage FIGURE2.10 – Tracé des données

2.2. PRESENTATION DES TECHNIQUES DE MESURES 49