CHAMPS SONORES. PLUS DE DESCRIPTIONS. POURQUOI ? COMMENT ?

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Submitted on 1 Jan 1990

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CHAMPS SONORES. PLUS DE DESCRIPTIONS.

POURQUOI ? COMMENT ?

J. Dumas

To cite this version:

J. Dumas. CHAMPS SONORES. PLUS DE DESCRIPTIONS. POURQUOI ? COMMENT ?. Journal

de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-899-C2-902. �10.1051/jphyscol:19902209�. �jpa-00230532�

ler Congrès Français d'Acoustique 1990

CHAMPS SONORES. PLUS DE DESCRIPTIONS. POURQUOI? COMMENT?

J.

DUMAS

Bruel et Kjaer France, 46 Rue du Champoreux, BP. 33. F-91541 Mennecy Cedex, France

Résume : Depuis plusieurs décennies, seule la pression acoustique était utilisée pour la caractérisation du champ acoustique autour d'une source de bruit industrielle, malgré ïiisuffisance et les lacunes connues de ce descripteur.

L'amélioration de l'instrumentation de mesure acoustique et vibratoire a permis lamise en pratique d'un autre descripteur de puissance du champ sonore : l'intensité acoustique.

Descripteur plus précis sur le plan énergétique, il a m i s la miseau point de méthodes industrielles supplémentaires dans l'évaluation des rayonnements sonores. Maigré tout, pour des sources complexes, il reste insuffisant.

Bmel& Kjaer a mis au point une technique de mesure appelée STSF (Spatial Transformation of Sound Fields : Transformée Spatiale des Champs Sonores) qui, basée sur des calculs d'interspectre entre des pressions sonores mesurées en des points de l'espace judicieusement choisis, propose tous les descripteurs de puissance'du champ acoustique autour d'une source dans des plans proches ou lointains de celle-ci.

Si à cause du contexte législatif et normatif actuel et situé à l'échelle européenne, on comprend mieux pourquoi les industriels s'intéressent tant aux bruits des machines conçues ou utilisées, cet article tente de montrer Sévolution des outils d'investigation.

Abstract : For several decades, practically the only acoustical parameter to be used to describe an acoustical field in an,industrial environment was the sound pressure, ever though the inadequacies of this parameters were well known. The recent radical improvement of instrumentation for acoustical and vibrational measurements has enabled another descriptor of the sound field to be determined : the acoustic intensity.

This descriptor which quantifies directly the rate of energy flux, has become the basisofnew industriai methodes for evaluating Sound radiation.

However for complex sources, it is still not sufficient

.

^{Bmel &} Kjaer has developed a technique entitled STSF based on the measurements of the cross spectra over a judiciously placed surface close ta the source under test, which permits any acoustical parameter to be calculated within a defined solid angle subtended at the source, both closer to and further away from the source.

Whith the ever increasing nwnber of standard and regulations at National, European and International level, one can understand the present preoccupation of industry with machiie generated noise.

This article endevours to demonstrate the evolution in the tools at the disposal of the noise and vibration enginer.

Introduction :

Une prise de conscience générale concernant les agressions de notre vie moderne et quotidienne s'etablit. Les politiciens, les médias, les sociologues, les chercheurs et beaucoup d'autres inscrivent dans leurs travaux des sujets de réflexion concernant les pollutions de toutes sortes et notamment le bruit.

Si beaucoup d'efforts Sont réalisés pour constater et caractériser la dose de bmit supportée par les travailleurs, d'autres sont mis en Oeuvre pour décrire, expliquer puis résoudre les causes de pollutions que sont les machines de production industrielle.

Cene démarche s'applique également à notre environnement communautaire (bruit routier, d'aéroport

...

⁾ et individuel (confort des consom- mateurs que nous sommes).

Tout ceci a pour conséquence des textes législatifs nombreux qui invitent les industriels concepteur et utilisateur de machine à passer à l'action.

Construire silencieux doit être un souci permanent. La concurrence indusuielle appuyera cette invitation.

Cet article montre les moyens graduels que les industriels se sont donnés pour évaluer les champs sonores autour des machines conçues ou utilisées. Le champ sonore est la zone dans laquelle un bmit se propage. On définit le type du champ sonore selon lanature de l'environnement et la façon dont les ondes y circulent.

Ces moyens mis en oeuvre constituent chronologiquement trois générations de mesure acoustique industrielle : - la première : la mesure de la pression acoustique (Lp)/grandeur scalaire.

- la deuxième : la mesure de l'intensité acoustique (L,)/grandeur vectorielle.

- la troisième : STSF (Spatial Transfomation of Sound F1elds)hmagerie acoustique.

Ces moyens ont tous une possibilité commune ; la caractérisation de la machine par sa puissance acoustique (LW) qui constitue Une valeur intrinsèque. Par contre, tous n'ont pas les mêmes capacités à expliquer et décrire le champ sonore autour de la machine pour comprendre son rayonnement et donc sanuisance puis y remédier. Les industriels ne sont plus indifférents car s'ils comprennent pourquoi remédier, ils cherchent à savoir comment.Bmel & Kjaer participe depuis plus de 4 0 ans à l'élaboration de ces moyens et à les rendre industriels.

A) Ière nénération : la mesure de pression.

Le niveau de pression sonore exprimé en décibels a subi l'assaut des acousticiens pour être mis en forme et caractériser le mieux possible la nuisance reçue par l'être humain (pondération A, niveau continu équivalent (Leq)).

Il est aussi utiiisé pour la détermination de la puissance acoustique des machines (normes ISO 3741 2 3747). Mais pour cela, des locaux particuliers appelés chambre anéchoïque (conditions de champ libre - Fie. 1) ou chambre réverbérante (conditions de champ diffus

-

^{Fig. 2)}

sont nécessaires pour obtenir une b o ~ e précision.

En effet, dans ces champs sonores, le comportement des ondes acoustiques ravonnées par la source est connu et des relations simples entre niveau de pression 0 ) et niveau de puissance (L,,,) peuvent être exprimées (voir

ablea au

1). Diplus, dans les conditions de champ libre, la directivité de la source est mesurable. Ceci est un plus descriptif de la machine.

Souvent, devant l'impossibilité de disposer de locaux spécifiques ou tout simplement pour des raisons d'encombrement et d'insral@ion de la machine, des méthodes de contrôle (nonnes ISO 3746 ou 3747) ne demandant pas d'environnement spécial, peuvent donc être pratiquées dans un local ordinaire (industriel). Ce dernier se caractérise par un mélange de plusieurs types de champ sonore (Fig. 3) : ceux décrivant la machine (champ prochelchamp lointain), ceux décrivant i'environnement de la machine (champ librefchamp réverbérant). Dans ce cas, rien n'est simple et la pression sonore s'avère uès délicate à utiliser. Des termes correctifs sont à prendre en compte pour l'estimation de la puissance acoustique (Tableau 1).

De plus, la présence de bmit de fond dans ce local (autres machinesfsources de bmit) rendra plus difficile la caractérisation de la machine sous test. Un niveau de b ~ i t de fond de 3 dB inférieur au niveau de pression de cette dernière est une limite à ne pas dépasser.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902209

C2-900 COLLOQUE DE PHYSIQUE

Champ (

relation entre

LW

et

Lp

libre

1 LW= Lp +

10

log,,^

_--

S = surface de mesure en m2, So = 1 mz T = temps de rkverbération en s, To = 1 s

v=

volume de la salle en m3, Vo = 1 m3 S = surface totale de la salle en mZ diffus

ordinaire

Fig. 2

LW=

Lp

+

10 log,,&

h = longueur d'onde à la fréquence centrale de la largeur de bande étudiée en m B = pression barométrique en mbar Q = facteur de directivité de la source r = distance de mesure en m R = wnsrante de salle

vo

I I

Tableau 1 : relations utilisées pour caractériser une machine à partir de la pression sonore.

- IO

log,,T

+

10 log,, (1

+ 3

To 8V

-

10 log,,(&)

-

14 dB

LW= Lp

-

K

Q 4

K

= 10 log,, (-

+

-) 4&

R

En fait, mise à part dans des conditions de champ de libre et d'absence de bmit de fond parasite, le niveau de pression sonore ne peut pas être utilisé pour caractériser le champ sonore autour de la machine car il prend en compte la partie propagative du champ (partie champ libre) et la partie non propagative (partie diffuse, réactive) due principalement à I'environnement.

1 ^*::n:e 1

Fig. 1

sonove

D'un point de vue moyen, des sonomètres équipés de microphones suffisent à mesurer la pression sonore. Le sonombtre nécessaire sera fonction du degré de précision et de traitement de l'information souhaités (analyse en fréquence, intégration...).

B) 2hme aénération : La mesure de l'intensité acoustique.

Les mesures acoustiques et la théorie acoustique n'ont pas toujours évolué en même temps. La notion d'intensité acoustique est un des fon- dements de la théorie acoustique qui existe depuis plus d'un sikcle. ïi a fallu le développement et la miniaturisation des captéurs et des appareils de mesure pour pouvoir la mesurer industriellement.

L'intensité acoustique est une grandeur vectorielle qui décrit le flux d'énergie acoustique en un point précis et s'écrit de la façon suivante : 1 2 2 = p @ ) . v 2 . )

&:pression sonore

V - vitesse particulaire du fluide dans lequel se propage l'onde acoustique.

Cette grandeur s'exprime également en dB : L, = 10 log,oT 1 (Io = 1 pWlm2)

pour une direction r I r = - pck

-

6r

Ces deux grandeurs ne relèguent pas la pression sonore au second pian mais sont complémentaires. La mesure de cette dernière peut être utilisée pour 6tablir la sévérité du problbme (nuisances), l'intensité active pour la mesure de la puissance acoustique de la machine en présence d'autres machines perturbatrices et l'interprétation du rayonnement d'énergie acoustique autour de celle-ci, et enfin l'intensité réactive en complément des deux précedentes pour des informations sur la structure du champ, sur l'origine des rayonnements d'energie (voir fig.5) et la présence éventuelle d'ondes stationnaires.

La difficulté de mesurer l'intensité acoustique se résumait à la difficulté de mesurer la vitesse particulaire. Ceci a été résolu grâce l'équation d'Euler suivante : Dans une direction donnée 6p

-

6u

6r

- - P s t

En approximant le gradient de pression par différence finie, une relation simple permet de ramener la mesure de vitesse à deux mesures de pression (voir Fig.6). L'analyseur fait ensuite les opérations mathématiques nécessaires à l'obtention de I'intensité active OU réactive.

Il est à remarquer qu'une mesure simultanée de la pression acoustique et de l'intensité acoustique active nous donne, si elle est e f f e c t h au Illême point, le degré de réactivité du champ et si elle est effectuée dans un coupleur simulant un champ sonore d'intensité active nulle, la qualité de l'instrumentation (Intensité résiduelle due au mauvais appariement en phase des deux voies de mesure).

Des normes caractérisant des mehodes de mesure de puissance acoustique des machines par intensmétrie font leur apparition (S 31-100, ISO 9614-1).

Si la technique d'intensité acoustique a rencontré une succès considérable pour la cartographie des sources de bruit, il n'est cependant pas possible d'estimer le champ lointain à partir d'une carte d'intensité acoustique mesurée près d'une source complexe. En effet, cette carte est constituée de mesure de la moyenne de l'intensité acoustique active en chaque point et ne comporte aucune information de phase entre les points de mesure.

La solution à ce problèmeest d'estimer l'interspectre entre la pression acoustique et la vitesse particulaire sur une surface plane et d'utiliser l'équation intégrale d'Helmoltz. L'avantage de l'interspectre est qu'il transporte des informations d'amplitude et de phase. L'équation intégrale d'Helmoltz relie la pression acoustique p et la composante normale de la vitesse particulaire un sur une surface fermée à la pression acoustique en des points en dehors de la surface (voir fig.7).

Les conditions aux limites de ce problème sont satisfaites en choisissant correctement les fonctions de Green. Si celles-ci ou leurs dérivées ont choisies égales

a

zéro alors le problème sera simplifié à une détermination de la distribution de la pression acoustique ou de la distribution de la vitesse particulaire sw une surface fermée.

L'équationd'Helmoltzne demandeaucune restriction sur la forme de cenesurface fermée. On peut donc imaginer une surface &s simple formée d'un hémisphère de rayon infini limité à un plan infiqi (Fig.8). En émettant l'hypothèse que la plupart des informations du champ sonore sont contenues dans une surface restreinte près de la source, le plan infini peut être tronqué et le champ sonore échantillonné en un nombre fini de points. L'interspectre G peut alors être utilisé pour calculer le champ lointain. L'équation intégrale d'Helmoltz réduit hune autre forme (vo,ir Fig. 8). exprime la prekon en champ lointain en fonction de la direction 6,,de la distance R, de la longueur d'onde h et d'une somme finle d'interspectres.

Une mesure complète des interspectres d'un point à un autre de cette surface conduit à un volume de données énorme.

n

peut être réduit en supposant que l'objet bmyant est constitué d'Ün nombre limité de sources principales partiellement corr6lées. Les mesures sont simplifiées des interspectresentre ces sources cl chaque point dans le plan de mesure. En pratique, un nombre limité de microphones de référence oud'autres types de capteurs de référence sont positionnés près de l'objet bmyant et unc ligne de microphones de balayage est deplacée sur la surface de mesiire.

... . . - - .

Si nous avons jusque là parlé de l'équation intégrale d'Helmoltz, il faut savoir que la STSF est constituée en trois méthodes : 1) l'équation intégrale d'Helmoltz

2) l'holographie en champ proche 3) la modélisation de source

L'holographie en champ proche permet de prévoir le champ sonore dans des régions situées entre l'objet bmyant et le plan de mesure et de simuler des changements. Lliolographie peut être utilisée en combinaison avec l'équation intégrale d'Helmoltz (voir Fig. 9).

La modélisation de source permet d'appliquer des corrections (atténuation) et d'en apprécier les effets sur le champ sonore.

Dans tous les cas, des cartographies iso-contours ou 3D sontproposées pour tous les descripteurs du champ sonore (pression, vitesse, intensité active et réactive) et ceci dans n'importe quel plan (voir Fig.9). La complémentarité de ces descripteurs permet l'optimisation de la recherche des origines du rayonnement d'énergie sonore ainsi que son comportement dans l'espace loin de l'objet testé.

Les moyens utilisés dans la méthode STSF sont basés sur un analyseur d'interspectres (FFT ou filtrage numérique) recevant des signaux de capteurs (microphones) par l'intermédiaire de multiplexeurs. Toutes ces informations sont gérées dans un programme pour réaliser les calculs nécessaires à l'obtention des résultats souhaités.

Ce syt&meSTSFestregroup5sous les références BRUEL& UAER 9606 et9607. Cet outil d'utilisation industriellemarqueuneavancéeénome dans la connaissance des champs sonores et le choix des solutions aux problèmes acoustiques actuels.

Conclusion :

Cet article a résumé trois étapes importantes de la mesure acoustique industrielle. Si les moyens nécessaires ont graduellement augmenté, ils deviennent les complices de l'industriel soucieux de la qualité acoustique de ses produits.

Références :

/l/TechnicaI Review Bruel& Kiaer N'Il1 989 "STSF - a uniaue techniaue for scan based Near field Acoustic Holography without restrictions - - - on coherence" by J@rgen Hald.

-

/2/ Technical Review Bruel& Kjaer Ne2/1989 "STSF - Practical instmmentation and applications" by Kevin B.Ginn and J@rgen Hald.

131 Technical Review Bmel & Kjaer NS3/1982 "Sound lntensity (Part 1 : Theory)" by S.Gade

141 Technical Review Bmel & Kiaer N-411982 "Sound lntensitv Part 2 : Instrumentation and auulicationsY bv S.Gade.

. -

/5/ "Acoustic Noise ~ e a s u r e m e k " éditions Bruel & Kjaer (2850 N a e m - DENMARK)

Niveau

acoustique

(dB)

1

Fig. 3

C2-902

COLLOQUE DE PHYSIQUE

I ^I

Fig. 5

Fig. 8

Fig. 6

Helmholtz' lntegral Equation

un: Normal component of particle velocity p : Pressure

GE.

c):

Green's function

S: Surface enclosing the source dS(C): Surface area element at r' o : Angular frequency p : Density of medium

F i g . 7

Principle of Spatial Transformation of Sound Fields

Pressure gradient or Pressure signais

'

I l

-

^{Fig. 9}