TP ACOUSTIQUE 2

TP

ACOUSTIQUE 2

TP n° 1 ACCELEROMETRE I – PREPARATION … à faire avant la séance de TP

Une masse m est suspendue à un ressort. A l’équilibre, la position de la masse est repérée par son ordonnée y₀

On allonge le ressort en tirant sur la masse. On a alors y = y0 + ∆y . Soit g l’accélération de la pesanteur.

Soit k le coefficient de raideur du ressort.

Soit f le coefficient de frottement visqueux (la force de frottement est proportionnelle à la vitesse).

1°/ Le système est en équilibre

Quelles sont les forces agissant sur la masse Ecrire la condition d’équilibre de la masse

2°/ Le système est en mouvement

Montrer que l’équation différentielle régissant la position y(t) de la masse s’écrit : d²y/dt² + 2 ξ ω0 dy/dt + ω0

2 y = ω0 2 y0

Exprimer le coefficient d’amortissement ξ et la pulsation propre ω0 .

II - ETUDE DE LA DOCUMENTATION TECHNIQUE DU CAPTEUR

Répondre aux questions posées ci-dessous, après lecture de la documentation donnée en annexe p 14.

a) Quelle est l’unité de mesure de d’accélération utilisée dans la documentation ? Donner sa correspondance en unité SI.

y = 0 y

Position de l’origine

y = 0 y

Position initiale

y0 + ∆y y0

y

Position d’équilibre y = 0

III – SIGNAL DE MESURE

Un accéléromètre ADXL213 est fixé sur la masse.

Ce capteur délivre deux signaux numériques de sortie dont les rapports cycliques sont proportionnels aux accélérations mesurées dans deux directions perpendiculaires x et y.

Dans cette application seule l’accélération verticale (axe y) est mesurée.

Le branchement du capteur est précisé sur la documentation technique d’Analog-Devices : http://www.analog.com/en/prod/0,,ADXL213,00.html

1°/ SIGNAL DE MESURE AU REPOS

Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est disponible sur le fil vert, patte 4 de l’accéléromètre.

L’accélération A mesurée est donnée par la relation : A(g) = [ (T1/T2) - 0,5) ] / 0,3 Elle est exprimée en fraction de g, g étant l’accélération de la pesanteur (9.81 m s^-2).

La masse étant en position d’équilibre, mesurer T1 et T2 à l’aide de l’oscilloscope sur le signal Yout.

En déduire l’accélération mesurée dans cette position, à quoi correspond t-elle ? Relever le chronogramme de Yout et déterminer sa période.

2°/ SIGNAL DE MESURE MASSE EN MOUVEMENT

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout à l’aide de l’oscilloscope. Commenter la variation de l’accélération a(t) ainsi visualisée.

3°/ PERIODE DES OSCILLATIONS

Déterminer avec un chronomètre un ordre de grandeur de la période T des oscillations obtenues. Pour plus de précision, réaliser la mesure sur une dizaine d’oscillations.

Accéléromètre ADXL213

Conditionneur du capteur

Conditionneur du signal

1 2 3

4

5 6 7 8

1 (blanc) 2 (rouge)

3 (jaune) 8 (rose)

6 (brun) 4 (vert)

5 (gris) 7 (bleu)

IV - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL

1°/ MOYENNEUR

Le signal Yout modulé en largeur d’impulsion par l’accélération mesurée est filtré à l’aide d’un filtre passe-bas (circuit Rf Cf) afin d’en obtenir la valeur moyenne image de l’accélération mesurée. Ainsi u(t) reproduit a(t)

Câbler le filtre Rf Cf. Vérifier que sa fréquence de coupure (1/(2π Rf Cf)) permet bien d’extraire la valeur moyenne du signal MLI de fréquence environ 1 kHz.

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution du signal Yout et de u(t) à l’aide de l’oscilloscope.

Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de u(t). Relever quelques pseudo-périodes de u(t).

2°/ PASSE HAUT

On souhaite à partir de la mesure de l’accélération, déterminer l’évolution temporelle de la vitesse et de la position de la masse.

a) Quelle opération mathématique permet de déterminer la vitesse v(t) puis la position verticale y(t) à partir de l’accélération a(t) ?

b) On sait que le signal u(t) de mesure de l’accélération possède une composante continue.

Quel problème cela pose t-il ?

c) En quoi un filtre passe haut permet-il de résoudre cette difficulté ?

3°/ MONTAGE COMPLET

Le signal MLI délivré par le capteur est conditionné avant acquisition à l’aide du circuit ci-dessous.

Le filtre passe haut CR sert à couper la composante continue avant l’acquisition.

Le suiveur sert à isoler les deux filtres de façon à régler les deux constantes de temps indépendamment l’une de l’autre.

Ecarter la masse de sa position d’équilibre (environ 10 cm), observer alors l’évolution des signaux u(t) et s(t) à l’aide de l’oscilloscope.

Utiliser la mémoire de l’oscilloscope pour observer les variations lentes de s(t). Relever quelques pseudo-périodes de s(t).

Yout

patte 4 u(t)

Rf

Cf

Rf = 39 kΩ Cf = 1 µF C = 10 µF R = 100 kΩ

Yout patte 4

Rf

Cf

C

R

s(t) u(t)

V – ETALONNAGE

1°/ On simule le signal délivré par l’accéléromètre à l’aide du générateur d’impulsions. Pour cela on fabrique à l’aide du générateur d’impulsions, un signal identique à Yout (même période et même niveaux de tension).

Appliquer ce signal à l’entrée du circuit à la place de Yout.

Mesurer la tension u(t) obtenue pour un rapport cyclique de 0,1 puis de 0,6. Ces deux valeurs seront appelées respectivement U1 et U2 .

A quelles accélérations, ces deux tensions sont-elles censées correspondre ?

2°/ Pour simuler les variations d’accélération, on fabrique maintenant à l’aide du GBF, un signal sinusoïdal de 1 Hz, variable entre ces deux valeurs U1 et U2 et on l’applique à l’entrée du filtre passe- haut.

Mesurer l’amplitude de la tension s(t).

Quelles sont les accélérations correspondant au min et au max de s(t).

En déduire la relation entre s et A sous la forme s = aA+b. Déterminer a et b. Tracer la droite.

VI – ACQUISITION

1°/ FILTRE ANTIREPLIEMENT

Lors de l’acquisition, on échantillonne le signal à une fréquence Fe.

Compte tenu de la période des oscillations, déterminer la fréquence d’échantillonnage permettant d’avoir 100 points par période.

On a la possibilité de limiter la bande passante de l’accéléromètre ADXL213 en mettant en place un filtre passe bas constitué d’une résistance de 32 kΩ et d’un condensateur externe Cy.

La fréquence de coupure de ce filtre est alors fc = 1 / (2 π.32000.Cy)

Géné d’impulsio

Rf

Cf

C

R

s(t) u(t)

C

R

s(t)

Oscilloscope à mémoire GBF

Fréquence 1 Hz Sinusoïdal min : U1

max : U2

u(t)

1 (blanc) 2 (rouge)

3 (jaune) 8 (rose)

6 (brun) 4 (vert)

5 (gris) 7 (bleu)

Filtre passe bas

On utilise ce circuit R Cy pour limiter le bruit et comme filtre anti- repliement.

Déterminer la valeur minimum de Cy permettant d’éviter tout repliement de spectre. (Cf Schannon, filtre anti-repliement (anti-aliasing)).

Pour la suite, Cy est réglée à 2 µF

2°/ CARACTERISATION DU SYSTEME

Démarrer l’ordinateur sous Windows 98.

Ouvrir Accel12 disponible sur le bureau de l’ordinateur.

Puis ouvrir rep-imp-buf2.vi

Sur la face avant du vi, reporter les coefficients a et b trouvés précédemment (Cf § V 2).

Ecarter vers le bas la masse de sa position d’équilibre (quelques cm), et lancer le vi.

Relever la pseudo-période Tps des oscillations et le décrément logarithmique δ. En déduire la pulsation propre ω0 et le coefficient d’amortissement ξ

Sachant que la masse est m = 2 ,184 kg ou m =

Déterminer le coefficient de raideur k du ressort et le coefficient f de frottements visqueux.

Tps = = 2π/ [ ω0 √ ( 1 - ξ²) ]

δ = ln (D1/D2) = 2πξ / √ ( 1 - ξ²) ≈ 2πξ si ξ <<1

ω0 = √ (k/m) f = 2 ξ √ (mk)

TP n° 2 CATT Acoustique

ATTENTION : Lors de la première utilisation du logiciel de démo, vous devez procéder à une installation. Ne surtout pas donner un chemin d’installation

sur le disque dur des ordinateurs :

Vous devez installer sur votre espace perso du réseau et créer un répertoire CATT : Z:/CATT/

I – CREATION D’UN NOUVEAU PROJET Lancer le logiciel CATT Acoustique

Sélectionner Utilities/Create a New Project.

Cliquer sur OK entraîne la création automatique des fichiers suivants : MASTER.GEO fichier décrivant la géométrie de la salle

REC.LOC fichier définissant la position des récepteurs

SRC.LOC fichier définissant la position et les caractéristiques des sources GEO.PRD

PROJECT.TXT

II – GEOMETRIE DE LA SALLE

La salle considérée est de forme parallélépipèdique.

Cliquer ici pour créer un répertoire TP Acou sur votre espace personnel

Nommer le projet TP1 par exemple

O - w/2

+ w/2 h

d

Cliquer sur Geo File

Cela ouvre un éditeur de texte

Cliquer ici, cela ouvre cette boite de dialogue

Ouvrir le fichier Master

Modifier ce texte comme ci-dessous pour décrire la salle simulée :

;MASTER.GEO

;constant declarations

LOCAL h = 8 ;hall height in m LOCAL w = 10 ;hall width GLOBAL d = 24 ;hall depth

;absorption and scattering coefficients 125Hz to 4kHz [%], optional RGB-color ABS audience = <40 50 60 70 80 80> L <30 40 50 60 70 80> { 255 0 0 } ABS wood = <15 13 10 9 8 7> L <30 30 30 30 30 30> { 255 255 0 }

;Notes:

;- if 8k and 16k values are known they can be given after

; a colon as in <15 13 10 9 8 7 : 7 8 > otherwise they

; are extrapolated from 2k and 4k values.

;- RGB-color is optional, one will be auto generated if not given.

;- scattering coefficients are optional (but strongly recommended)

; if not given the default values in General settings will be used CORNERS

;floor corners 1 -w/2 0 0 2 -w/2 d 0 3 w/2 d 0 4 w/2 0 0

;ceiling corners 11 -w/2 0 h 12 -w/2 d h 13 w/2 d h 14 w/2 0 h PLANES

[1 floor / 4 3 2 1 / audience ] [2 ceiling / 11 12 13 14 / wood ] [3 stage wall / 1 11 14 4 / wood ] [4 rear wall / 3 13 12 2 / wood ] [5 left wall / 2 12 11 1 / wood ] [6 right wall / 4 14 13 3 / wood ] Sauvegarder le fichier MASTER.GEO

Remarque :

ABS audience = <40 50 60 70 80 80> L <30 40 50 60 70 80> { 255 0 0 }

Déclaration et initialisation des variables : - h : hauteur

- w largeur - d : profondeur

Coordonnées du plafond

Coordonnées du plancher

Définition des différentes surfaces des parois : Nom/numérotation des angles/type de surface

O 4

1

2 3

11

12 13

14

Commentaires

Définition des matériaux

Nom du matériau Coefficients d’absorption à différentes fréquences :

125,250,500,1k,2k,4k : 8k, 16k Hz

Coefficients de diffusion à différentes fréquences :

Couleur de la surface

III – LE RECEPEUR ET LA SOURCE 1°/ RECEPTEUR

Dans l’éditeur de texte, modifier le fichier REC par défaut pour avoir :

;REC.LOC RECEIVERS 1 -3 d-4 1.3

Sauvegarder ce fichier

Cliquer ici, cela ouvre cette boite de dialogue

Ouvrir le fichier REC

Coordonnées position du récepteur

N° du récepteur

2°/ SOURCE

Dans l’éditeur de texte, modifier le fichier SRC par défaut pour avoir :

;SRC.LOC

LOCAL src_z = 1.7 SOURCEDEFS

;id --pos x y z-- directivity -- aim point (has no effect with omni) -- A0 1.0 1.7 src_z OMNI 1.0 3.7 src_z

Lp1m_a = <70 73 76 79 82 95> ; SPL at 1m on the source axis 125 Hz to 4 kHz

Sauvegarder ce fichier.

Ouvrir le fichier SRC

Cliquer ici, cela ouvre cette boite de dialogue

Déclaration et initialisation variable z

Position coordonnées de la source

Nom de la source

Caractéristiques fréquentielle de la source

Directivité

Coordonnées du point de vue Non pris en compte si omni

3°/ GENERAL SETTINGS

IV – PLOT FILE VIEWER

Apparaît alors une vue 3D de la salle. Tester les différentes vues possibles.

Remplir les chemins Nommer le projet Cliquer ici ouvre la

fenêtre

Tester les

différents boutons

Puis cliquer ici

Cliquer ici pour passer d’une vue à l’autre

Coef d’absorption

par bande d’octave Coef de diffusion par bande d’octave

Courbe correspondante Pour changer

de paroi

V – EXERCICE 1

1°/ INFLUENCE DU VOLUME

a) Pour les différentes salles dont les dimensions sont données ci-dessous, calculer A, le RT60 à 1 kHZ donné par la formule de Sabine : RT60 = 0,16V/A et la fréquence de Schroëder.

b) Déterminer par la simulation le temps de réverbération RT60 de Sabine, le T30 et la fréquence de Schröeder.

Les dimensions de la salle sont changées dans le fichier MASTER.GEO.

Salle 1 : 8x10x24 Salle 2 : 2,2x4x5 Salle 3 : 8x17x30

2°/ INFLUENCE DE L’ABSORPTION

a) Pour la salle 3 changer la nature du revêtement de sol : totabs, totref, audience, wood. calculer A, le RT60 à 1 kHZ et la fréquence de Schroëder .

b) Déterminer par la simulation le temps de réverbération RT60 de Sabine, le T30 et la fréquence de Schröeder.

NOTE :

La fréquence séparant le comportement résonant et le comportement réverbérant d’une pièce est appelée fréquence de Schröeder, elle est donnée par : fs = 3c/L

Où c est la vitesse du son dans l’air et L est la plus petite dimension caractéristique du local.

La fréquence de Schröeder peut aussi s’exprimer en fonction du temps de réverbération RT60 : fs = 2000 √ (RT60/V)

V étant le volume de la pièce, les deux formules donnant à peu près les mêmes résultats.

Le T-30 permet de chiffrer la durée des réverbérations tardives. On le mesure de la façon suivante :

30 dB

On a : RT-30 = 2 ∆t Lp

5 dB

Procédure :

VI – SIMULATION SOURCE RECEPTEURS : Predict SxR

Il s’agit de produire le calcul de divers paramètres tels que le T-30, les échogrammes et les réponses impulsionnelles de la salle en fonction de la position de la source et du récepteur.

Pour cela, il faut cliquer sur Save CAG and Run. Cela lance le logiciel TUCT (The Universal Code Tracing) réalisant les calculs.

Lancer la simulation

Lancer le tracé de RT (Reverberation Time)

Changer la nature des parois. Le choix de la paroi concernée se fait au-dessus

La fenêtre suivante apparaît alors :

Lancer le calcul, cela ouvre une fenêtre TUCT

Puis cliquer ici …

… Puis cliquer sur Run

On choisit ici les différents graphiques

Permet une écoute d’un son wav

VII - EXERCICE 2

1°/ ANALYSE DES RESULTATS

Relever et comparer le T-30 et le STI de la salle 3 dans les conditions suivantes : - Sol et mur du fond totalement réverbérants.

- Sol Audience et mur du fond bois.

Comparer également les réponses impulsionnelles et déterminer les instants auxquels se produisent les premières réflexions. Les courbes peuvent être sauvegardées au format bitmap.

Ecouter le son wav audible à la position du récepteur pour les deux cas proposés.

2°/ AUTRE ECHOGRAMME, VISUALISATION DES SOURCES SECONDAIRES La procédure ci-dessous permet d’obtenir un autre échogramme dans TUCT :

3°/ VISUALISATION DES FRONTS D’ONDES

Réaliser la procédure ci-dessous et exporter la vidéo.

Choisir l’ordre des sources- images

Etudier et commenter les diverses possibilités offertes ici par le logiciel

4°/ PIXEL RENDERING SURFACE RENDERING Tester ces deux menus dans TUCT.

VIII – EXERCICE 3

Relever et comparer les réponses impulsionnelles des salles suivantes : Salle A : Gymnase : 40*70*5

Salle B : Couloir : 3*70*5

Salle C : Petit réfectoire : 5*7*10

Examiner les premières réflexions : Déterminer les instants où elles se produisent, déterminer la distance parcourue par l’onde correspondante, vérifier par rapport aux dimensions de la salle.(Cf TD). Comparer et commenter.

Pour passer d’une image à l’autre

Pour exporter une vidéo

TP n° 3 TP SONOMETRE (1h30)

I – PRESENTATION DU SONOMETRE CYRUS

1°/ CARACTERISTIQUES

L’appareil dispose d’une seule gamme de mesures de 20 dBA à 143 dBC (Crête) soit une étendue d’environ 120 dB.

Trois fenêtres temporelles sont possibles : LAF pour Fast, LAS pour Slow et LAI pour Impulse.

L’utilisation de l’appareil se déroule en trois étapes : Calibration, Enregistrement, Consultation des mesures.

Il est aussi possible d’exporter les mesures dans un PC avec l’utilisation du logiciel NoiseTools.

2°/ REGLAGES INITIAUX Date et heure

Langue

Taux d’échantillonnage : Menu/Options de Stockage/Taux Echantillonnage

Taux possibles : 2s, 1s, ½ s, ¼ s, 1/8 s, 1/16 s, 1/100 s Pondération temporelle : Menu/Options/Pond. Temps. (F, S ou I)

Effacement de la mémoire : Menu/Effacer la Mémoire

Attention, l’effacement est définitif, télécharger les données dans

NoiseTools auparavant.

3°/ VUE D’ENSEMBLE

4°/ MODULES

Pendant une mesure l’instrument enregistre et stocke les données de tous les modules simultanément.

Les vues des modules sont accessibles par les flèches gauche et droite

A l’intérieur d’un module, les différentes pages sont accessibles par les flèches haute et basse.

5°/ CALIBRATION

Le niveau de bruit ambiant doit être inférieur à 80 dBA Le sonomètre doit être équipé de son micro.

Insérer délicatement et complètement le micro dans le calibrateur. Ne pas obstruer l’orifice à la base du tube du microphone.

Allumer l’appareil Attendre 3s minimum

Presser calibrer sur le sonomètre Attendre 5 s

Le message : Calibré à …. dB

Correction de …. dB => Presser OK Annuler pour revenir en mode mesure.

6°/ PREMIERES MESURES Presser mesurer

Note vocale / Parler => Cela autorise au maximum 30 s de notes vocales Note vocale / Passer => Pas de note vocale associée à la mesure.

Quand la mesure débute, l’appareil mesure et enregistre toutes les données acoustiques. On peut ainsi passer d’un affichage à l’autre pendant la mesure.

Mesure Stoppée => Mode résultats. On peut alors consulter les différents modules. (Cf I – 4°/)

II – MESURE SIMPLE

1°/ SOURCE SONORE Lancer le logiciel Audacity.

Menu Piste/ajouter nouvelle/piste mono

Menu Générer/son : On choisira une sinusoïde à 500 Hz puis un signal carré Menu Générer/bruit : On sélectionnera un bruit blanc

La sortie audio de l’ordinateur est relié à une paire d’enceintes amplifiées servant ainsi de source sonore.

2°/ MESURE SOURCE SINUS 500 Hz

Fermer les portes de la salle

Démarrer la mesure après avoir enregistré une note vocale précisant : « nom, type de source, salle »

Le sonomètre doit être placé à une distance supérieure au rayon acoustique de la salle de façon à

3°/ MESURE SOURCE CARREE 500 Hz Suivre la même procédure

4°/ EXPORTATION DES MESURES

Connecter le sonomètre au PC grâce à son câble USB.

Lancer le logiciel NoiseTools.

Télécharger les mesures.

On peut alors éditer les rapports, en particulier résumé et octave.

5°/ EXPLOITATION a) Source sinusoïdale

Relever les valeurs de Leq obtenue lors de la mesure en bande d’octave.

Conclure.

b) Source carrée

Relever les valeurs de Leq obtenue lors de la mesure en bande d’octave.

Comparer par rapport au cas de la source sinusoïdale. Conclure.

III – MESURE DE TEMPS DE REVERBERATION Sonomètre VELLEMAN

On mesure le temps de réverbération à différents endroits dans le bâtiment MP : - Hall d’entrée

- Escalier

- WC

Pour cela on enregistre le niveau de pression sonore obtenu suite à une impulsion sonore (clap de mains).

Cet enregistrement se réalise en connectant le sonomètre à l’ordinateur portable via le port USB.

On enregistrera les L

avec une pondération temporelle Fast.

PC portable : Login : mp Password : mp Lancer le logiciel 8852 du sonomètre.

Choisir le bon port com :

com3

Etablir la connexion en mettant en route le sonomètre, puis en appuyant sur setup du sonomètre

Fixer la période d’échantillonnage à 0,1 s

Lancer l’enregistrement, puis arrêter

Exporter les données en fichier excel ou

texte

Connecter le sonomètre puis appuyer sur son bouton setup Sonomètre sur com3

Période d’échantillonnage 0,1 s

Reprendre les données exportées en fichier excel sous OpenOffice : Menu File/export data

Attention : ne pas utiliser « Save as » car cela crée un fichier texte et non un fichier tableur.

Apporter les modifications nécessaires : - problème du point ou de la virgule

- t = 0 début de l’impulsion pour tous les enregistrements

Tracer les courbes obtenues dans les trois salles sur le même graphique.

Déterminer le RT-60 et/ou le T-30 à partir de ces enregistrements. Commenter.

TP n° 4 TP GAIN D’ISOLATION : 1h30

I – PRINCIPE

On souhaite caractériser le gain d’isolation phonique de divers matériaux.

Pour cela on dispose d’un caisson d’isolation pour réaliser les mesures acoustiques.

Le caisson est constitué d’un étage d’émission et d’un étage de réception séparés par une étagère sur laquelle on place le matériaux à caractériser.

Les parois du caisson sont recouvertes d’une mousse alvéolaire permettant d’atténuer l’influence des bruits extérieurs sur la mesure et de réduire le volume sonore à l’extérieur. Cette mousse permet aussi de réduire les reflexions sur le parois.

La caractérisation du gain d’isolation phonique est réalisée en deux temps :

Une première mesure sans le matériau : Elle permet de définir le comportement du caisson en fonction de la fréquence

Une deuxième mesure réalisée avec le matériau déposé sur l’étagère permet de définir le comportement de l’ensemble caisson + matériau.

Par différence, on détermine le gain d’isolation brut procuré par le matériau en fonction de la fréquence.

Les mesures peuvent être réalisées manuellement à l’aide d’un GBF et d’un oscilloscope ou piloté par l’application ISAC 01 disponible sur le réseau : applis/acoustique

II – ISAC 01

La face avant de ISAC 01 permet de régler les paramètres suivants :

Gamme de fréquence : Fréquence début : 100 Hz Fréquence Fin : 10 000 Hz Nombre de mesures dans la gamme : 100

La forme d’onde du signal : Sinusoïde Le signal

III – MESURES

Lancer l’application et suivre les instructions apparaissant dans les boites de dialogues.

L’application laisse la possibilité de sauvegarder les données en fichier tableur afin de les exploiter avec OpenOffice en vue de la rédaction du compte-rendu.

III – MANIPULATION

Tracer les gains d’isolation brut des différents matériaux en fonction de la fréquence.

Matériau 1 : Matériau 2 : Matériau 3 :

Comparer et conclure.

Attention : Le couvercle du caisson doit être manipulé à deux.