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Acoustique musicale

Définition, enjeux

L’acoustique entretient des relations anciennes avec la musique. Les études relevant de l’acoustique musicale concernent

– la physique des instruments de musique grâce à l’analyse de leur fonctionnement acoustique,
– l’analyse et la synthèse de sons utilisés en musique.

Physique des instruments de musique

Les différentes familles d’instruments de musique tirent partie de mécanismes physiques souvent complexes et subtils : mécanisme de friction entre une corde et un archet (cas d’un violon), instabilité d’un jet d’air au voisinage d’un biseau (cas d’une flute), impact d’un maillet sur une membrane (timbales, caisse claire, …), pour ne citer que quelques exemples.

Fig. 1 : mode vibratoire d’une harpe de concert (document LAUM)
mode vibratoire d’une harpe de concert (document LAUM)

Analyse et synthèse de sons musicaux

L’analyse des sons musicaux met en jeu des techniques de traitement du signal permettant de définir des caractéristiques, liées le plus souvent à une description de l’évolution au cours du temps du contenu fréquentiel des sons (figure 2). La synthèse des sons musicaux permet d’une part de restituer des sons reproduisant au mieux le timbre d’un instrument de musique, d’autre part de créer des sons nouveaux pour la création musicale. La restitution des sons d’instruments peut être réalisée à l’aide de la synthèse par modèle physique ou par reconstruction à partir de sons échantillonnés. La création de nouveaux sons peut faire appel aux différents types de synthèse existants.

Analyse temps-fréquence d’un son de piano (Document Telecom ParisTech)
Analyse temps-fréquence d’un son de piano (Document Telecom ParisTech)

Enjeux

L’acoustique musicale permet d’une part de comprendre la physique des instruments de musique et transposer ces connaissances à d’autres domaines d’applications (par exemple la propagation du son dans les conduits tels que les pots d’échappement), d’autre part d’aider les facteurs d’instruments à concevoir et évaluer leurs instruments, enfin à proposer de nouveaux sons pour la création musicale grâce aux outils d’analyse et de synthèse du son.

Outils, méthodes

Moyens de mesure

L’utilisation de moyens de mesure comme les microphones, les accéléromètres, les vibromètres laser, les caméras rapides permettent de mesurer l’état vibratoire et acoustique d’un instrument (cf. figure 3). Ils permettent d’assurer le contrôle des paramètres acoustiques sur un instrument (fréquence de résonance par exemple).

FicheAcoustiqueMusicale_4

Caractérisation d’instruments à vent à l’aide d’une bouche artificielle (a) et à cordes à l’aide du système Lutherie tools (a). Documents LAUM
Caractérisation d’instruments à vent à l’aide d’une bouche artificielle (a) et à cordes à l’aide du système Lutherie tools (a). Documents LAUM

Moyens numériques

L’utilisation de moyens de calculs permet

  • de réaliser le calcul des caractéristiques d’un corps d’instrument et de vérifier les valeurs des fréquences de résonance qui déterminent en grande partie la justesse de l’instrument.
  • de prédire le comportement de structures vibrantes par des techniques numériques. Vidéo : exemple d’étude sur la guitare.
  • de calculer les solutions des modèles physiques pour évaluer la pertinence du modèle (en comparant aux résultats de mesure)
  • de produire des sons de synthèse utilisées pour la création musicale ou d’analyser des sons existants

Missions de l’acousticien

L’acousticien contribue au développement des outils de modélisation, de mesure et de calcul numérique qui, d’une part, permettent d’aider les facteurs d’instruments à améliorer la qualité des instruments produits, d’autre part les compositeurs à disposer de nouveaux outils de création sonore.

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Etude de la physique des instruments de musique et de leur facture, de la voix chantée, du jeu instrumental...

Bâtiment

Définition, enjeux

L’acoustique du bâtiment est l’ensemble des sciences et techniques qui permettent de prévoir, mettre en oeuvre et contrôler le confort acoustique au sein des logements et des lieux de travail.

enjeux de l'acoustique du bâtiment : réduire les bruits extérieurs, du voisinage (aérien, impact) et contrôler l'acoustique interne de la pièce.
enjeux de l’acoustique du bâtiment : réduire les bruits extérieurs, du voisinage (aérien, impact) et contrôler l’acoustique interne de la pièce.

Outils

La réglementation

Le confort acoustique est défini, pour les lieux de vie, par la réglementation acoustique qui spécifie deux grandes familles d’obligations

  • les obligations en terme d’isolement (aérien, solidien) acoustique
  • les obligations en terme de correction acoustique (temps de réverbération du local)
isolement au bruits aériens
isolement au bruits aériens
isolement aux bruits d'impact
isolement aux bruits d’impact

Les normes

Les normes définissent les méthodes de calcul et de mesure qui doivent être utilisées pour contrôler que les solutions mises en oeuvre conduisent au résultat escompté.

Moyens de calcul et de mesure

L’acousticien dispose de moyens de calcul (à la main ou par logiciel) et de mesures (sonomètre, …) pour prévoir et contrôler l’efficacité des solutions acoustiques.

Méthodes

L’acoustique du bâtiment met en oeuvre trois familles de méthodes.

  • Les mesures en laboratoire : elles permettent de caractériser les performances des solutions technologiques (matériaux absorbants, cloisons pour l’isolement).
  • Les prévisions du comportement des matériaux. Aujourd’hui des logiciels spécialisés permettent de prédire les performances des matériaux en terme d’isolement ou de absorption de l’énergie sonore.
  • Le contrôle in situ.
    – Avant la mise en place de solutions acoustiques dans les bâtiments, l’acousticien réalise un ensemble de mesures (suivant les normes) pour diagnostiquer l’état acoustique du lieu à traiter (niveau de bruit résiduel, puissance acoustique de machines, …)
    – Après la mise en place de solutions acoustiques dans les bâtiments, l’acousticien réalise un ensemble de mesures (suivant les normes) pour contrôler que la réglementation acoustique est respectée.
exemple de cartographie de niveau sonore par logiciel de prédiction.
exemple de cartographie de niveau sonore par logiciel de prédiction.

Missions de l’acousticien

Les missions de l’acousticien consistent à

  • identifier le besoin du client ce qui permet de définir le cahier des charges,
  • diagnostiquer l’état du lieu ou du bâtiment (bruit de fond, temps de réverbération) par la mesure,
  • proposer un ensemble de solutions dont les performances sont vérifiées par des outils de prédiction (calcul, logiciel),
  • suivre la mise en place des solutions sur le terrain,
  • vérifier que les solutions mises en oeuvre satisfont la réglementation,
  • Rédiger un rapport technique et finaliser l’étude.
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Etude et amélioration du confort acoustique des logements et lieux de travail

Salles

Définition, enjeux

L’acoustique des salles est l’ensemble des sciences et techniques qui permettent de prévoir, mettre en oeuvre et contrôler la qualité acoustique au sein de salles de spectacle ou de conférences.

vue d'une salle de concert
vue d’une salle de concert

Outils

Indicateurs de qualité acoustique

La qualité acoustique d’une salle de spectacle est l’élément primordial. Elle est déterminée

  • par l’isolement acoustique de la salle vis à vis des bruits extérieurs (comme pour l’acoustique du bâtiment)
  • par la perception des sources sonores présentes dans la salle.

Aussi, il est très important de définir des indicateurs de qualité sonore. Ces indicateurs sont issus d’études portant sur la perception humaine (psychoacoustique). Ils sont classés en deux familles, les indicateurs subjectifs et les indicateurs objectifs (calculables, mesurables)

Indicateurs subjectifs Indicateurs objectifs
« Reverberance » : réverbérance, évaluation subjective du phénomène de réverbération ; Temps de réverbération (TR)
« Loudness » : puissance sonore ; Force sonore (G)
« Spaciousness » : sensation d’espace et d’enveloppement sonore ; la proportion de réflexions précoce parvenant latéralement à l’auditeur
« Clarity » : clarté ou transparence ; le rapport de l’énergie sonore précoce sur l’énergie sonore tardive (C80)
« Intimacy » : intimité, sensation de proximité sonore ; le retard temporel de la première réflexion parvenant à l’auditeur
« Warmth » : chaleur apportée par la coloration des timbres par la salle ; le rapport du TR en basses fréquence sur le TR dans les médiums
« Hearing on stage » : aptitude pour les musiciens (donc dans le contexte d’une salle de concert uniquement) à s’entendre correctement Divers critères
Tableau 1 : Indicateurs subjectifs et objectifs décrivant la qualité sonore d’une salle.

Moyens de calcul et de mesure

L’acousticien dispose de moyens de calcul et de mesures pour prévoir et contrôler la qualité sonore des salles. Les logiciels (cf. exemple figure 1) permettent aujourd’hui, à partir de la géométrie de la salle et des matériaux disposés sur les surfaces, d’évaluer les indicateurs.

simulation de la réponse d'une salle
simulation de la réponse d’une salle

Moyens de calcul et de mesure

L’acousticien dispose de moyens de calcul (à la main ou par logiciel) et de mesures (sonomètre, …) pour prévoir et contrôler l’efficacité des solutions acoustiques.

Méthode

L’acoustique des salles met en oeuvre trois familles de méthodes.

  • Les mesures en laboratoire : elles permettent de caractériser les performances des solutions technologiques (matériaux absorbants, cloisons pour l’isolement).
  • Les prévisions du comportement des matériaux. Aujourd’hui des logiciels spécialisés permettent de prédire les performances des matériaux en terme d’isolement ou de absorption de l’énergie sonore.
  • Le contrôle in situ.
    – Avant la mise en place de solutions acoustiques dans les bâtiments, l’acousticien réalise un ensemble de mesures (suivant les normes) pour diagnostiquer l’état acoustique du lieu à traiter (niveau de bruit résiduel, puissance acoustique de machines, …)
    – Après la mise en place de solutions acoustiques dans les bâtiments, l’acousticien réalise un ensemble de mesures (suivant les normes) pour contrôler que la réglementation acoustique est respectée.

Missions de l’acousticien

Les missions de l’acousticien consistent à

  • identifier le besoin du client ce qui permet de définir le cahier des charges,
  • diagnostiquer l’état du lieu ou du bâtiment (bruit de fond, temps de réverbération) par la mesure,
  • proposer un ensemble de solutions dont les performances sont vérifiées par des outils de prédiction (calcul, logiciel),
  • suivre la mise en place des solutions sur le terrain,
  • vérifier que les solutions mises en oeuvre satisfont le cahier des charges,
  • Rédiger un rapport technique et finaliser l’étude.
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Etude et amélioration du confort acoustique au sein des salles de spectacle, de conférence, ...

Habitacles

Définition, enjeux

L’acoustique des habitacles est l’ensemble des sciences et techniques qui permettent de prévoir, mettre en oeuvre et contrôler le confort acoustique dans les habitacles des moyens de transport. Cela touche aux problèmes de gênes acoustique et vibratoire ainsi qu’à la qualité d’écoute (parole, musique) au sein de l’habitacle.

Outils

Indicateurs de confort

Le confort acoustique au sein d’un habitacle est déterminé par la gêne produite par les bruits et vibrations résiduels et par la qualité d’écoute des signaux diffusés par les haut-parleurs (parole, musique). La gêne perçue par le passager dépend de la perception humaine des sons et des vibrations. La qualité d’écoute est liée à la réponse des haut-parleurs ainsi qu’à celle de l’habitacle, salle de très petite dimension. Les indicateurs de gêne acoustique utilisés à ce jour sont [1], [2] :

  • la rugosité des sons (pour les sons basses fréquences)
  • la fréquence et le niveau sonore (lié à la vitesse)
  • le tristimulus

Les indicateurs de gêne vibratoire connus à ce jour sont [3]
Les indicateurs de qualité acoustique sont issus d’études de psychoacoustique sur les haut-parleurs et concernent la réponse du système électroacoustique dans les bandes de fréquences grave-médium-aigü [4].

Outils de mesure et de calcul

Les outils de mesure et calcul concernent l’étude de la transmission du bruit et des vibrations d’une part, celle des sources de bruit interne, et enfin celle de l’acoustique interne d’autre part.

Transmission du bruit et des vibrations

Il est possible de prévoir et mesurer la transmission du bruit à travers les parois constituant l’habitacle à l’aide de logiciels spécifiques et de mesure de transparence acoustique réalisées au sein de salles d’essais spécifiques.

Sources de bruit interne

Les sources de bruit interne sont caractérisées par leur puissance acoustique, déterminée par des mesures spécifiques en salles réverbérante ou anéchoïque selon des normes particulières.

Acoustique interne

L’acoustique interne de l’habitacle, contrairement aux salles de concert, montre des résonances dans la gamme de fréquence audible du fait de ses petites dimensions. Ainsi la qualité d’écoute dépend du point d’écoute pour les fréquences graves. L’acoustique interne peut être prévue par des logiciels adaptés (éléments finis ou éléments de frontière pour les basses fréquences, tirs de rayon pour les hautes fréquences) et peut être contrôlée par des mesures de réponses électroacoustiques.

Méthodes

Gêne acoustique et vibratoire

Les méthodes mises en oeuvre pour réduire la gêne sont

  • l’identification des sources de bruit et de vibration (bruit et vibrations du moteur, bruit de roulement, bruit aérodynamique, ventilation)
  • l’identification des chemins de transmission par calcul ou mesure
  • la réduction du bruit à la source et/ou par les voies de transmission

Confort d’écoute

Le confort d’écoute est amélioré à l’aide des méthodes suivantes

  • étude de la réponse du système électroacoustique seul (haut-parleurs), de l’habitacle seul et de l’ensemble
  • corrections éventuelles (réponse et position des haut-parleurs, matériaux de l’habitacle)

Missions de l’acousticien

Dans le cadre des travaux d’amélioration du confort acoustique et vibratoire au sein d’un habitacle, les missions de l’acousticien sont nombreuses et complexes. Il peut être amené à

  • utiliser des logiciels spécifiques pour prévoir la transmission du bruit et des vibrations et pour connaître la réponse acoustique interne
  • utiliser des moyens de mesure spécifiques (intensimétrie acoustique, holographie acoustique) au sein de salles d’essai (réverbérante, anéchoïque)
  • préconiser et valider des modifications pour limiter la gêne
  • préconiser et valider des modèles et des positions de haut-parleurs au sein de l’habitacle
  • travailler en relation avec des personnes posssédant d’autres compétences pour mettre en place de nouvelles solutions (choix de matériaux, conception de géométrie, …)

Références

[1] V Bao, Identification par calcul des sources moteur et impact sur la qualité sonore, Acoustique & Techniques n° 30, pp 15-24, 2002.
[2] P-E Gautier, F Poisson, F Foy, Les enjeux actuels des recherches en acoustique et vibrations dans le domaine ferroviaire, Acoustique & Techniques n° 37, pp 6-11, 2004.
[3] M Amari, Etude du confort vibro-acoustique automobile en simulateur, thèse de doctorat, Institut National des Sciences Appliquées, Lyon, 2009.
[4] M Lavandier, S Meunier, P Herzog, Identification of some perceptual dimensions underlying loudspeaker dissimilarities, J. Acoust. Soc. Am., 123 (6), pp. 4186-4198, 2008.

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Etude et amélioration du confort acoustique dans les habitacles de voitures, d'avions, de trains...

Electro-acoustique

Définition, enjeux

Electroacoustique

L’électroacoustique est la branche de l’acoustique se rapportant aux techniques de production, de transmission et d’enregistrement de signaux électriques porteurs d’informations relatives à des signaux acoustiques, ainsi qu’aux techniques de reproduction des signaux acoustiques par des moyens électriques (cf. figure 1).

Schéma de principe des éléments de l'électroacoustique
Schéma de principe des éléments de l’électroacoustique

Sonorisation

La sonorisation est une branche de l’électroacoustique. Elle vise généralement à renforcer d’une ou plusieurs sources sonores inégales dans un lieu afin de leur permettre d’être correctement entendues par un large auditoire. L’objectif de la sonorisation est de diffuser une information sonore avec la même intensité et la même qualité en tout point d’un auditoire.

Prise de son

La prise de son est une branche de l’électroacoustique. Elle vise à enregistrer un espace sonore sur un support de façon à reproduire au mieux cet espace dans des conditions d’écoutes artificielles (sur enceintes, au casque).

Outils

Sonorisation

La sonorisation met en œuvre

  • la captation du son par des microphones ou capteurs spécifiques
  • Le traitement des signaux électriques
    – modification du son (intensité, hauteur, timbre)
    – amplification des signaux électriques
  • la diffusion du son par des haut-parleurs

L’ensemble de ces opérations est mis en œuvre dans la « chaîne son » (cf. figure 2)

principe de la "chaîne son"
principe de la « chaîne son »

Le choix et la disposition des systèmes de diffusion importe beaucoup, notamment pour des auditoires de grandes dimensions. Les systèmes utilisés aujourd’hui sont les réseaux de haut-parleurs (line array) (figure 3) permettant de couvrir un large auditoire avec un niveau constant (cf. figure 4). Ces systèmes permettent d’obtenir une bonne qualité sonore dans une salle en s’affranchissant partiellement des effets acoustiques dûs à la salle.

Vue du niveau sonore généré par un réseau de haut-parleurs. En haut : coupe verticale En bas : coupe horizontale au niveau des oreilles des auditeurs.
Vue du niveau sonore généré par un réseau de haut-parleurs.
En haut : coupe verticale
En bas : coupe horizontale au niveau des oreilles des auditeurs.

Prise de son

Principe

La prise de son met en oeuvre

  • La préparation éventuelle de l’environnement de prise de son, c’est à dire
    – La mise en situation des sources sonores (placement des sources en studio d’enregistrement ou en salle de concert adaptée à l’enregistrement)
    – Le traitement éventuel du lieu (ajout de panneaux, de matériaux absorbants ou diffusants)
  • La captation du son par des microphones ou des capteurs spécifiques
  • L’enregistrement des signaux sur un support analogique (rarement aujourd’hui) ou numérique (disque dur)
  • Le post-traitement (mixage et mastering) des multiples signaux pour la réalisation du master (en stéréophonie généralement)
principes généraux de la prise de son.
principes généraux de la prise de son.

electroacoustique-6

Familles

On distingue deux grandes techniques de prise de son (cf. figure 6)

  • la prise de son au couple stéréophique ou par les systèmes 5.1.
  • la prise de son multimicrophones.

La première technique consiste à placer 2 ou 5 microphones devant la source sonore (à une distance de l’ordre d’un ou plusieurs mètres) façon à ce que l’image sonore diffusée à l’auditeur soit la plus fidèle possible à l’image sonore réelle. Les paramètres de réglage sont les positions des microphones les uns par rapport aux autres et par rapport à la source. La technique de prise multimicrophonique consiste à utiliser un ou plusieurs microphones à proximité d’une source sonore. Par exemple pour une clarinette basse, il est possible d’utiliser trois microphones. L’ensemble des signaux enregistrés est ensuite stocké puis retraité pour créer une image sonore stéréophonique de façon artificielle.

techniques de prise de son (à gauche : au couple, à droite : multimicrophonique).
techniques de prise de son (à gauche : au couple, à droite : multimicrophonique).
Exemple de prise de son multimicrophonique pour une clarinette basse.
Exemple de prise de son multimicrophonique pour une clarinette basse.

Paramètres influents

  • Le choix et la position des capteurs importe beaucoup dans la qualité de la prise de son. Ces paramètres dépendent essentiellement des propriétés de la source captée (gamme de fréquence, niveau, dynamique, directivité) et peuvent dépendre du lieu de prise de son (effets acoustiques de la salle).
  • Les actions de post-traitement (correction de hauteur, placement des notes au tempo, ajout d’effets tels que les filtres, la réverbération, les compresseurs, …) permettent de compenser les défauts de prise de son ou d’interprétation musicale. L’image finale est en grande partie déterminée par ces actions.

Evolutions, perspectives

En sonorisation

Les systèmes de sonorisation ultradirectifs, basés sur des haut-parleurs dits « antennes paramétriques » commencent à faire leur apparition. Ces haut-parleurs seront à l’avenir peut être utilsés dans certains environnements pour focaliser l’énergie acoustique sur une zone particulière.

En prise de son

Les systèmes de prise de son 5.1 ont fait leur apparition il y a quelques années. Parallèlement, des recherches sont menées sur l’holophonie…

Missions de l’acousticien

De façon générale, les missions de l’acousticien consistent

  • à concevoir les systèmes de prise de son (microphones, capteurs) et de restitution (haut-parleurs, enceintes),
  • à caractériser les propriétés de ces systèmes à l’aide de mesures spécifiques (directivité, sensibilité, efficacité)

En sonorisation

Dans le cas de systèmes installés de façon définitive, les missions de l’acousticien consistent à définir les implantations de ces systèmes qui permettront d’optimiser la qualité sonore au niveau de l’auditoire.Pour les systèmes de sonorisation installés pour un événement particulier, ils ne sont pas pris en charge par les bureaux d’étude en acoustique mais par les acousticiens ou sonorisateurs des entreprises de sonorisation.

En prise de son

Dans le domaine de la prise de son, la mission de l’acousticien consiste

  • à proposer des traitements acoustiques de lieux permettant de créer une ambiance acoustique particulière,
  • dans le cadre des techniques de prise de son innovantes (holophonie, Wave Field Synthesis), à proposer de nouveaux traitement des signaux pour restituer le paysage sonore de façon réaliste, en s’appuyant sur les équations de l’acoustique.
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Etude des haut-parleurs et microphone. Etude et réalisation d'enceintes acoustiques et de systèmes de prise de son. Développement de système de sonorisation spécifiques en milieu réverbérant.

Contrôle non destructif

Définition, enjeux

Le contrôle non destructif (CND) est un domaine interdisciplinaire qui vise à diagnostiquer l’état de santé des matériaux et structures dans des contextes industriels.

L’évaluation non destructive END est un terme parfois utilisé de façon interchangeable avec le CND, qui désigne une activité de caractérisation d’un défaut (taille d’un défaut, mesure de caractéristiques élastiques d’un milieu).

Le nombre des méthodes CND/END est important et ne cesse de croître. Les plus courantes sont l’inspection visuelle, le ressuage (méthode de liquide pénétrant), la magnétoscopie, les courants de Foucault, la radiographie et les ultrasons.

image radiographique d’un chat montrant 3 types de contrôles différents
image radiographique d’un chat montrant 3 types de contrôles différents

Outils et méthodes basés sur l’utilisation d’ultrasons

Contrôle par ultrasons (Ultrasonic Testing)

Cette technique est basée sur l’utilisation d’ultrasons, c’est-à-dire d’ondes sonores ayant des fréquences plus élevées que celles perceptibles par l’oreille humaine. Des ultrasons, introduits dans un matériau permettent de détecter des changements dans la structure des matériaux, interprétés comme des défauts. On utilise pour cela les multiples réflexions au niveau des limites géométriques et des défauts. Cette méthode est appelée « Mode echo » (voir figure 2).

Principe du Mode Echo.
Principe du Mode Echo.

Le contrôle par ultrasons présente un certain nombre d’avantages :

  • Les ultrasons sont sensibles aux défauts se trouvant au niveau de la surface des matériaux ainsi que ceux cachés dans le volume.
  • La profondeur de détection dans les matériaux (même opaques) est nettement supérieure à celle des autres méthodes de contrôle non destructif.
  • Les ultrasons ont une grande capacité à localiser les défauts, les dimensionner et décrire leur forme dans certains cas.
  • La technique ne nécessite pas une grande préparation.
  • L’équipement technique donne instantanément les résultats.
  • Il est possible d’imager les matériaux contrôlés avec une grande précision.

Emission Acoustique (Acoustic Emission AE)

Lorsqu’un matériau solide est soumis à des efforts, les régions de faible résistance, qui sont généralement celles qui contiennent les défauts émettent de brefs impulsions ultrasonores appelées émission acoustique. On peut ainsi détecter un défaut dans un matériau en écoutant son cri, qui est souvent silencieux car il s’effectue à des fréquences ultrasonores.

Les essais d’émission acoustique peuvent être effectués même pendant que le matériau ou la structure sont mis en service. Cela permet l’écoute d’une propagation de fissure ou des bruits précurseurs, souvent émis juste avant la rupture finale des matériaux.

émission acoustique générée par la création d’une fissure lors d’un essai de traction (http://www.epandt.com/images/chaineEA_va.jpg)
émission acoustique générée par la création d’une fissure lors d’un essai de traction (http://www.epandt.com/images/chaineEA_va.jpg)

Missions de l’acousticien

Le contrôle non destructif a de nombreuses applications industrielles. La mission de l’acousticien est de mettre en œuvre des procédures de détection de défauts sur des matériaux ou des panneaux composites complexes, de détection de fuites (dans les canalisations), de contrôle de la qualité de soudage ou de collage. Le contrôle non destructif joue un rôle cléf dans tous les domaines ou la fiabilité des équipements joue un rôle crucial (applications aéronautiques ou aérospatiales par exemple).

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Etude par ondes ultrasonores d'une structure (aile d'avion par exemple) pour détecter d'éventuels défauts.

Aéro-acoustique

Définition

L’aéroacoustique est un domaine de l’acoustique dans lequel sont étudiés les sons engendrés par un écoulement de fluide (liquide ou gaz), en interaction ou non avec une structure solide.

Cette discipline est à la frontière entre la mécanique des fluides et de l’acoustique. Elle est née en 1952 lorsque le physicien James Lighthill élabora la première théorie.

Enjeux

L’enjeu de la discipline est de comprendre les mécanismes engendrant des sources acoustiques au sein d’écoulements complexes afin de réduire le bruit généré par ces écoulements (Figure 1).

fusée uu décollage (le bruit est généré par l'écoulement du propulseur).
fusée uu décollage (le bruit est généré par l’écoulement du propulseur).

Domaines d’applications

L’aéronautique (Figure 2).

Le bruit des avions, de plus en plus nombreux, est une importante source de nuisance et les normes sont de plus en plus contraignantes. Il est de plus en plus difficile de trouver le moyen de réduire encore le bruit des réacteurs qui a déjà été considérablement réduit dans les trente dernières années.

Sources de bruit sur un avion (source ONERA ?).
Sources de bruit sur un avion (source ONERA ?).

Les transports en général (Figure 3).

L’amélioration des qualités aérodynamiques des véhicules va de pair avec la réduction du bruit.

Mesure du bruit généré par un train
Mesure du bruit généré par un train

Les machines tournantes (Figure 4)

Ceci concerne les bruits engendrés par les systèmes de ventilation (des locaux, des machines, des ordinateurs), par les rotors (hélicoptère), par les éoliennes.

Eolienne générant un bruit par l'écoulement de l'air sur les pales en mouvement.
Eolienne générant un bruit par l’écoulement de l’air sur les pales en mouvement.

Sources de bruit usuelles

Plusieurs configurations sont généralement rencontrées

Les jets libres générant de la turbulence (figure 5): réacteurs d’avions, booster de lanceur de satellite

simulation d'un écoulement de jet (Université Libre de Bruxelles)
simulation d’un écoulement de jet (Université Libre de Bruxelles)

les écoulements autour d’obstacles ou de parois générant de la turbulence : véhicule à vitesse élevée (TGV, automobile, avion,…), rotor d’hélicoptère (interaction pâle/tourbillon), pâle d’éolienne.

les sources acoustiques liées à des combustions : flammes turbulentes, brûleurs industriels…

flamme générant un bruit large bande.
flamme générant un bruit large bande.

la combinaison de bruits de turbulence en paroi et de volume : gaines de ventilation, instruments de musique.

la perturbation d’un champ acoustique par un écoulement : réfraction des ondes acoustiques en champ libre avec le vent.

Outils et méthodes

Les problèmes aéroacoustiques sont traités de façon expérimentale ou par simulation numérique.

Méthodes expérimentales

On utilise des souffleries qui sont des équipements souvent de grande taille et de très haute technicité ce qui oblige les constructeurs à développer des bancs d’essai en commun.

maquette de la soufflerie S2A
maquette de la soufflerie S2A

Pour la caractérisation de traitements acoustiques de surface en présence d’écoulement on utilise des bancs à écoulement.

banc à écoulement du Centre de Transfert de Technologies du Mans
banc à écoulement du Centre de Transfert de Technologies du Mans

Les techniques métrologiques utilisées en aéroacoustique permettent de mesurer aussi bien les grandeurs acoustiques (pression acoustique, puissance, vibrations) que les grandeurs aérauliques (variations de pressions, vitesses d’écoulement localisées, champs de vitesse…)

Outils de simulation

Pour les simulations, on utilise des codes de calcul numériques. La méthode la plus utilisée est la méthode « Direct Navier Stokes » qui programme les équations locales de la mécanique des fluides. Elle nécessite de très gros calculateurs et permet de visualiser des champs de vitesse par exemple.

équations de Navier Stokes et simulation numérique d’un écoulement
équations de Navier Stokes et simulation numérique d’un écoulement

Méthodes de réduction de bruit

Les principaux moyens de réduire le bruit aéroacoustique sont :

  • Limiter au maximum les décollements de couches limites, c’est-à-dire, dans les conduits, éviter les discontinuités brutales qui sont sources de bruit.
  • Limiter au maximum les vitesses d’écoulement en augmentant les sections de conduit.
  • Lorsqu’il y a formation de jet, « casser » au maximum les grosses structures turbulentes
  • Disposer des matériaux absorbants au voisinage de la source
  • Placer des contre-sources pour annuler le bruit aéroacoustique dans le domaine des basses fréquences (anti-bruit actif)

Lorsqu’une technique de réduction de bruit est proposée, elle doit absolument être validée par l’expérience car il n’est pas rare qu’un dispositif sensé a priori atténuer les niveaux sonores se révèle être in fine source de bruit. La réduction de bruit aéroacoustique étant assez empirique, elle demande beaucoup d’expérience et de savoir faire.

Missions de l’acousticien

Les objectifs de l’aéroacousticien sont :

  • comprendre comment un écoulement instationnaire crée du bruit,
  • identifier et connaître les sources acoustiques,
  • contrôler ces sources par des techniques de réduction de bruit adaptées.
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Etude du rayonnement acoustique crée par un écoulement de fluide (liquide ou gaz) en interaction ou non avec une structure solide (sifflement d'un jet, jet propulsif des avions, système de climatisation, de ventilation, instruments de musique, ...)

Vibro-acoustique

Définition, enjeux

vibroacoustique-1

Beaucoup de structures mécaniques sont amenées à vibrer sous l’effet de sollicitations complexes. Quels sont les niveaux de bruit qu’elles rayonnent en vibrant? Comment s’organise le couplage entre structure et fluide ? Ces questions relèvent de la vibro-acoustique.

Les exemples d’application sont nombreux : problèmes de bruits extérieurs engendrées par des machines industrielles ou par des tuyaux vibrants, bruit à l’intérieur d’habitacles de véhicules (train, voiture, avion). Les enjeux principaux de la discipline sont liés à la fiabilité et au confort d’utilisation des équipements.

Rayonnement extérieur d’un véhicule (document Laum)
Rayonnement extérieur d’un véhicule (document Laum)

Outils, méthodes

Des techniques d’imagerie vibratoire et acoustique permettent par l’expérience ou la simulation numérique de visualiser les vibrations et le champ acoustique rayonné.

L’analyse modale expérimentale ou numérique, l’analyse des voies de transfert permettent de voir les vibrations et la façon dont elles se couplent. Les techniques d’antennerie acoustique ou la simulation numérique permettent d’identifier des sources et de dresser des cartes de niveaux.

Sources acoustiques sur un train (document SNCF)
Sources acoustiques sur un train (document SNCF)
Mode vibratoire d’un violon (Document M. Schelske)
Mode vibratoire d’un violon (Document M. Schelske)

Missions de l’acousticien

Le vibroacousticien est souvent en charge de la réduction des vibrations des structures et la réduction du bruit qu’elles engendrent. Après identification des sources acoustiques et des mécanismes de couplage, il propose des modifications (structurelles ou liées aux matériaux) pour améliorer les équipements

Traitement acoustique d’un panneau aéronautique (document LAUM)
Traitement acoustique d’un panneau aéronautique (document LAUM)
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Etude des interactions entre les vibrations d'une structure et le rayonnement acoustique qu'il en résulte (véhicules, machines, instruments de musique, ...)

Ondes sismiques

Définition, enjeux

La croûte terrestre est découpée en un certain nombre de plaques rigides qui sont en mouvement les unes par rapport aux autres (« tectonique des plaques »). En raison de ce mouvement et à l’échelle de plusieurs années, une importante quantité d’énergie s’accumule aux extrémités de ces plaques. La libération de cette énergie peut conduire à un séisme (figure 1) qui se traduit par la création d’ondes sismiques se propageant aussi bien dans le volume qu’à la surface de la croûte terrestre.

Illustration d'un séisme conduisant à la création d'une onde sismique.
Illustration d’un séisme conduisant à la création d’une onde sismique.

L’étude de la propagation de ces ondes sismiques (résultantes de la tectonique des plaques) est un enjeu majeur dans le cadre de la prédiction des événements sismiques futurs. Par ailleurs elle permet d’obtenir des informations sur la constitution de la structure interne de la Terre à grande échelle (centaines de km) ou à plus petite échelle (constitution du sol, présence de pétrole ou de gaz, …).

Outils

Dans le but de décrire la propagation de ces ondes sismiques, différentes études expérimentales et théoriques sont menées.

Elles consistent à enregistrer l’ensemble des activités des ondes à l’aide de différents instruments comme par exemple, le sismographe (figure 2). Parallèlement, le développement de modèles théoriques constitue d’une part, une aide pour l’interprétation des mesures obtenues et d’autre part, un support pour la prédiction d’événements futurs.

  • Techniques mathématiques pour construire des modèles théoriques décrivant le mécanisme de propagation d’onde mécaniques dans les milieux complexes.
  • Techniques de l’imagerie passive (sources naturelles) et active (sources contrôlées) comme la tomographie. La mise en commun des sismogrammes des stations sismiques réparties sur la Terre a permis la caractérisation de ces ondes.
  • Moyens de calcul (analytique ou numérique) et de mesures pour prévoir et contrôler l’efficacité des modèles théoriques de propagation des ondes sismiques.
  • Le sismographe est l’outil de mesure utilisé pour l’enregistrement en plusieurs endroits du globe des activités sismiques.
Un sismographe permet de mesurer l'activité sismique.
Un sismographe permet de mesurer l’activité sismique.

Méthodes

  • Modélisation directe (on étudie la propagation des ondes sismiques dans un milieu avec des propriétés supposées connues)
  • Modélisation inverse (caractérisation des milieux de propagation des ondes sismiques à partir des résultats enregistrés dans les stations sismiques)
  • Méthodes d’exploration souterraines : l’objectif est de se renseigner sur les propriétés du milieu (la présence du pétrole, par exemple). Pour cela, plusieurs méthodes sont utilisées:
    – Introduction de sources d’énergie sismique contrôlées.
    – Réflexion (figure 3), réfraction et diffraction des ondes sismiques par des irrégularités souterraines.
    – Détection de la diffusion des ondes sismiques sur les sismographes dispersés sur la surface de terre.
Illustration du principe de réflexion utilisé pour la recherche de pétrole et pour la cartographie souterraine.
Illustration du principe de réflexion utilisé pour la recherche de pétrole et pour la cartographie souterraine.

Missions de l’acousticien

  • Améliorer les modèles théoriques sur la propagation des ondes sismiques et la modélisation des sources.
  • Étudier des techniques de tirs de rayon (acoustique) pour développer l’imagerie des sous-sols.
  • Traiter des signaux reçus pour l’étude de la forme des ondes.
  • Améliorer l’efficacité des techniques expérimentales utilisées pour prendre en compte tous les phénomènes mis en jeu lors d’un séisme.
  • Mettre au point les solutions techniques afin de détecter le plus en amont possible les ondes sismiques, la localisation de leur épicentre, leur vitesse de propagation et d’anticiper au mieux la zone du séisme en particulier grâce à des capteurs très sensibles.
  • Mettre en œuvre de normes parasismiques (figure 4).
L’isolation sismique consiste à dissocier le mouvement du sol du mouvement de la structure afin de réduire les forces transmises à cette dernière.
L’isolation sismique consiste à dissocier le mouvement du sol du mouvement de la structure afin de réduire les forces transmises à cette dernière.

Sources

figure 1 : http://www.paca.ecologie.gouv.fr/DDRM/DDRM05/IMG/Image/images/SismSchemOnd.jpg
figure 2 : http://www.svt-biologie-premiere.bacdefrancais.net/sismographe.gif
Figure 3 : http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/article.php3?id_article=1369
figure 4 : http://cmoiii5.free.fr/parasismique/images/parashema9.JPG

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Etude de la propagation des ondes sismiques sur la surface de la Terre et dans la croûte terrestre.

Propagation dans l’atmosphère

Définition, enjeux

La propagation des ondes sonores dans l’atmosphère est complexe. Elle est affectée par la topographie du terrain, la nature du sol, les divers obstacles rencontrés et les conditions atmosphériques (température, vent, etc.).
Dans le contexte des nuisances sonores, l’étude de la propagation des ondes acoustiques dans l’atmosphère constitue un enjeu majeur.

Effets de différents mécanismes sur la propagation du son dans l'atmosphère.
Effets de différents mécanismes sur la propagation du son dans l’atmosphère.

Une bonne connaissance du milieu de propagation impose de prendre en considération les divers mécanismes qui entrent en jeu (figure 2).

Le son émis depuis une source est modifié au cours de sa propagation dans l'atmosphère en raison de différents mécanismes.
Le son émis depuis une source est modifié au cours de sa propagation dans l’atmosphère en raison de différents mécanismes.

Réfraction

La température et le vent varient selon la hauteur au-dessus du sol, ce qui conduit à une courbure des rayons de propagation du son, résultant en un renforcement du niveau acoustique, ou au contraire la création d’une « zone d’ombre ».

Illustration de l'effet de réfraction ascensionnelle (droite) avec apparition d'une zone d'ombre et réfraction descendante (gauche).
Illustration de l’effet de réfraction ascensionnelle (droite) avec apparition d’une zone d’ombre et réfraction descendante (gauche).

Réflexion

Les ondes sonores sont réfléchies par les divers obstacles solides qu’elles rencontrent, notamment par le sol qui peut parfois transmettre une onde sonore sur de grandes distances (figure 5).

Effet de la présence du sol et réflexions multiples.
Effet de la présence du sol et réflexions multiples.
Il a été montré que les éléphants produisaient des ondes basses fréquences se propageant par le sol (ondes de surface), sur une distance de plus de deux kilomètres.
Il a été montré que les éléphants produisaient des ondes basses fréquences se propageant par le sol (ondes de surface), sur une distance de plus de deux kilomètres.

Diffraction

Par des obstacles.

Effet de diffraction du son derrière un bâtiment, responsable d'une pénétration du son dans la zone d'ombre acoustique.
Effet de diffraction du son derrière un bâtiment, responsable d’une pénétration du son dans la zone d’ombre acoustique.

Diffusion

Par la turbulence.

Diffusion du son (généralement par la turbulence) dans l'atmosphère, responsable d'une pénétration du son dans la zone d'ombre acoustique.
Diffusion du son (généralement par la turbulence) dans l’atmosphère, responsable d’une pénétration du son dans la zone d’ombre acoustique.

Outils, méthodes

  • Instruments de mesure acoustiques(sonomètres, antennes, capteurs, …)
  • Logiciels de modélisation pour prédire et analyser le comportement acoustique en environnement extérieur.
  • Mesures de laboratoire permettent d’évaluer les caractéristiques acoustiques des matériaux (absorption, diffraction, etc.).
Mise en place d'un mur anti-bruit
Mise en place d’un mur anti-bruit

Pour mettre un mur anti-bruit approprié, il faut considérer qu’une partie de l’onde sonore :

  • est transmise (T) par l’écran (négligeable)
  • est réfléchie (R) ou absorbée (A) par l’écran (l’énergie réfléchie peut être réduite par l’utilisation de matériaux absorbants)
  • est diffractée (D) sur les arêtes de l’écran (l’efficacité globale d’un écran est principalement conditionnée par son efficacité en diffraction: implantation, hauteur, géométrie du sommet)

Missions de l’acousticien

  • Mesures acoustiques in situ
  • Analyse des mesures
  • Modélisation de propagation des ondes sonores dans l’atmosphère en considérant les différents mécanismes physiques en jeu
  • Conception d’écrans anti-bruit
  • Réalisation d’un ensemble de mesures (suivant les normes) pour contrôler que la réglementation acoustique est respectée après la mise en place de solutions acoustiques en milieu extérieur.

Sources

Figures 1, 3, 4, 6, 7: http://www.pa.op.dlr.de/acoustics/

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Etude des propagations des ondes sonores dans l'atmosphère

Acoustique sous-marine

Définition, enjeux

L’acoustique sous-marine est la science qui s’intéresse à la propagation des ondes sonores en milieu aquatique.

Elle a été développée pour

  • détecter des obstacles ou des cibles (détection de mines, de bancs de poissons, de sous-marins, …)
  • caractériser le milieu sous-marin (topographie du fond, courants, organismes vivants, cartographie des épaves, prospection pétrolière, …)
  • communiquer (données enregistrées par des capteurs, transmission de messages entre sous-marins et navires de surface ou systèmes commandés à distance, …)
Réalisation de topographie.
Réalisation de topographie.

Outils

Sonars passifs

Ecoute des bruits environnants.

Détection d'un sous-marin par un SONAR passif
Détection d’un sous-marin par un SONAR passif

Sonars actifs

Emission d’impulsions ultrasonores puis écoute de l’écho pour connaître la distance et l’azimut de l’objet.

Détection d'un sous-marin par un SONAR actif
Détection d’un sous-marin par un SONAR actif
Sonar destiné à la pêche
Sonar destiné à la pêche

Evolutions, perspectives

évolution de l'écoute passive sous-marine (à gauche: un cornet acoustique. à droite: un sous-marin avec sa flûte)
évolution de l’écoute passive sous-marine (à gauche: un cornet acoustique. à droite: un sous-marin avec sa flûte)

Missions de l’acousticien

L’acoustique sous-marine est déjà très développée, et trouve de nombreuses applications. L’acousticien peut aujourd’hui optimiser les appareils existants, pour les rendre plus précis.

Il a en revanche un grand travail devant lui en ce qui concerne la protection des animaux. L’utilisation humaine de l’acoustique sous marine peut perturber la communication et la vie des cétacés dans leur milieu naturel. A l’aide de sonars actifs et passifs, il peut repérer la position des animaux, mais doit trouver comment, en temps réel, le communiquer aux navires de manière à ce qu’ils les évitent.

Sources

Figure 1 : http://www.zdnet.fr/galerie-image/0,50018840,39380381-5,00.htm
Figure 2, 3, 5 : http://nareva.info/ssn_sonar/index.htm
Figure 4 : http://www.pourlapeche.com/21-72-large/sonar-sondeur-pour-detecter-les-poissons-a-100-metres-.jpg

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Etude du milieu marin (bancs de poissons, fonds marins) grâce aux sons (utilisation de sonars, d'hydrophones, ...)

Bio-acoustique

Fiche en cours d’élaboration.

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Etude des sons produits par les animaux (humains compris) pour comprendre le lien entre les sons produits, le type d'environnement dans lequel ils se sont produits et les fonctions pour lesquels ils sont connus.

Imagerie

Fiche en cours d’élaboration

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Etude et traitement du corps humain par des moyens acoustiques (échographie par onde ultrasonores, tomographie, doppler, lithotritie, ...)

Audio, phonation

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Définition, enjeux

L’audition : entendre un son avec ses oreilles

L’audition est le sens permettant la perception du monde extérieur via les vibrations sonores de l’air.

L’oreille externe (pavillon et conduit auditif) permet de recueillir les sons et de les orienter vers l’oreille moyenne.

L’oreille moyenne (tympan et osselets) assure une fonction de transmission proprement dite, qui inclut une transformation d’ondes sonores aériennes en ondes liquidiennes.

L’oreille interne, dans sa partie antérieure (la cochlée), et le nerf auditif assurent la fonction de perception.

Comme pour d’autres organes sensoriels, le processus commence par l’élaboration d’un message nerveux à partir d’un phénomène non nerveux, en l’occurrence la vibration d’un liquide, grâce à l’intervention de cellules spécialisées.

La gamme des fréquences sonores perceptibles par l’homme est comprise entre 15 Hz et 20 000 Hz. Les différentes caractéristiques du son sont codées et transmises jusqu’au cerveau.

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La phonation : produire un son avec ses poumons

L’appareil vocal humain peut être comparé à la fois à un instrument de musique à vent et à corde. Il comprend une source de vent, les poumons; une structure qui vibre, les cordes vocales dans le larynx; et une série de caisses de résonance que forme le pharynx, la bouche et les fosses nasales.

Les caractéristiques sonores produites sont contrôlées par le débit d’air expiré, la tension sur les cordes vocales, et la forme du conduit vocal.

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Missions de l’acousticien

La boucle audio-phonatoire est une spécialité qui réunit plusieurs disciplines : médicale, psychologique, acoustique. L’acousticien contribue au progrès scientifique et technique des produits déjà existant (traitant les surdités ou les pathologies du système vocal par exemple) et crée des nouveaux processus rendant la vie plus confortable

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Etude du système auditif et des processus de génération de la parole

Psycho-acoustique

Fiche en cours d’élaboration.

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Etude des modes de perception des sons par le cerveau humain. Application au codage des signaux (par exemple MP3).

Communication

Définition, enjeux

Le traitement automatique de la parole trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans des domaines tels que :

  • la reconnaissance de la parole,
  • la détection de locuteurs,
  • la transcription automatique,
  • la traduction automatique,
  • l’indexation de documents sonores

Et plus généralement :
la communication homme-machine.

Architecture d'un système de transcription automatique
Architecture d’un système de transcription automatique

Outils

Le signal de parole est complexe, les phonèmes n’étant pas des éléments isolés, mais qui s’enchaînent et s’agglomèrent (Fig. 2). Il existe par ailleurs une grande variabilité du signal de parole d’un locuteur à un autre, ou encore en fonction des conditions d’enregistrement (différentes prises de sons, présence ou non de bruit de fond, …).

Le traitement automatique de la parole fait appel à de nombreuses disciplines : traitement du signal, théorie de l’information, statistiques, algorithmique, linguistique, phonétique, acoustique, voire biologie et neurosciences….

Sonagramme (analyse temps-fréquence) de la phrase "she soon knew he'd phoned them"
Sonagramme (analyse temps-fréquence) de la phrase « she soon knew he’d phoned them »

Evolutions, perspectives

Certaines des applications citées plus haut se rencontrent déjà dans la vie courante. C’est le cas par exemple des serveurs vocaux téléphoniques, ou des logiciels de dictée vocale qui retranscrivent la parole sous forme de texte écrit.

D’autres applications sont actuellement en cours de développement ou d’optimisation.
C’est le cas, par exemple, de l’indexation automatique qui consiste en un classement et un archivage des documents sonores dont le nombre ne cesse de croître (émissions de radio, reportages télévisés, …).
Des outils d’analyse doivent être mis en œuvre pour déterminer de manière automatique la nature du signal sonore : s’agit-il de musique ou de parole? Ya t il un seul ou plusieurs locuteurs? Quelle est la langue utilisée? Quels sont les sujets abordés? Etc.

Missions de l’acousticien

Mise au point d’outils d’analyse-synthèse.
Développement de logiciels.

Sources

Figure 1 : Journal « Orsay-Info », n° 62, janvier 2001
Figure 2 : http://edutice.archives-ouvertes.fr/docs/00/00/17/02/HTML/

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Etude des système de reconnaissance et de synthèse vocale