acoustique industrielle antennerie

ACOUSTIQUE INDUSTRIELLE
ANTENNERIE
Document réalisé par :
Jean CATALIFAUD
METRAVIB RDS
Web : www.metravib.fr
ANTENNERIE
Antennerie acoustique
PRESENTATION DE L'IMAGERIE ACOUSTIQUE................................................................................................ 4
HOLOGRAPHIE ACOUSTIQUE................................................................................................................................................4
a) Principe....................................................................................................................................................................... 5
b) Mise en œuvre............................................................................................................................................................. 5
Equipement....................................................................................................................................................................5
Expérimentation type....................................................................................................................................................6
INTERFEROMETRIE...............................................................................................................................................................11
ANTENNERIE ACOUSTIQUE .......................................................................................................................................12
RAYONNEMENT SONORE ....................................................................................................................................................12
Différence de marche ..................................................................................................................................................13
PREFORMATION DE VOIES...................................................................................................................................................13
REPONSE ANGULAIRE D'UNE ANTENNE PLANE................................................................................................................15
Positionnement des antennes par rapport au bruiteur..................................................................................................16
SEPARATION DES COMPOSANTES ENTRANTES ET SORTANTES......................................................................................17
TRANSFORMEES DE FOURIER SPATIALE...........................................................................................................................19
Applications.................................................................................................................................................................20
HOLOGRAPHIE ACOUSTIQUE ...................................................................................................................................22
INTRODUCTION ....................................................................................................................................................................22
Principe..........................................................................................................................................................................22
Schéma de principe......................................................................................................................................................23
M ISE EN ŒUVRE ...................................................................................................................................................................24
Domaine fréquentiel utile............................................................................................................................................24
Effet de bord ..................................................................................................................................................................24
Interpolation diffuse.....................................................................................................................................................25
Filtrage dans l'espace des nombre d'ondes .............................................................................................................26
A SPECT THEORIQUE.............................................................................................................................................................27
INTERFEROMETRIE........................................................................................................................................................30
PRINCIPE...............................................................................................................................................................................30
M ISE EN ŒUVRE ...................................................................................................................................................................30
Pouvoir séparateur de l'antenne...................................................................................................................................31
Pas d'échantillonnage spatial.......................................................................................................................................31
Nombre de capteurs.....................................................................................................................................................31
COMPARAISON PREFORMATION DE VOIES / INTERFEROMETRIE....................................................................................33
A SPECT THEORIQUE.............................................................................................................................................................33
APPLICATIONS (IMAGERIE CHAMP PROCHE) .................................................................................................34
A UTOMOBILE , ANALYSE DE L ’ETANCHEITE D ’OUVRANTS............................................................................................34
A UTOMOBILE (MESURES EN SOUFFLERI E)........................................................................................................................37
Passage de roue............................................................................................................................................................37
Rétroviseur extérieur...................................................................................................................................................38
A UTOMOBILE (MOTEUR).....................................................................................................................................................39
A UTOMOBILE HABITACLE ..................................................................................................................................................42
Liaison habitacle / compartiment moteur................................................................................................................42
bas de caisse..................................................................................................................................................................44
Tableau de bord............................................................................................................................................................45
PRESENTATION EN ANGLAIS ....................................................................................................................................46
2
ANTENNERIE
EXECUTIVE SUMMARY.................................................................................................................................................47
PRINCIPLES .........................................................................................................................................................................49
MEASUREMENT TECHNIQUE ....................................................................................................................................50
EQUIPMENT...........................................................................................................................................................................50
Microphones..................................................................................................................................................................50
References......................................................................................................................................................................50
Acquisition system........................................................................................................................................................50
Processing system.........................................................................................................................................................50
ESSENTIAL STEPS ............................................................................................................................................................51
LES MODULES DE LORHA ...........................................................................................................................................56
LORHA BASIC ..............................................................................................................................................................56
LORHA INT...................................................................................................................................................................56
LORHA HOLO..............................................................................................................................................................56
LORHA FAR..................................................................................................................................................................56
LORHA SCREEN..........................................................................................................................................................56
LORHA RANK...............................................................................................................................................................56
LORHA ROBOT............................................................................................................................................................56
LORHA MATLAB .........................................................................................................................................................56
QUESTIONS / REPONSES ...............................................................................................................................................57
SOME GOOD REASONS TO CHOOSE LORHA ....................................................................................................................57
NEAR FIELD A COUSTIC HOLOGRAPHY APPLICATIONS..................................................................................................63
A COUSTIC HOLOGRAPHY APPLICATION DOMAINS..........................................................................................................65
Noise reduction.............................................................................................................................................................65
Quantification of noise radiation...............................................................................................................................66
Quality control..............................................................................................................................................................66
Health monitoring........................................................................................................................................................67
Acoustical properties of materials.............................................................................................................................67
Sound control strategy.................................................................................................................................................68
A COUSTIC HOLOGRAPHY INTRODUCTION........................................................................................................................69
Technical context..........................................................................................................................................................69
Acoustical imaging method.........................................................................................................................................71
Measurement technique...............................................................................................................................................72
Essential steps in acoustic holography.....................................................................................................................73
ESSENTIAL STEPS IN ACOUSTIC HOLOGRAPHY EXPERIMENTS.......................................................................................74
Definition of the experiment.......................................................................................................................................76
Data acquisition............................................................................................................................................................79
Data processing............................................................................................................................................................80
a) Near field processing functions...............................................................................................................................80
b) Far field processing functions.................................................................................................................................81
3
ANTENNERIE
Présentation de l'imagerie acoustique
Ouvrant automobile
Holographie acoustique
L'holographie acoustique permet de rechercher le bruit propre rayonné par chacune des
composantes mécaniques d'un ensemble complexe, c’est l’imagerie acoustique de champ
proche. Elle délivre une représentation fine de la distribution des sources sonores sur
l'enveloppe de l'équipement ou en tout plan parallèle proche de celle ci. En utilisant des
mesures de pression dans l'environnement immédiat de l'équipement l'holographie acoustique
permet de calculer le champ de pression en tout point de l'espace près des sources sonores ou
en champ lointain.
4
ANTENNERIE
a) Principe
Le champ acoustique complexe capturé par l'antenne microphonique de captation est
décomposé en une infinité d'ondes planes élémentaires propagatives et évanescentes. Les
ondes planes propagatives décrivent la part du champ acoustique mesuré ayant une influence
sur le niveau sonore perçu au loin. Les ondes acoustiques évanescentes décrivent quant à elles
le champ acoustique complexe existant près de l'enveloppe et recopiant en partie son
comportement vibratoire. Le niveau et la direction de chaque onde acoustique est décrite par
leur nombre d'onde acoustique. Le principal traitement de l'holographie acoustique consiste à
appliquer à chaque composante acoustique élémentaire (composante plane, cylindrique etc.)
un opérateur de retour aux sources, ou opérateur de propagation inverse, afin d'obtenir le
champ acoustique sur une surface parallèle au plan de mesure au voisinage immédiat des
sources. Le traitement complémentaire consistant à calculer la pression acoustique rayonnée
en champ lointain est également possible à partir des mêmes données de mesure.
b) Mise en œuvre
Equipement
L'équipement de base utilisé en holographie acoustique comprend:
ü
ü
ü
ü
des microphones,
des références,
un système d'acquisition,
un système de traitement.
Les microphones
Les microphones de mesure sont positionnés relativement près des surfaces rayonnantes à
analyser. Le plan de mesure est obtenu en utilisant un maillage régulier de ces microphones.
La distance entre deux microphones consécutifs détermine la limite haute du domaine
fréquentiel d'analyse.
Les références
Lorsque l'on utilise un nombre raisonnable de microphones il n'est pas possible d'acquérir
simultanément toutes les données acoustiques nécessaires au traitement d'holographie
acoustique. Ce traitement est basé sur l'utilisation de pressions acoustiques complexes
régulièrement réparties sur le plan de mesure. Pour connaître les relations de phase entre des
microphones acquis à des instants différents il est impératif d'utiliser des références fixes
représentatives du comportement vibroacoustique de l'équipement en test. Ces références
peuvent être acoustiques, vibratoires ou cinématiques. La qualité des fonctions de cohérence
entre ces références et chacun des microphones du plan de mesure est primordiale pour
obtenir un traitement d'holographie acoustique de qualité.
5
ANTENNERIE
Système d'acquisition
Il s'agit d’un système d'acquisition multi-voies temps réel permettant d'acquérir et de contrôler
rapidement un grand nombre de signaux vibroacoustiques dynamiques.
Système de traitement
Le système de traitement, souvent associé au système d'acquisition, permet de gérer
l'ensemble des informations acoustiques et de calculer les cartes sonores d'holographie
acoustique. Des modules de post traitement permettent l'exploitation des ces cartes pour la
localisation et la quantification des différentes sources sonores existantes.
Expérimentation type
Le déroulement d'une campagne de mesure d'holographie acoustique comprend les principales
étapes suivantes:
ü définition de la géométrie de captation en fonction du type d'équipement à tester,
6
ANTENNERIE
ü acquisition de l'ensemble des données vibroacoustiques sur le plan de captation
préalablement défini,
7
ANTENNERIE
ü traitement d'holographie acoustique proprement dit et obtention des cartes sonores
permettant d'identifier "les points chauds acoustiques",
8
ANTENNERIE
ü quantification (puissance sonore) de ces sources potentielles à partir de calculs du
rayonnement en champ lointain basés sur la notation intégrale de Helmholtz,
La puissance acoustique partielle est estimée à
partir du rayonnement en champ lointain des
sources sonores explorées par imagerie
acoustique, cette estimation est basée sur des
données scalaires (not referenced) ou
complexes (referenced).
9
ANTENNERIE
ü classification des sources sonores, "source ranking",
ü calcul prévisionnel de l'influence de modifications éventuelles apportées sur l'équipement
ou à son environnement de fonctionnement, "screening".
10
ANTENNERIE
Interférométrie
L'interférométrie ou imagerie angulaire a pour objet de localiser et d'identifier des sources de
pollution sonores sur un site géographique déterminé (usine, voie de communication, etc ...),
c’est l’imagerie acoustique de champ lointain. Ces sources sont localisées depuis un point
d'observation éloigné, ce point d'observation est déterminé à partir des nuisances acoustiques
connues suite à une étude d'impact sonore. L'image acoustique résultante de l'aire observée
représente la distribution du niveau sonore en fonction de deux paramètres principaux qui
sont:
Ø fréquence de la source,
Ø direction de provenance.
Le système de captation mis en œuvre est une antenne acoustique linéique m ulticapteurs
permettant d'effectuer un traitement interférométrique des signaux acoustiques reçus sur
l'ensemble des capteurs. Cette antenne de captation répond à des critères précis en termes de
nombre de capteurs microphoniques, de pas d'échantillonnage spatial et d'envergure et de
dynamique.
11
ANTENNERIE
Antennerie acoustique
Rayonnement sonore
source S
Point M1
θ
Point M2
x
Soit une source sonore monopolaire S située en champ lointain des points de mesure M1 et
M2.
En S:
P S = A e Jφe jωt
Au centre du capteur linéaire en M1:
R
A
jφ jωt − j k 0
P M 1 = R cos(θ) e e e cosθ
En un point M2 situé sur l’axe horizontal, la pression acoustique est de la forme:
P M 2 = P M 1e − j k
0x
sinθ
12
ANTENNERIE
Différence de marche
source
P1
P2
x
P2 = P1 e − j k 0 x
∆φ = k 0 x =
2πf
c0
x
∆φ 2π
=
x
∆f
c0
x=
∆φ c 0
∆f 2π
x=
si la phase est exprimée en degrés:
∆φ c0
∆f 360
Préformation de voies
Il s'agit, à partir d'une antenne linéaire constituée de capteurs microphoniques régulièrement
répartis de calculer la pression sonore émise dans une direction particulière.
θ
13
ANTENNERIE
Pour une source sonore monochromatique, l'opération de préformation sur l'antenne linéique
résultante est de la forme:
P (θ,ω) =
1 N
− j k 0 xi
∑
N i = 1 P (i,ω) e
Lorsque l'angle de préformation est θ = 0 , correspondant à la direction normale à l'antenne,
l'expression précédente se simplifie. La pression acoustique préformée est calculée dans le
domaine temporel par sommation des signaux reçus par l'antenne de captation. L'expression
mathématique est de la forme:
P(θ = 0, t ) =
1
N
N
∑ P(i ,t )
i =1
Formulation généralisée
Il est possible de réaliser une antenne plane à partir de microphones indépendants, la
formulation généralisée pour un maillage plan pour lequel on dispose de toutes les
informations en temps réel est:
P(θ ,ω ) =
1 N
− j k 0 x − j k 0 y − j k 0z
∑
e
e
N i =1 P ( i , j ,ω ) e
k 0x = k 0 x sin(θ ) cos(φ )
k 0 y = k 0 y sin(θ ) sin(φ )
2
2
2
2
ω
k 0x + k 0 y + k 0 z = 2
c0
2
ω
=
− 2 + 2
k 0z
2 ( k 0 x k 0 y)
c0
θ : angle entre le vecteur d'onde et la normale à l'antenne
Φ : angle entre le plan de captation (X,Y) et la projection du vecteur d'onde sur ce plan
14
ANTENNERIE
Réponse angulaire d'une antenne plane
Une antenne acoustique plane est caractérisée par sa directivité, qui indique son pouvoir
séparateur, c'est à dire sa capacité à séparer les contributions énergétiques de deux sources
sonores indépendantes localisées suivant des azimuts différents.
A(θ)
dθ
sin(θ)
θ0
La directivité d'une antenne plane recevant une onde de même nature est de la forme:
 D N

sin π
sin( θ) 
 λ N −1

A( θ) =
 D 1

sin π
sin( θ) 
 λ N −1

D: envergure de l'antenne
λ : longueur d'onde acoustique
Nl: nombre de lignes de captation
θ : direction de propagation de l'onde acoustique
Le niveau sonore reçu par l'antenne sera maximal pour l'angle θ = 0 pour lequel le facteur
de directivité vaut A(θ
θ ) = 1 . Le premier zéro, pour lequel la pression acoustique reçue par
l'antenne est nulle, est obtenu pour l'angle de propagation suivant:
 λ N − 1

N 
θ0 = arcsin D
Une des caractéristiques de l'antenne, souvent utilisée, est la largeur du lobe de directivité
principal à mi-hauteur, elle est de la forme:
λ N −1
N
d θ = 2D
15
ANTENNERIE
Attention les mesures réalisées avec une antenne non adaptée au domaine fréquentiel analysé
peuvent faire apparaître des sources images totalement fictives, elles se manifestent lorsque
la fréquence étudiée est supérieure a:
f >
c0
2∆
∆ : pas d'échantillonnage spatial de l'antenne
Positionnement des antennes par rapport au bruiteur
La géométrie plane des antennes les dispose plus particulièrement à décomposer le bruit
complexe émis par le bruiteur en une somme de composantes planes. Lorsque les antennes
sont placées dans le champ proche du bruiteur on considère qu'il y a continuité entre la source
vibrante et le milieu fluide environnant. On capte donc le rayonnement acoustique émis dans
un tube de force dont les limites sont portées par le contour des antennes et dont le vecteur
d'onde à pour direction la normale aux antennes.
Antenne
x
Le champ acoustique se compose d'une zone de champ proche, appelée zone de Fresnel, et
d'une zone de champ lointain.
La distance maximale entre l'antenne de captation et le bruiteur, en supposant que le bruiteur
est très grand vis à vis de l'envergure de l'antenne, dépend de l'envergure de l'antenne et de la
longueur d'onde acoustique étudiée.
16
ANTENNERIE
Séparation des composantes entrantes et sortantes
plans de
captation
P1 P2
source
z
onde
sortante
P+
onde
entrante
Préflecteurs
A partir d'une antenne de captation double couche il est possible de sélectionner une
composante plane particulière en préformant les pressions issues de chacune des deux grilles
comme vue précédemment. L 'apport de la géométrie de captation double couche est de
pouvoir, à l'issue de la préformation de voies, séparer les composantes entrantes et sortantes
du champ acoustique. Pour cela il faut, dans un premier temps, calculer les opérateurs de
propagation et de propagation inverse.
Opérateur de propagation
−
−j
e =e
k z∆
Opérateur de propagation inverse
+
+j
e =e
kz ∆
∆ : écartement suivant l'axe Z entre les 2 grilles de captation
Contribution sortante
La contribution sortante, c'est à dire directement issue du bruiteur, est de la forme:
(P e ) − P
=
+
P
+
1
1
2
+
−
e −e
Contribution entrante
17
ANTENNERIE
La contribution entrante, c'est à dire issue de sources parasites ou de réflexions multiples, est
de la forme:
P
−
1
=
P
2
−
+
(P e )
−
1
−
e −e
Ces contributions entrante et sortante sont connues à la côte Z1, c'est à dire au niveau de la
première grille de captation, pour les estimer au niveau de la seconde grille il faut leur
appliquer les opérateurs de propagation et de propagation inverse.
P
P
+
2
−
2
=
+
Pe
=P e
−
1
−
+
1
18
ANTENNERIE
Transformées de Fourier spatiale
Temporel ---> Fréquentiel
Espace ---> Nombre d’onde
Nombre d’échantillons
N
Période d’échantillonnage
te (secondes)
Durée d’observation
(secondes)
T = N te
Nombre de capteurs par ligne
Nx
Pas d’échantillonnage spatial
∆x (mètres)
Envergure de l’antenne
(mètres)
L = N X − 1 ∆X
Fréquence d’échantillonnage spatiale
2π
ke =
Fréquence d’échantillonnage
(Hz)
2π
ωe =
t
f
e
∆
f
f
e
N
)
∆
X
e
1
=
t
e
Finesse fréquentielle d’analyse
=
(
1
1
=
N te T
=
Résolution dans l’espace des nombres
d’ondes
2π
2π
k
∆k = N e = N ∆ = L
X
X
X
Fréquence maximale d’analyse
f
≤
max
f
e
2
=
1
2 te
k
max
≤
k
2
e
=
π
∆
X
Nombre d’onde acoustique
k
0
=
ω
= 2π
f
= 2π
c
c
k = k0 + k 0 + k0
0
0
2
2
2
2
0
x
y
z
1
λ
19
ANTENNERIE
Applications
Puissance acoustique
A partir d’une transformée de Fourier spatiale, il est possible de calculer la puissance
acoustique active rayonnée par un bruiteur, elle est de la forme:
k0
2
P(ν) = 1 2π ∑ P( kx , ky) ∆kx. ∆ky
i= − k 0
20
ANTENNERIE
Localisation angulaire
ky
k0y
k0
k0x
kx
Sur l’image du spectre dans le domaine des nombres d’ondes on relève les valeurs de k0x et
k0y. On calcule alors la troisième coordonnée k0z comme vue précédemment, la direction de
propagation de l’onde sonore est donnée par l’angle θ , tel que:
tg(( π / 2) − θ ) =
kz =
ω
c
2
2
0
−
kz
kx + ky 2
2
(kx + ky )
2
2
l’angle est donné en radians.
21
ANTENNERIE
Holographie acoustique
Introduction
L'holographie acoustique plane permet, sur un équipement complexe, d'identifier les
"SOURCES" responsables du rayonnement acoustique perçu au voisinage. La méthode
retenue ici consiste, à partir de mesures acoustiques, de retrouver les composantes vibratoires
des champs sources en utilisant, d'une part un processus de retour vers les sources (ou
propagation inverse), et d'autre part la relation existante entre la vitesse vibratoire et la vitesse
particulaire dans le milieu fluide. Ces sources, ou "points chauds", seront visualisés sous
forme d'images directement interprétables.
Principe
Le principe de base de l'holographie acoustique consiste en des mesures de pressions
acoustiques phasées sur un plan de captation régulier près du bruiteur. Puisque l'on ne peut
acquérir simultanément tous les microphones, il faut utiliser des références de phase fixes sur
le corps ou près du bruiteur. Il peut s'agir de:
Ø
Ø
Ø
Ø
références acoustiques,
références vibratoires,
références cinématiques,
tout autre signal dynamique caractéristique du fonctionnement du bruiteur.
Le plan de captation acoustique est situé dans le champ proche du bruiteur au plus près des
zones rayonnantes, ainsi toutes les composantes du champ acoustique sont mesurées dans un
domaine fréquentiel limité dépendant des caractéristiques physiques des capteurs utilisés.
22
ANTENNERIE
Schéma de principe
bruiteur
référence
vibratoire
plan de
calcul
référence
acoustique
plan de captation
23
ANTENNERIE
Mise en œuvre
Domaine fréquentiel utile
Le pas d'échantillonnage spatial des microphones du plan de captation définit la limite haute
fréquence d'utilisation des capteurs:
f
max
≤
c
0
2∆
Par exemple, pour un écartement entre les microphones de 2.5 cm, la fréquence maximale
d'analyse sera de 6800 Hz. Théoriquement il n'y a pas de limite basse fréquence d'utilisation
des capteurs, cependant, pour certaines fréquences, les niveaux acoustiques sur les images
résultantes seront constants. La limite d'utilisation basse fréquence est donc de fait:
f
c
min
0
nL
L est l'envergure du plan de captation. Soit k0 est le nombre d'onde acoustique, c'est à dire le
nombre d'onde définissant la limite entre le domaine propagatif et le domaine évanescent, le
facteur n est l'indice de filtrage dans l'espace des nombres d'ondes.
Par exemple, si l'on filtre uniquement les composantes propagatives (n=1), la fréquence
minimale d'exploitation des mesures sera de 170 Hz pour une envergure globale de captation
de 2 mètres.
Effet de bord
Lorsque le plan de captation a une taille voisine de celle du bruiteur à analyser, il peut y avoir
des sources sonores à la périphérie qui après traitement, créent des sources fantômes par
convolution. Il est donc nécessaire de corriger ces effets néfastes par des traitements
appropriés ayant pour but de simuler un plan de captation fictif plus étendu sans modifier
l'énergie globale mesurée. Ces traitements peuvent être:
•
•
•
•
extrapolation,
source image,
zéro-padding,
association de divers traitements unitaires.
24
ANTENNERIE
Interpolation diffuse
Lorsque le bruiteur à analyser n'a pas une géométrie régulière, il est nécessaire de créer
artificiellement un maillage régulier à partir des mesures brutes par interpolation diffuse
complexe. Pour chaque point du maillage régulier on utilise alors les informations en module
et phase de tous les points réellement mesurés dans un cercle de rayon donné en appliquant un
facteur correctif qui est fonction de la distance au centre du cercle.
25
ANTENNERIE
Filtrage dans l'espace des nombre d'ondes
Par principe, les capteurs doivent être disposés dans le champ proche du bruiteur pour
permettre la mesure correcte de toutes les composantes acoustiques du rayonnement sonore
du bruiteur à analyser. Ces composantes sont:
• les composantes propagatives ayant une influence sur le niveau sonore
rayonné par le bruiteur en champ lointain,
• les composantes non propagatives ou évanescentes qui recopient le champ
de vitesse vibratoire présent sur la peau du bruiteur.
En pratique, les mesures ne peuvent être effectuées très près de la peau du bruiteur en raison,
entre autres, de l'encombrement du capteur ou de la forme géométrique complexe du bruiteur.
L'énergie des composantes non propagatives décroît très rapidement lorsque l'on s'éloigne de
la structure, hors, il est nécessaire de conserver un bon rapport signal à bruit pour les
traitements d'holographie d'où un filtrage passe bas dans l'espace des nombre d'ondes.
champ vibratoire
composantes non propagatives
composantes
propagatives
structure externe du bruiteur
26
ANTENNERIE
Aspect théorique
L'objet de l'holographie acoustique est de résoudre le problème inverse. A partir de mesures
acoustiques en champ proche il s'agit de localiser et d'identifier les sources de bruit ou les
"points chauds" acoustiques dans un plan parallèle au plan de captation tangent à l'enveloppe
du bruiteur. Les principes de l'holographie acoustique ont été présentés pour les géométries de
captation planes par MAYNARD et WILLIAMS (1).
La première étape consiste en une décomposition du rayonnement acoustique capté par
l'antenne en composantes planes élémentaires par transformée de Fourier spatiale.
source sonore
plan de captation
Z
z=z0
La première transformée de Fourier dans le domaine temporel permet la décomposition
fréquentielle des données brutes mesurées sur chaque microphone du plan de captation.
P( x , y, z = z 0, ω) =
1
P (x , y, z =
2π ∫t
z 0, t
)e jωt dt
La seconde transformée de Fourier est une double transformée de Fourier spatiale dans le plan
de captation x,y . Elle a pour but de décomposer le champ acoustique mesuré au niveau du
plan de captation en une série d'ondes planes élémentaires.
(
)
P k x , k y , z = z 0, ω =
1
(2 π )
2


∫∫x, y P(x , y , z = z 0, ω)ek x
x + k y y
dxdy
27
ANTENNERIE
La seconde étape consiste à estimer le champ source sur des plans parallèles au plan de
captation tangent à l’enveloppe du bruiteur, on applique donc à la fonction précédante un
opérateur de propagation inverse.
plan de captation
Z
z=z0
source sonore
plan de calcul
Dans l'espace des nombre d'ondes, le nombre d'onde acoustique est de la forme:
k 0 2 = k 2x + k 2y + k 2z
L'opérateur de propagation inverse prend deux formes distinctes en fonction la valeur de k 20
k 2z ≥ 0
Dans le domaine propagatif, c'est à dire lorsque le nombre d'onde est inférieur ou égal au
− j z−
nombre d'onde acoustique, l'opérateur de propagation est de la forme: e k z ( z 0 )
Le champ de pression calculé à la côte z<z0 est donc:
P(k x , k y , z < z 0 , ω ) = P (k x , k y , z = z 0 , ω )e −j kz (z −z 0)
k z = k 0 − (k x + k y)
2
2
2
28
ANTENNERIE
k 2z < 0
Dans le domaine non propagatif, l'opérateur de propagation est de la forme:
e+
j k z (z − z0 )
Le champ de pression calculé à la côte z<z0 est donc:
P (k x , k y ,z < z0 ,ω ) = P (k x , k y , z = z 0 , ω )e + j k z(z −z 0)
k z = j k 2x + k 2y − k 20
La transformée de Fourier spatiale permet de faire un tri dans le champ acoustique mesuré
entre les composantes propagatives, qui contribuent au rayonnement acoustique en champ
lointain, et les composantes non propagatives qui ne contribuent pas au rayonnement
acoustique en champ lointain mais qui sont porteuses d'informations intéressantes pour la
localisation des "points chauds" acoustiques. Lors des traitements il sera possible de filtrer
certaines composantes du champ acoustique.
La dernière étape consiste à visualiser le champ acoustique calculé dans un plan parallèle au
plan de captation pour une fréquence pure ou dans un domaine fréquentiel réduit. Cette
visualisation s'effectue par transformée de Fourier spatiale inverse.
{(
)}
P ( x, y, z, ω) = FFT − P k x , k y , z, ω
1
(1) Nearfield acoustic holography : 1 Theory of generalized holography and development of
NAH - JD Maynard EG Williams Y Lee - J Acoust Soc Am October 1985
(2) Imaging the nearfield of a submerged plate using acoustical holography - KE Eschenberg
SI Hayek- Applied Reasearch Lab, The Pennsylvania State University
29
ANTENNERIE
Interférométrie
Principe
L'interférométrie ou imagerie angulaire a pour objet de localiser et d'identifier des sources de
pollution sonores sur un site géographique déterminé (usine, voie de communication, etc ...).
Ces sources sont localisées depuis un point d'observation éloigné, ce point d'observation est
déterminé à partir des nuisances acoustiques connues suite à une étude d'impact sonore.
L'image acoustique résultante de l'aire observée représente la distribution du niveau sonore en
fonction de deux paramètres principaux qui sont:
• fréquence de la source,
• direction de provenance.
Le système de captation mis en œuvre est une antenne acoustique linéique multicapteurs
permettant d'effectuer un traitement interférométrique des signaux acoustiques reçus sur
l'ensemble des capteurs. Cette antenne de captation répond à des critères précis en termes de
nombre de capteurs microphoniques, de pas d'échantillonnage spatial et d'envergure et de
dynamique.
La réponse interférométrique de l'antenne linéique de captation est théoriquement donnée par:
ℑ(υ, k ) = ∫ ∫ −+∞∞ C(τ, x ) e−2 j πυt e −2 jπ xk dxdτ
x t
ν:
fréquence
k:
nombre d'onde spatial
τ:
variable temporelle
x:
variable spatiale
C(τ,x):
fonction d'intercorrélation
Mise en œuvre
La mise en œuvre de cette méthode de localisation des sources sonores en champ lointain se
fait en 6 étapes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Mesure de la densité spectrale de la source ou des sources principales
Mesure du bruit de fond
Détermination de la distance maximale de perception sonore
Estimation du domaine fréquentiel utile
Estimation du pouvoir séparateur minimal
Définition de l'antenne de captation
30
ANTENNERIE
Pouvoir séparateur de l'antenne
Le pouvoir séparateur de l'antenne quantifie l'aptitude du moyen de captation a séparer deux
sources sonores proches émettant à la même fréquence. En interférométrie il est fonction de la
fréquence d'analyse et de l'envergure de l'antenne.
θ=
λ
c0
=
4 L 4υL
Pas d'échantillonnage spatial
IL est régi par le théorème de Shannon:
∆ < λmin. 2 =
c0
2 υmax.
Nombre de capteurs
Maillage régulier
Le nombre de capteurs dépend du pas d'échantillonnage spatial et de l'envergure de l'antenne
de captation.
N=
L
+1
∆
31
ANTENNERIE
Maillage lacunaire ou gracieux
Les capteurs sont placés sur un réseau linéaire de manière à réaliser le plus grand nombre
d'espacements possible (multiple de ∆) avec un nombre de capteurs minimal. Le nombre
d'espacements possibles sera toujours:
x=
L
∆
5 capteurs
1
2
3
4
5
6
7
32
ANTENNERIE
Comparaison préformation de voies / interférométrie
La préformation de voies et l'imagerie angulaire par interférométrie ont pour objet principal la
localisation angulaire de bruiteurs.
Préformation

sinπ


sinπ

Réponse angulaire
L N

sin(θ ) 

λ N −1
L 1

sin(θ ) 

λ N −1
Interférométrie
L


sin 2π sin(θ) 


λ
1
π sin(θ)
λ
Premier zéro
 λ N − 1
arcsin 

L N 
 λ
arcsin 
 2L 
Largeur à mis hauteur
λ N −1
2L N
λ
4L
Aspect théorique
ℑ(υ, k ) = ∫ ∫ C(τ, xi ) e−2 jπυt e −2 jπxk dxdt
x t
ℑ(υ, k ) = ∫ γ (υ, x i ) e −2 jπxk dx
x
C:
γ:
fonction d'inter-corrélation
fonction d'inter-spectre
On démontre, que pour chaque direction de visée θ , le spectre interférométrique est de la
forme:
{
}
ℑ( υ ) = γ 0 (υ ) ∆ + ∑ Nx =1 2 ℜe γ x e− jkx ∆ sin (θ ) ∆
γ0:
γx:
∆:
k:
auto-spectre
inter-spectre
pas d'échantillonnage spatial élémentaire
nombre d'onde acoustique
33
ANTENNERIE
Applications (imagerie champ proche)
Automobile, analyse de l’étanchéité d’ouvrants
Joint d’étanchéité supérieur, coulisse ou joint de portière.
34
ANTENNERIE
Joint d’étanchéité en bas de portière
35
ANTENNERIE
Fréquence de coï ncidence du vitrage
36
ANTENNERIE
Automobile (mesures en soufflerie)
Passage de roue
Mesure en soufflerie
Face latérale
37
ANTENNERIE
Rétroviseur extérieur
Mesures en soufflerie
Face latérale
38
ANTENNERIE
Automobile (moteur)
Moteur au banc
Tubulure d’échappement
39
ANTENNERIE
Moteur au banc
Poulie vilebrequin
40
ANTENNERIE
Moteur monté sur véhicule
Liaison bloc moteur / boîte de vitesses
41
ANTENNERIE
Automobile habitacle
Liaison habitacle / compartiment moteur
Tablier avant
Zone de faiblesse en partie centrale
(système de ventilation)
42
ANTENNERIE
Tablier avant
Zone de faiblesse au droit du tablier
43
ANTENNERIE
bas de caisse
Base de caisse, zone avant
Zone de faiblesse au droit des caves à pieds
44
ANTENNERIE
Tableau de bord
Contrôle d’un tableau de bord sur banc d’essai
Faiblesse en zone centrale
45
ANTENNERIE
Présentation en anglais
Acoustic holography
Executive summary
46
ANTENNERIE
Executive summary
LORHA, developed by METRAVIB RDS is a powerful measurement and processing
software package dedicated to improve the sound radiation of every mechanism or system in
automotive applications.
This analysis tool delivers a fine representation of the acoustic sources distribution near the
envelope of the equipment. More explicitly, LORHA involves measurement and processing
units. Using acoustic pressure measurements near the noisy source, this holography acoustic
package can calculate the sound field at any location, both closer and further away from the
noise source.
LORHA allows to obtain more than "nice "images :
Dashboard diagnostic
47
ANTENNERIE
Industrial
•
•
•
•
•
Hardware computer
Environment (windows)
Car engine
Standard car (rolling test bench, wind tunnel)
Submarine
Fast and Powerfull
Performance
n
n
n
n
Reliable / stable
Localisation
Identification
Quantification
Post processing
n
n
Near-field processing
Far-field processing
Improved design simulation
n
n
n
n
Directivity
Source ranking
Screening
Structural modification
48
ANTENNERIE
Principles
The algorithm implemented in the LORHA software is a combination of acoustic near-field
calculations based on Near-field Acoustic Holography (NAH) established in planar geometry
and far-field calculations based on Helmholtz’ Integral Equation (HIE).
The complex acoustic near-field is split in plane waves and evanescent waves. The plane
waves describe the part of the sound field propagated away and the evanescent waves
describe the complex sound field existing near the envelope of the noisy equipment.
The amplitude and the direction of all wave components are described by their wave number.
The aim of Near-field Acoustic Holography is to apply to each component the invert
propagation formalism to obtain the acoustic field on a surface parallel to the measurement
plane and in the immediate vicinity of the sources. The subsequent computation of the
pressure field away from the noise sources delivers radiated pressure maps.
49
ANTENNERIE
Measurement technique
Equipment
A practical LORHA measurement and processing experiment is based on :
Microphones
They are located relatively close to the radiating object. The measurement plan is obtained by
using a regular meshing of microphones. The distance between two microphones will define
the frequency range of interest.
References
When using a standard set of microphones, it is not possible to simultaneously acquire all the
acoustic information. The Near-field Acoustic Holography is based on the measurement of
phased acoustic pressures on the regular meshing of microphones, thus one or several fixed
references must be used. These references must be representative of the noisy tested
equipment; different kinds of references can be used : acoustic sensors, vibration probes or
tachometer collectors.
Acquisition system
The acquisition system is based on a real time multiple channels acquisition system, VXI
front end or portable unit, with PC or workstation computer. During a sequence of
measurement all the information due to active microphone array location and all fixed
references are simultaneously acquired (average auto-power spectra and average cross-power
spectra).
Processing system
The processing unit is integrated in the acquisition system. All the data concerning
geometry, meshing and acquisition parameters are stored with the raw data in the same
data base. The results, 2-D spectra and 3D-maps can be directly analysed on the
computer display or they can be exported for an external use.
50
ANTENNERIE
Essential steps
LORHA essential steps are :
ü definition of the survey,
51
ANTENNERIE
ü near-field survey and raw data gathering on the defined meshing,
52
ANTENNERIE
ü near-field survey and raw data gathering on the defined meshing,
ü interpolation of the measurement field in case of irregular meshing due to geometric
constraints,
ü back propagation data processing, based on the invert propagation formalism and
providing the final map of pressure used to localised sources and "hot points",
53
ANTENNERIE
ü far field propagation data processing, based on Helmholtz’ integral equation, providing
the far-field acoustic pressure level from the further combination of the acoustic
components in near field domain
54
ANTENNERIE
ü from "nice" images to solutions : source ranking is used to quantify the contribution of
each potential acoustic source,
ü from "nice" images to solutions : total or partial screening is used to determine the
influence of structure modifications.
55
ANTENNERIE
Les modules de LORHA
LORHA est un système modulaire permettant d'identifier, de localiser et de hiérarchiser les
sources sonores sur un équipement complexe. Du module de base, tous les cinq autres
modules sont exceptionnels. LORHA HOLO est le premier module permettant l'utilisation
ultérieure des modules LORHA FAR, SCREEN et RANK.
LORHA BASIC
Module d'imagerie de base permettant :
- la visualisation immédiate du champ de pression acoustique dans le plan de mesures,
- l'acquisition et le contrôle du frontal VXI.
LORHA INT
Module d'imagerie complémentaire pour calcul mené à partir des mesures d'intensité
LORHA HOLO
Module holographique de calcul acoustique du champ proche
LORHA FAR
Module de calcul du champ lointain
LORHA SCREEN
Module permettant la simulation des écrans
LORHA RANK
Module de hiérarchisation des sources
LORHA ROBOT
Module de pilotage du robot
LORHA MATLAB
Module d'exportation des résultats au format MATLAB
56
ANTENNERIE
Questions / réponses
This document presents the main questions concerning Near field Acoustic Holography
software package developed by METRAVIB RDS.
Are concerned by this technical note :
•
•
•
•
•
acoustic holography application domain,
acoustic holography principle,
acoustic holography capability,
essential steps in acoustic holography industrial application,
data required for noisy elements analysis.
Some good reasons to choose LORHA
General purpose
1
2
3
Why acoustical holography ?
Why use LORHA software package ?
How to briefly describe the method ?
Definition of an experiment
4
5
6
7
8
How to briefly describe the main steps of an experiment ?
How is it measured ?
How to select reference transducers ?
How to define the scan array of sensors ?
Could you briefly describe the acquisition platform ?
Measurement and processing
9
10
11
Is it possible to guarantee the quality of the measurements during
the acquisition sequence ?
Could you briefly describe the procedure to obtain the first
interesting results ?
In Acoustic Holography, you decompose the acoustic field in
propagative field and evanescent field, could you explain that ?
57
ANTENNERIE
General purpose
Question 1 : Why acoustical holography ?
Answer 1 : Near field Acoustical Holography software package provides more than nice
pictures. LORHA allows to obtain a set of very interesting data concerning the noise radiated
by a complex equipment or some of its components. The main set of data delivered by
LORHA is :
• how many sources,
• what strength,
• where are they located.
Question 2 : Why used LORHA software package ?
Answer 2 : LORHA software package is an integrated set of tools which delivers a complete
characterisation of the noise radiated by a complex equipment. The main application fields
are :
• acoustical diagnostic of industrial equipment,
• partial and global radiated acoustic power computation,
• improvement of the effectiveness of equipment modifications.
LORHA software package is an interesting tool responding to your principal needs :
• what is the global noise level radiated in free field by my equipment ?
• could you deduce the influence from the perturbed environment ?
• could you identify where and how sound is produced ?
Question 3 : How to briefly describe the method ?
Answer 3 : The method applied in LORHA consists in reconstructing the vibrational
components related to the noise source field from acoustic measurements, by using a back
propagation technique.
Near field Acoustic Holography is a method for mathematically describing a sound field
based on a set of pressure measurements near the envelope of the equipment. The
mathematical description involves Helmholtz Integral Equation, 2D-spatial Fourier
Transforms and Wave Length Domain filters.
The sources, or « hot points » will be visualised in IMAGE form, ready for interpretation.
58
ANTENNERIE
Definition of an experiment
Question 4 : How to briefly describe the main steps of an experiment ?
Answer 4 : A standard experiment can be divided in four main steps as below :
1
2
3
4
measure the acoustic field radiated by the equipment,
study on computer the noise radiation,
simulate different modifications,
perform and control the effectiveness of the most efficient modifications.
Question 5 : How is it measured ?
Answer 5 : The measurement system consists in a scan array of sensors dedicated to pressure
measurements associated to a set of fixed references. The array is mounted on a positioning
system and it is connected to a multi-channel FFT acquisition system piloted by a PC
computer with appropriate LORHA software package.
The reference transducers are representative of the equipment dynamic signature; they can be
microphones, hydrophones, accelerometer, etc..
Microphones (in air) or hydrophones (in water) are the basic components of the array of
sensors dedicated to pressure measurements.
The number of channels of the acquisition system will determine the overall measuring time.
Question 6 : How do you select reference transducers ?
Answer 6 : To study stationary noise, the selection of the set of references will determine the
final quality of the acoustic diagnostic. It is one of the more crucial steps.
For each uncorrelated source, one reference must be used. It is better to choose a reference of
the same character as the sensors used for the array.
Before the experiment, intuition and experience can be used to select the instrumented
sources. LORHA software package gives some help to improve this choice
Remark :
For non stationary noise, the complete survey must be simultaneously
acquired. In this case the fixed references are not used.
59
ANTENNERIE
Question 7 : How do you define the scan array of sensors ?
Answer 7 : The sort of sensors used during the experiments will depend on the environment :
• microphones in air,
• hydrophones in water.
Two items will define the scan array :
1 the distance between the sensors,
2
the size of the equipment.
The scan array must be associated to a regular meshing. The distance between two
consecutive sensors defines the high frequency range of analysis.
The survey must assume a proper cover of the source, more specially if there are some active
components in the periphery of the equipment
Question 8 : Could you briefly describe the acquisition platform ?
Answer 8 : The Acoustical Imaging System LORHA is composed of :
•
•
•
•
a VXI FRAMEWORK
a powerful internal or external PC platform,
DAQ cards racked in the same hardware (up to 160 channels),
associated DSP card.
The choice of PC VXI platform offers a wide range of evolution. The AIS system is not
bound to acquisition hardware. Any change of the acquisition cards can be handled.
The standard system does not include any additional throughput disk; it may be optionally
added.
60
ANTENNERIE
Acquisition and processing
Question 9 : Is it possible to guarantee the quality of the measurements during
the sequence of acquisition ?
Answer 9 : During the acquisition runs, three indicators guarantee the quality of
measurements :
• overload detection indicator,
• low coherence level indicator,
• fault of stationarity indicator.
Associated to the real time monitoring function, these indicators provide an essential help to
the operator during the measurement campaign.
Hence LORHA always provides an insight on the measurement quality and the operator has
the capability of replaying a measurement run in case of fault.
For each measurement run, LORHA indicates the most coherent reference. This option
avoids the fastidious task of hand-checking of the whole set of reference spectra.
Question 10 : Could you briefly describe the procedure to obtain the first
interesting results ?
Answer 10 : The procedure to provide the first interesting results includes the following
steps:
•
•
•
•
•
•
enter the average distance between the measurement survey and the equipment,
select the most coherent reference,
select the frequency domain of interest,
select the option named « zero padding »,
deselect the option named « apodisation »,
select the evanescent waves factor (1 : propagative domain, >1 propagative and
evanescent domains ).
This first sequence provides an image of the source field. To quantify the sound radiated by
the source, the operator must use « Acoustic power » option and « Source ranking » option to
compute the contribution of the different components.
The last phase concerning the acoustic qualification of the equipment consists in calculating
the acoustic pressure radiated away and to display the result using « directivity » option.
Some other options can be added :
• screening,
• linking to material database,
• outcoming acoustic pressure selection... .
61
ANTENNERIE
Question 11 : In Acoustic Holography, you decompose the acoustic field in
propagative field and evanescent field, could you explain that ?
Answer 11 : Near the body or the equipment the complex sound field can be decomposed into
propagated field and evanescent field. The plane waves describe the part of the sound field
propagated away and the evanescent waves describe the complex sound field existing near the
envelope of the noisy equipment.
The energy of the evanescent waves decreases very quickly with the distance between
equipment and measurement survey. These evanescent waves are very important to optimise
the location of sources, so, it is important to choose a short distance between equipment and
measurement survey.
62
ANTENNERIE
Near field Acoustic Holography Applications
METRAVIB RDS applications of LORHA address various industrial activities :
•
•
•
•
•
very large structure (submarine)
rolling test bench,
wind tunnel,
engine test bench,
in flight aircraft cabin noise comfort.
Application domain 1
Very large equipment
Example 1
Noise radiated by a submarine.
In typical industrial situations, it is rarely feasible to perform a simultaneous acquisition of
any measurement point required for further acoustical holography processing.
The association of all elementary measurement runs composes a global array, necessary for
acoustical holography processing to be used for source localisation. For these experiments the
radiated sound stationarity of the equipment is very important.
Application domain 2
Rolling test bench
Example 2
Noise radiated by a car engine on rolling test bench
To be representative of the usual configuration of utilisation, some tests must be conducted
with the standard equipment in nominal configuration.
It is the case to estimate the noise radiated by a car engine on a rolling test bench.
63
ANTENNERIE
Application domain 3
Wind tunnel
Example 3
Noise radiated by a car engine in wind tunnel
To simulate a usual utilisation of the equipment, some experiments can be performed in wind
tunnel to localise and to identify the main noisy components.
Application domain 4
Engine test bench
Example 4
Noise radiated by a car engine on test bench
Sometimes the experiments can be performed in confined and noisy environment such as a
test bench for car engine
Under these conditions, LORHA allows to provide an interesting diagnostic.
Application domain 5
In flight aircraft cabin acoustical comfort.
Example 5
Noise radiated by an aircraft propeller
Sometimes it is not possible to simulate the usual utilisation on ground.
It is the case to qualify the cabin acoustical comfort in aircraft. LORHA allows to perform
some tests in true configuration.
64
ANTENNERIE
Acoustic holography application domains
The first question is very often : What Can it do ?
The answer will depend on the nature of the noisy problem. Near field Acoustic Holography
field of investigation is very large, the main domains of application are :
1
2
3
4
5
noise reduction,
quantification of noise radiation,
quality control,
health monitoring,
acoustic properties of materials.
So LORHA allows to manage a complete scope of work to minimise the sound radiated by a
complex equipment :
•
•
•
•
step 1 : global radiated noise signature,
step 2 : global acoustic optimisation,
step 3 : auxiliary machinery optimisation,
step 4 : maintenance.
In fact it is possible to define an optimal sound control strategy.
Noise reduction
Question :
What can it do ?
Answer number 1
LORHA, developed by METRAVIB RDS, is a powerful measurement and processing
software package dedicated, among others, to understand the radiated sound of every
mechanism in view of noise reduction. The first step will be noise diagnostic .
This analysis tool delivers a fine representation of acoustic sources distribution near the
envelope of the equipment. The operator can identify and easily localise the main noisy
sources or hot points (the image delivers the relative levels of all the component of the
equipment).
65
ANTENNERIE
Quantification of noise radiation
Question :
What can it do ?
Answer number 2
To complete the noise diagnostic it is really interesting to quantify more precisely the sound
radiated by the global equipment or by each component, LORHA allows to process the
global acoustic power radiated by the machine, and, using « source ranking » option, by
each element. The acoustic power is one of the most robust indicators to quantify the noise
radiated by an equipment or a complex system.
Reciprocally, before developing some important and expensive modifications to reduce the
noise, LORHA allows to estimate the noise reduction coefficient using « total or partial
screening » option.
Quality control
Question :
What can it do ?
Answer number 3
Industrial managers can be interested in controlling the noise quality of their products.
LORHA, developed by METRAVIB RDS, is really a well adapted software to compare the
radiated sound of new equipment and to declare this equipment “good” or “bad”.
It is the quality control application package of LORHA.
Test 1
Statement :
Good
Test 2
Statement :
Bad
66
ANTENNERIE
Health monitoring
Question :
What can it do ?
Answer number 4
LORHA system is also used in solving a usual problem involving a long use of a complex
machine. It is possible to control the evolution in time of the radiated sound of the equipment.
LORHA allows to identify the sound radiated by each elements of the complex equipment
and to identify which one is worn out.
It is the health monitoring application package of LORHA.
Acoustical properties of materials
Question :
What can it do ?
Answer number 5
LORHA, developed by METRAVIB RDS, is a powerful measurement and processing
software package; it is used to analyse the acoustic performance of material such as acoustic
isolation.
It is the
LORHA.
acoustical material properties estimation
application package of
67
ANTENNERIE
Sound control strategy
Question :
Is it possible to use LORHA to manage a complete sound control strategy ?
Answer number 6
LORHA system is often used in solving a complete sound control management. LORHA
allows to determine :
•
•
•
•
•
global radiated noise signature,
global acoustic identification and quantification,
auxiliary machinery quantification,
improvement design modifications,
final control and maintenance.
LORHA allows to identify the sound radiated by each element of the complex equipment and
to identify which one is worn out.
It is the sound
control strategy application package of LORHA.
68
ANTENNERIE
Acoustic holography introduction
This paragraph presents the origin of acoustical imaging, the main lines of the method and
some frequent applications.
The main parts are :
1 technical context,
2 acoustical imaging method,
3 usual applications.
Technical context
Question :
Why has METRAVIB RDS developed and used Acoustic Holography ?
Answer
• Since its early days in 1968, METRAVIB RDS has been a constant and active
partner of the French Directorate of Military Ship-Building (D.C.N.) in fields of
ship quieting and minimisation of self noise in order to increase the naval vessels
stealthiness.
• In the 80’s, the noise reduction became more and more stringent in the automotive
industry, as well as in other various industrial fields (space, environment, energy
production).
69
ANTENNERIE
Question :
Could you give me some references of LORHA applications ?
Answer
n
n
n
n
n
n
n
Military domain
French Directorate of Military Ship-Building D.C.N.,
INDRET (French Navy Technical Office),
Toulon, French Navy Arsenal,
Brest, French Navy Arsenal,
CETENA (Naval Building Office Italy in association whit Italian Navy),
DSTO (Australia Navy),
ETAS Angers (French Army Technical Unit).
Automotive application
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Renault (car opening panels),
Peugeot (engine noise),
Fiat (wind tunnel and rolling test bench experiments),
Michelin (tyre noise),
Sommer Allibert (dash board and car units diagnostics),
Ovatex (Italy) (Acoustical properties of materials),
Le Moteur Moderne (engine noise),
C.R.M.T. (engine noise),
Hutchinson (étanchéité automobile),
Matra Automobile.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Aeronautic
Airbus (cockpit noise),
Aérospatiale (cockpit and cabin noise),
Alénia (cabin noise EC Brite project Italy),
ATR (cabin noise EC Brite project France & Italy),
Saab (cabin noise EC Brite project Sweden),
Fokker (cabin noise EC Brite project The Netherlands),
Dornier (cabin noise EC Brite project Germany),
Cessna (influence of engine noise inside the cabin USA),
Pratt & Withney (engine noise localisation Canada).
Others
n European Gas Turbine (gas turbine health monitoring EC Brite project Great Britain &
Greece),
n Croisées Inter (Acoustic quality of windows),
n Clestra Huserman (Acoustic quality of industrial walls),
n Hewlett Packard (Personal Computer, development).
70
ANTENNERIE
Acoustical imaging method
Question :
Could you briefly introduce the principle of Near field Acoustic holography ?
Answer
The implemented algorithm in the LORHA software is a combination of acoustic near-field
calculations based on Near-field Acoustic Holography (NAH) established in planar geometry
and far-field calculations based on Helmholtz’ Integral Equation (HIE).
The complex acoustic near-field is split in plane waves and evanescent waves. The plane
waves describe the part of the sound field propagated away and the evanescent waves
describe the complex sound field existing near the envelope of the noisy equipment.
The amplitude and the direction of all wave components are described by their wave number.
The aim of Near-field Acoustic Holography is to apply to each component the invert
propagation formalism to obtain the acoustic field on a surface parallel to the measurement
plane and in the immediate vicinity of the sources. The subsequent computation of the
pressure field away from the noise sources delivers radiated pressure maps.
71
ANTENNERIE
Measurement technique
Question :
Could you introduce the equipment needed by Near field Acoustic Holography ?
Answer
A practical LORHA measurement and processing experiment is based on :
Microphones or Hydrophones
They are located relatively close to the radiating object. The measurement plan is obtained by
using a regular meshing of sensors dedicated to pressure measurements. The distance between
two sensors will define the frequency range of interest.
References
When using a standard set of microphones, it is not possible to simultaneously acquire all the
acoustic information. The Near-field Acoustic Holography is based on the measurement of
phased acoustic pressures on the regular meshing of microphones, thus one or several fixed
references must be used. These references must be representative of the noisy tested
equipment; different kinds of references can be used : acoustic sensors, vibration probes or
tachometer collectors.
Acquisition system
The acquisition system is based on a real time multiple channels acquisition system, VXI
front end or portable unit, with PC or workstation computer. During a sequence of
measurement all the information due to active microphone array location and all fixed
references are simultaneously acquired (average auto-power spectra and average cross-power
spectra).
Processing system
The processing unit is integrated in the acquisition system. All the data concerning geometry,
meshing and acquisition parameters are stored with the raw data in the same data base. The
results, 2-D spectra and 3D-maps can be directly analysed on the computer display or they
can be exported for an external use.
72
ANTENNERIE
Essential steps in acoustic holography
Question :
Could you briefly introduce the essential steps in Near field Acoustic holography ?
Answer
Measurement plane
Consider an array of sensors dedicated to pressure measurements. The survey is the result of a
set of acquisitions at a given distance from the noise sources (near field domain if possible).
This survey must be associated to a regular meshing; if it is not, a complex interpolation of
the measurement field must be performed.
The survey must also assume a proper cover of the source, more specially if there are some
active components in the periphery of the equipment. The practical use is sometimes critical,
i.e. measurement inside car. To allow performing experiments in cavity, LORHA includes a
robust proven arising boarder effect package.
First process
LORHA provides the pressure field on a surface parallel to the measurement plane and in the
immediate vicinity of the envelope of the source. This first process is named : back
propagation.
Attached process
The first images in the immediate vicinity of the envelope of the equipment allows to identify
the responsible sources of the noise. Sometimes some nice images are not sufficient to make a
complete and robust diagnostic; a set of processes is available :
•
•
•
•
global acoustic power,
far field processing,
source ranking,
total and partial screening.
73
ANTENNERIE
Essential steps in acoustic holography experiments
Likewise all experimental techniques , the three main parts of acoustical imaging test
campaign are :
• definition of the experiment,
• data acquisition,
• data processing.
Software organisation
• test definition,
• data acquisition,
• data processing.
• Experimental database
• geometry visualisation,
• monitoring,
• results visualisation.
Test definition
• noise source description
• sensor definition
• acoustic propagation domain.
Data acquisition
• acquisition parameters,
• acquisition sequences,
• acquisition procedure.
Data processing
• preliminary analysis,
• holography,
• intensity.
74
ANTENNERIE
The sequences of these three main parts are :
Task 1 : Definition of the experiment
Task 1.1 :
Task 1.2 :
Task 1.3 :
Task 1.4 :
Task 1.3 :
Task 1.4 :
Task 2 :
Selection of the different probes and sensors
Calibration of the sensors
Definition of the array of measurement
Definition of the meshing
Definition of the acquisition parameters
Choice of a set of fixed references
Data acquisition
Task 2.1 :
Test and validation
Task 2.1.1 : Selection of the most pertinent references
Task 2.1.2 : Control of correlation index between sensors and references
Task 2.2 :
Raw data acquisition
Task 2.3 :
Preliminary analysis
Task 2.3.1 : Reference autopower spectra
Task 2.3.2 : Average autopower spectra
Task 2.3.3 : Acoustic field 3D-display maps
Task 2.3.4 : Ordinary coherence function spectra
Task 2.3.5 : Ordinary coherence 3D-display maps
Task 3 :
Data processing
Task 3.1 :
Near field processing functions
Task 3.1.1 : Back propagated pressure maps
Task 3.1.2 : Acoustic power processing
Task 3.1.3 : Screening
Task 3.1.4 : Source ranking
Task 3.2 :
Far field processing functions
Task 3.2.1 : Far field sound pressure processing (free field)
Task 3.2.2 : Far field sound pressure processing (confined field)
Task 3.2.3 : Computation of directivity patterns
75
ANTENNERIE
Definition of the experiment
Question :
Could you present the processing path to define an experiment ?
Answer 1
Two items are absolutely necessary to define an experiment :
• dimensions of the body of the equipment,
• frequency domain of interest.
The size of the equipment will determine the size of the survey, the survey must guarantee a
proper cover of the body of the equipment.
The distance between two probes will define the high frequency limit of the analysis :
f
= cO
max.
1
2∆
The low frequency limit will depend on the acoustic near radiated field by the equipment.
Question :
Could you present the processing path to define an experiment ?
Answer 2
Another important parameter is the distance between the envelope of the equipment and the
survey of measurement.
Near the body or the equipment, the complex sound field can be decomposed into propagated
field and evanescent field. The plane waves describe the part of the sound field propagated
away and the evanescent waves describe the complex sound field existing near the envelope
of the noisy equipment. The energy of the evanescent waves decreases very quickly with the
distance between equipment and measurement survey. These evanescent waves are very
important to improve the location of the sources, so, it is important to choose a short distance
between equipment and measurement plan.
d≤
λ 1 cO
=
3 3 f
76
ANTENNERIE
Complementary remarks :
• The sensors will be chosen to cover the frequency band of interest,
• the size of these sensors will be chosen to minimise the diffraction effect of their
body.
Question :
Could you present the processing path to define an experiment ?
Answer 3
The next step to define an experiment is the selection of a set of acquisition parameters as
follows :
• Maximum frequency of interest,
• Frequency resolution.
These two parameters will define the sampled frequency and the time of analysis.
To obtain a good statistical representation of the energy, it is necessary to average the
measurements; two kinds of averaging can be used :
• « stable » for stationary noise,
• « exponential » for non-stationary noise.
To begin the measurement sequence it can be interesting to use an external signal for rotating
engine or an automatic mode for stationary noise.
The last acquisition parameter is the windowing type; in most cases « Hanning » window
type is used.
77
ANTENNERIE
Question :
Could you present the processing path to define an experiment ?
Answer 4 (end)
Most of the time it is not possible to simultaneously acquire the complete surface of
measurement. So, to know the phase relationship between each sensor, it is necessary to use
some fixed references. These references must be representative of the different active
components of the equipment. To select them, the operator must :
• control the active frequency domain of each of them,
• control the degree of correlation between the selected references.
For one reference, the active frequency domain depends on :
• the frequency signature of the dynamic item,
• the ordinary coherence function between the selected frequency and the sensors of
the measurement plane.
A set of references will be selected only if the whole of the frequency components of the
equipment signature are covered by the reference signatures. If two of these references are
completely correlated, use only one of them. These references can be :
• microphones,
• hydrophones,
• accelerometers,
• all kinds of dynamic sensors representative of the component signatures.
78
ANTENNERIE
Data acquisition
Question :
What are the different actions during the acquisition sequence ?
Answer
During the acquisition sequence three indicators must be controlled :
• overload,
• coherence,
• stationarity.
If one of these parameters is wrong, the current acquisition must be repeated.
Overload
Never save a signal if an overload has been detected during the acquisition. Change the
channel amplification factors and control the individual signatures.
Coherence
During one measurement sequence, one of the active sensors must be coherent with one of the
selected fixed references. Sometimes, on the edge of the survey this condition is not
respected.
Stationarity
From one measurement sequence to another, the energy measured by the selected fixed
references must be stable. This condition is imperative to obtain good results.
79
ANTENNERIE
Data processing
a) Near field processing functions
Question :
Could you describe the procedure to near field process ?
Answer
The procedure to provide the first interesting results include the steps as follows :
•
•
•
•
•
•
enter the average distance between the measurement survey and the equipment,
select the most coherent reference,
select the frequency domain of interest,
select the option named « zero padding »,
deselect the option named « apodisation »,
select the evanescent waves factor
This first sequence provides an image of the source field, it is the near filed processing
mode.
This processing mode allows to localise and to identify the responsible components of the
acoustic radiated pressure of the complex equipment.
To quantify their contributions, it is necessary to compute the « global
or partial
acoustic power » due to the global equipment or due to some components.
The « source
contributions.
ranking »
option
provides
a
spectrum
representation
of
these
To simulate the effect of some modifications, the « screening » option can be used to
modify the contribution of one of the components.
80
ANTENNERIE
b) Far field processing functions
Question :
Could you describe the procedure for far field processing ?
Answer
It can be interesting to estimate the noise radiated away by a complex equipment. This is an
option named « far field imaging », based on Helmholtz’ Integral Equation (HIE),
which is available in LORHA..
Different representations of the far field acoustic pressure are available :
• at one point, the operator must specify X, Y, Z coordinates of the point; the result
will be a spectrum,
• directivity, the operator has access to far field results in form of directivity patterns
(or polar diagrams) computed at a chosen distance from the source.
81