10ème Congrès ranças d'acoustque Lyon, 1-16 Avrl 010 Imagere acoustque en soufflere SA Arnaud Ménoret 1, Nathale Gorllot, Jean-Luc Adam 3 1 Sgnal Développement, 1 Bld Chassegne, 86000 Poters, a.menoret@sgnal-developpement.com GIE SA, Av Volta, 78180 Montgny Le Bretonneux, nathale.gorllot@gesa.fr 3 Renault, TCR AVA 1 63, 1 Av du Golf, 7888 Guyancourt Cedex, jean-luc.adam@renault.com Lors de la concepton d'un véhcule automoble, les constructeurs cherchent à rédure le brut rayonné vers l'extéreur mas auss à maîtrser le confort acoustque dans l'habtacle. Cet artcle décrt les algorthmes optmsés de localsaton de sources aéroacoustques qu ont été ms en place dans la soufflere SA pour le tratement smultané de deux antennes acoustques. Ceux-c peettent de caractérser les sources de brut rayonnant vers l extéreur du véhcule mas auss l'mpact de ces sources vers l'ntéreur de l'habtacle. L'algorthme CLEAN de localsaton des sources de brut extéreures est d'abord explcté. Cette méthode, ssue de la radotéléscope, consste à estmer pas à pas la dstrbuton des sources, en "nettoyant" de manère tératve une cartographe obtenue à l ade de la méthode de foaton de voe classque (CB). Il amélore nettement la dynamque des cartographes, la plage fréquentelle d'analyse et donne accès aux caractérstques spatales et spectrales de chaque source localsée. A partr de cette lste de sources, l est possble d'évaluer le brut rayonné par une zone précse du véhcule. La méthode MALIS (Méthode Acoustque pour la Localsaton par Imagere Sélectve) de localsaton des sources de brut rayonnant vers l'ntéreur et développée en partenarat avec RENAULT est ensute détallée. Elle repose sur le tratement smultané de la dstrbuton de sources aéroacoustques autour du véhcule et des fonctons de transfert qu défnssent la transmsson acoustque entre ces sources et des ponts récepteurs stués à l ntéreur de l habtacle. Enfn, les résultats obtenus avec ces algorthmes sur des véhcules placés dans la soufflere SA seront présentés sous foe de cartographes 3D extéreures et ntéreures. 1 Introducton Les technques d'magere acoustque ont ntalement été développées pour le domane aéronautque. Le secteur automoble a ensute hérté de ces méthodes peettant de localser les sources de brut à l'extéreur du véhcule. Les bruts de roulement et de motorsaton ayant été réduts, les bruts d'orgne aérodynamque jouent un rôle de plus en plus prépondérant. Encore dffcle à modélser, ce type de source nécesste une caractérsaton expéentale par le bas de campagnes d'essas en soufflere. Pour répondre aux partculartés de la mesure en soufflere ans qu'aux exgences du secteur automoble, l'algorthme de base de foaton de voes (CB pour Conventonal Beamong) a dû être adapté. La présence de sources mages générées par le plancher réfléchssant et le décalage spatal des sources ndut par l'écoulement sont ans des perturbatons qu'l a fallu prendre en compte dans les foulatons de la foaton de voes. Dans un souc de fablté des résultats, l'utlsaton d'un algorthme optmsé de type CLEAN [1] s'est également avérée nécessare. Avec cette méthode la dynamque des cartographes et la précson de localsaton ont été grandement amélorés. Enfn, pour la concepton d'un véhcule automoble, le constructeur ne s'ntéresse pas seulement aux sources rayonnant vers l'extéreur mas également aux sources partcpant actvement au brut à l'ntéreur de l'habtacle. La méthode MALIS a été développée en collaboraton avec Renault pour localser ce type de source. Localsaton de sources de brut d'orgne aérodynamque.1 Méthode de foaton de voes En magere acoustque, le tee foaton de voes désgne un processus peettant à partr d'une mesure d'antenne,.e. un réseau de mcrophones, de connaître le nveau d'émsson sonore d'un pont de focalsaton chos. La foaton de voes consste dans le domane temporel à pondérer et à retarder les dfférents sgnaux mcrophonques avec un retard correspondant à la dstance de marche entre le pont de focalsaton et le mcrophone. Ces sgnaux sont ensute sommés pour donner la réponse de l'antenne. Cette sommaton des sgnaux par le jeu des nterférences peet d'obtenr un lobe de drectvté présentant un maxmum dans la drecton de la source. Une noalsaton adéquate peet de ler ce maxmum à la pussance de la source placée au pont de focalsaton. L'ntérêt d'une antenne est alors de pouvor "écouter" dans dfférentes drectons en ntrodusant analogquement ou numérquement des retards sur les sgnaux. Dans le domane fréquentel, le tratement de foaton de voe condut à l'établssement de dfférents estmateurs []. On cherche à mnmser au sens des mondres carrés l'erreur de reconstructon : mn λ P σ (1) où P est le vecteur représentant les sgnaux des N mcrophones de l'antenne, est le vecteur représentant les fonctons de transfert entre un pont de l'espace noté et les
N mcrophones et σ est l'ampltude du sgnal éms par la source de brut placée au pont. Cette mnmsaton condut à un estmateur d'ampltude noté : P ˆ σ = () et à un estmateur de drecton encore appelé estmateur de cohérence noté : P γˆ = (3) P Cet estmateur vare entre 0 et 1. Il tradut en fat l'adéquaton entre les sgnaux mesurés et les sgnaux pouvant être reconstrut avec le modèle pour une source placée au pont de focalsaton. Dans le cas de sgnaux aléatores, on ntrodut la matrce nterspectrale des sgnaux mcrophonques : Γ = P P (4) Les estmateurs de cohérence et d'ampltude s'écrvent alors : Γ γˆ = Tr( Γ) et Γ σˆ = (5,6) 4 Physquement, σˆ ndque la quantté d'énerge reçue par l'antenne qu peut être reconsttuée à partr du monopôle stué au pont de focalsaton. La foaton de voe possède l'avantage majeur de la robustesse, notamment par rapport à des méthodes hautes résoluton comme Musc ou Capon [3]. Cet avantage provent du fat que le fltrage spatal ne dépend pas des données mesurées. En revanche, ses perfoances sont parfos trop fables (fgure 1), rédusant consdérablement la gamme de fréquence présentant à la fos un lobe prncpal assez étrot, de fables lobes secondares et, l'absence de sources fctves. gure 1 : CB 160 z (à gauche) et 150 z (à drote), source en X = 1 m et Z =.5 m. Adaptaton aux mesures en soufflere En espace lbre et en l absence d écoulement, la presson captée par un mcrophone stué à la dstance r m d un monopole en régme haonque est donnée par l équaton suvante : 1 r p = exp jω t - (7) où c est la célérté du son et ω la pulsaton. Lorsque la soufflere est dotée, comme dans la soufflere SA, d'un plancher réfléchssant, les sources mages dovent être prses en compte et la presson s'écrt alors : 1 r + 1 r' m p = exp jω t - exp jω t - (8) r' m où r' m est la dstance entre la source mage et le monopole. L'autre paramètre à ntégrer dans le calcul des fonctons de transfert est l'ncdence de l'écoulement sur la propagaton du son. Sous l hypothèse de l acoustque géométrque, les effets de la convecton et de la couche de csallement entre le mcrophone et la source peuvent être modélsés en ntrodusant deux tees correcteurs dans l expresson d'orgne : A r p = exp jω t - + Δt (9) Dans cette équaton, Δt représente la dfférence entre le temps d arrvée du front d onde avec écoulement et la valeur obtenue sans écoulement, A représente le tee de correcton d ampltude du sgnal de presson..3 Brut à l'extéreur d'un véhcule : CLEAN WB La méthode CLEAN, ssue de la radotéléscope, consste à estmer pas à pas la dstrbuton des sources, en "nettoyant" de manère tératve une cartographe obtenue à l ade de la méthode de foaton de voe classque (CB). CLEAN WB (Wdeband) [1] est la verson large bande de CLEAN. Avec cette méthode, les lmtatons de la foaton de voes peuvent être dépassées (fgure ). gure : CLEAN WB 160 z (à gauche) et 150 z (à drote), source en X = 1 m et Z =.5 m L'algorthme CLEAN WB peet d estmer les caractérstques d une dstrbuton dscrète de sources. Chacune des sources est caractérsée par sa poston et la transfoée de ourer du sgnal éms. CLEAN WB se dstngue des autres algorthmes d'optmsaton sur pluseurs ponts. En premer leu l n est pas nécessare d effectuer un mallage fn de la zone source pour obtenr une estmaton précse de la poston des sources. En effet, le mallage ntal de la zone sert unquement pour donner une premère estmaton de la poston des sources, qu est ensute affnée par optmsaton. Il s'agt de plus d'un algorthme tératf, dans lequel la pussance des sources est estmée dans toute la bande d analyse à chaque tératon. Chaque source n est caractérsée par la transfoée de ourer de son ampltude (notée S n, (ω), avec l ndce de trame temporelle), et sa poston x. L algorthme fat ntervenr un paramètre numérque, noté ρ, comprs entre 0 et 1, qu fxe la vtesse de convergence. Dans le cadre de la majorté des applcatons de l magere acoustque, seule l estmaton de la poston et de la pussance moyenne des sources est recherchée. Lorsque l on ne souhate pas détener le sgnal temporel éms par les sources, l algorthme CLEAN WB peut être modfé de manère à être applqué drectement à la matrce nterspectrale des sgnaux mcrophonques. L ntérêt est
d une part, un gan de place mémore, et d autre part, une réducton du nombre d opératons à effectuer lorsque la talle des sgnaux est mportante. Le processus tératf peut alors s'écrre de la façon suvante : 1. Intalsaton = 0 Créaton d'une matrce nterspectrale «reste» à partr de la matrce nterspectrale mesurée : Γ ( ω) = Γ( ω) (10). Tant que Γ content de l'nfoaton, répéter : a. Recherche de la poston x du maxmum de l'estmateur de cohérence, calculé sur toute la bande passante : ( x,ω) Γ ( ω) ( x,ω) ( Γ ( ω) ) ( x,ω) x = argx max ω Tr b. Estmaton de la pussance de la source : ( x,ω) Γ ( ω) ( x,ω) 4 ( x,ω) (11) ˆ σ ( ω) = (1) ω c. Enregstrement de la source d. Nettoyage de la matrce Γ : Γ = Γ ρr x Γ ργ R x + ρ R x + 1 ( ) ( ) ( ) ΓR( x ) ( ) ( x ) ( x ) x ( x ) avec : R = (13) e. = + 1 3. Somme des sources localsées en chaque pont focal pour obtenr la cartographe de pussance fnale..4 Brut à l'ntéreur d'un véhcule : MALIS Les technques d magere acoustque présentées précédemment peettent de caractérser les sources de brut rayonnant vers l extéreur du véhcule. Pour détener l'mpact de ces sources dans l'habtacle, une approche développée par Sgnal Développement en partenarat avec Renault [4] consste à réalser une mesure smultanée du champ acoustque extéreur, à l ade d une antenne mcrophonque, et ntéreur à l ade de mcrophones de presson. A partr de ces données, on cherche non seulement à caractérser la dstrbuton de sources aéroacoustques autour du véhcule, mas également les fonctons de transfert (R, requency Response unctons) qu caractérsent la transmsson acoustque entre ces sources et des ponts récepteurs stués à l ntéreur de l habtacle (fgure 3). Cette méthode a été baptsée MALIS (Méthode Acoustque pour la Localsaton par Imagere Sélectve). Le prncpe de base de la méthode MALIS est le suvant. La foaton de voes classque peet d'évaluer la pussance des sources aéroacoustques extéreures S( ), désgnant le pont de focalsaton. Cependant, la contrbuton réelle de S( ) au brut ntéreur mesuré y(t) dépend de la foncton de transfert h nt ( ) qu représente le fltrage de la source par la structure et l'habtacle du véhcule jusqu'aux orelles du passager. En supposant que les sources de brut sont décorrélées spatalement, la pussance sur le mcrophone ntéreur en foncton des R h nt ( ) et de la pussance émse par les sources extéreures < s ( ) s( ) > s'écrt: < yy > = τ( ) = h( ) < s( ) s( ) > (14) où τ( ) est la contrbuton en pussance de la source S( ) au brut ntéreur, appelée contrbuton ntéreure. En notant Γ = PP la matrce nterspectrale des mcrophones de l antenne, et C = yp le vecteur des nterspectres entre le mcrophone ntéreur et les mcrophones de l antenne, on en dédut l expresson de l estmateur de la contrbuton ntéreure : τˆ ( ) h ( ) s( ) s( ) ( ) C ( ) Γ ( ) = nt = (15) En réalté, l'estmaton de la contrbuton ntéreure est basée par la présence des lobes secondares générés par la réponse de l'antenne dans le calcul de < s ( ) s( ) > par foaton de voes. La méthode MALIS utlse donc le même procédé de nettoyage que l'algorthme CLEAN. La source domnante étant correctement estmée, celle-c est sauvegardée et est soustrate à la cartographe "reste" à chaque tératon. 3 Applcaton en soufflere SA 3.1 Dspostf de mesure gure 4 : antennes acoustques latérale et vertcale dans la soufflere SA gure 3 : sources localsées par l'antenne mcrophonque (P) et entendues par le passager (Y) La soufflere SA stuée à Montgny-Le-Bretonneux s'est dotée d'un système d'magere acoustque perfoant pour répondre aux besons des constructeurs automobles. La vene d'essas de secton 4 m² et de longueur 14 m peet de tester des véhcules autant du pont de vue
aérodynamque que du pont de vue acoustque jusqu'à des vtesses de 40 m/h. Le système d'magere est composé de deux antennes latérale et vertcale respectvement de 64 et 88 mcrophones. Ces antennes ont des envergures de m x 4 m et 4 m x 4 m (fgure 4). L'acquston est assurée par des cartes PXI de Natonal Instruments plotées par le logcel SD-Daq (logcel d'acquston développé par Sgnal Développement). Cette chaîne assure le condtonnement et l'acquston smultanée sur 4 bts des 160 sgnaux jusqu'à une fréquence d'échantllonnage de 100 z. Le logcel SD-Daq peet également la localsaton de sources de brut en temps réel ans que l'écoute au pont focalsé. 3. Outls d'analyse Le tratement des données est assuré par le logcel SD- Image (logcel d'magere acoustque développé par Sgnal Développement) couplé à un cluster de 4 ordnateurs quadr-cœurs. Pa les nombreuses fonctonnaltés dsponbles, les tratements CLEAN WB et MALIS peettent de tracer les cartographes de brut extéreur et ntéreur avec une dynamque de plus de 15 db. Les fgures 5 et 6 fournssent des exemples de résultats obtenus avec CLEAN WB et les deux antennes acoustques. Les cartographes peuvent être représentées en D avec la photographe du véhcule en arrère plan ou ben en 3D sur un mallage du véhcule. Avec ces représentatons, la lsblté des résultats est grandement amélorée. La contrbuton des sources aéroacoustques extéreures au nveau de brut ntéreur mesuré à l'emplacement du conducteur est représentée en fgure 8. Du pont de vue du conducteur, les sources de brut au nveau des essue-glaces et de la roue avant ont dsparu. La dernère fgure (fgure 9) montre l'nfluence de l'emplacement du pont d'écoute, avec le mcrophone ntéreur postonné au nveau de la place passager avant. Dans cette confguraton, le rétrovseur avant gauche devent une source secondare. gure 7 : cartographe extéreure 3D à 1000 z avec les deux antennes gure 5 : cartographe extéreure D à 1600 z avec l'antenne du dessus gure 8 : cartographe ntéreure 3D à 1000 z avec les deux antennes pour la place conducteur gure 6 : cartographe extéreure 3D à 1000 z avec les deux antennes Les cartographes présentées en fgures 7 à 9 llustrent les perfoances de la méthode MALIS sur un véhcule utltare. La fgure 7 présente une cartographe typque du brut extéreur obtenue à 1000 z avec CLEAN WB. Les sources les plus énergétques sont localsées au nveau de la roue avant, du rétrovseur et des essue-glaces. gure 9 : cartographe ntéreure 3D à 1000 z avec les deux antennes pour la place passager Outre ces représentatons D et 3D des sources localsées, le logcel d'analyse peet également de comparer sous foe de spectres les nveaux d'émssons de zones précses de la zone focale (fgure 10). Grâce aux algorthmes CLEAN WB et MALIS qu donnent accès aux caractérstques spatales et spectrales de chaque source localsée, cette nfoaton est drectement dsponble. Ce procédé faclte le traval d'expertse généralement réalsé en aval d'une campagne d'essas.
db SPL 0 - -4-6 -8-10 -1-14 -16-18 Rétrovseur Roue avant -0 100 1000 10000 réquence (z) gure 10 : nveaux de presson à 1 m des sources rétrovseur (en rouge) et roue avant (en bleu) 4 Concluson Pour répondre aux besons des constructeurs, le GIE- SA s'est doté d'un outl ndustrel perfoant d'magere acoustque. Celu-c assoce une double antenne acoustque avec des tratements optmsés de localsaton de sources. L'algorthme CLEAN WB fournt la répartton des sources de brut extéreures en s'affranchssant du bas apporté par la réponse d'antenne dans les algorthmes de base de foaton de voes. Répondant à un beson prortare des constructeurs automobles, la méthode MALIS a quant à elle été développée afn d'estmer les contrbutons des sources aéroacoustques extéreures au brut ntéreur. Autrefos trop coûteux en temps, ces algorthmes d'optmsaton peuvent mantenant être utlsés dans un contexte ndustrel avec les moyens de calcul dsponbles. Le traval de l'ngéneur est ans faclté par la grande dynamque des cartographes et l'accès aux caractérstques spatales et spectrales de chacune des sources localsées. Références [1] Wang Y., L J., Soca P., Shepla M., Nshda T., "Wdeband RELAX and wdeband CLEAN for aeroacoustc magng", J. Acoust. Soc. Am. 115 (), 757-767 (004). [] Elas G., "Localsaton par antenne focalsée de sources de brut en vue de leur réducton", Entretens Scence et Défense, TP ONERA, 1990-48 (1990). [3] Wang Z., L J., Soca P., Shepla M., Nshda T., "Robust Capon beamfoers for wdeband acoustc magng", Proceedngs of the 9th AIAA/CEAS Aeroacoustcs Conference (003). [4] Adam J.L., Rcot D., Lambourg C., Ménoret A., "Correlated beamfong method for relevant aeroacoustc source dentfcaton", SAE, 009-01- 34 (009).