La cavité de couplage acoustique dans la méthode de réciprocité : modèles analytiques pour l'étalonnage des microphones et la mesure d'impédances de petits composants

par Cécile Guianvarc'h

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Michel Bruneau.

Soutenue en 2005

à Le Mans .


  • Résumé

    Les laboratoires de métrologie acoustique utilisent en général des microphones de haute qualité comme étalon de référence pour leurs appareils de mesures acoustiques. Ces microphones, appelés étalons de laboratoire, doivent eux-mêmes être étalonnés avec une grande précision. Depuis plusieurs décennies, la méthode usuelle (normalisée) pour étalonner ces microphones c’est-à-dire pour déterminer leur efficacité en pression, est la méthode de réciprocité. Cette méthode nécessite l'usage de deux microphones couplés par une cavité acoustique close généralement de forme cylindrique, fermée latéralement par des parois rigides et aux extrémités par les membranes des microphones, l'un étant utilisé en émetteur, l'autre en récepteur. Le produit des efficacités des microphones est déduit de mesures électriques et du calcul analytique de l'admittance acoustique de transfert du système. Les équipements et les techniques de mesures actuels permettent d’atteindre une précision dans les mesures électriques de l'ordre du centième de décibel. Une précision du même ordre de grandeur est alors recherchée dans le calcul de l'admittance acoustique de transfert, qui repose sur la modélisation du champ acoustique dans la cavité de couplage. Il est donc nécessaire que cette modélisation soit aussi complète et précise que possible. Les modèles actuellement en usage ne paraissent pas aujourd'hui, de ce point de vue, présenter toutes les «garanties» nécessaires pour accéder à un étalonnage dont la précision est compatible avec la précision de la mesure électrique. Ainsi, l'objet de cette étude est d'établir des modèles analytiques plus complets pour le champ de pression dans la cavité de couplage, prenant en compte les effets de couches limites visqueuses et thermiques et la structure fine de la répartition spatiale du champ acoustique. Au-delà des résultats qui doivent conduire à la révision des normes actuellement en vigueur, les résultats obtenus portent l'espoir de mener à une méthode de mesure fine des caractéristiques d’entrée des petits composants acoustiques qui fait défaut à l'heure actuelle et de mener à terme à des ouvertures sur la métrologie des micro-composants acoustiques (attendues dans le cadre de la caractérisation des oreilles artificielles et de la miniaturisation des capteurs). Enfin, des développements futurs portant sur de nouvelles modélisations de capteurs microphoniques, qui prendraient en compte les effets de déformées réalistes des membranes et corrélativement la répartition spatiale des mouvements acoustiques dans les micro-cavités et micro-conduits qui constituent ces capteurs, permettront aux modèles proposés de donner leur «pleine mesure» en terme de finesse de mesure et de caractérisations de capteurs et mini-composants acoustiques.

  • Titre traduit

    Closed acoustic coupler for the reciprocity method : analytical models for microphones calibration and measurement of small components impedances


  • Résumé

    Acoustic metrology laboratories generally use high quality microphones as a reference for their acoustic measurement devices. Then these microphones, called Laboratory Standard Microphones, have to be calibrated with a great accuracy. During the last decades, the usual standardized method for calibrating these microphones, that is for determining their pressure sensitivity, is the reciprocity method. This method uses two microphones acoustically connected by a coupler which is an acoustic cavity, generally cylinder shaped, closed by lateral rigid walls and at its ends by the diaphragms of the microphones, one being used as a transmitter and the other one as a receiver. The product of the microphone's sensitivities is determined from electrical measurements and from the analytical calculation of the acoustic transfer admittance of the system. Actual equipments and measurement technics permit to reach the order of 0. 01 dB for the electrical measurements accuracy. The same precision is then requiered for the calculation of the acoustic transfer admittance which lies on the modelling of the sound pressure in the coupling cavity. Consequently, this modelling has to be as complete and accurate as possible. The model currently in use seems not to be sufficiently reliable to allow calibration with an accuracy that is compatible with the one of the electrical measurements. Thus, this is the aim of this study to build more complete analytical models for the sound pressure in the cavity taking into account the viscothermal boundary layers effect and the precise dependency of the acoustic field on the space coordinates. The results should lead to revise the standards currently in use, and moreover the obtained results could lead to a deep measurement method for the input characteristics of small acoustic components, that is actually missing, and that in the future they could lead to openings in the metrology of acoustic micro-elements (useful for characterization of the artificial hear and for the miniaturization of sensors). Finally, future developments about new modelling of microphones, that would take into account the effects of realistic diaphragm movements and then the spatial distribution of the acoustic movements in micro-cavities and micro-ducts that compose these sensors, will allow the models presented here to be of high interest concerning deep measurements and characterization of sensors and acoustic micro-components.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (182 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 181-182

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  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2005LEMA1021
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