Localisation par retournement temporel de sources acoustiques supersoniques en milieu réverbérant

par Guillaume Mahenc

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Manuel Melon.

Soutenue le 06-12-2016

à Paris, CNAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés / LMSSC (laboratoire) et de Institut de recherche franco-allemand de Saint-Louis (entreprise) .

Le président du jury était Vincent Gibiat.

Le jury était composé de Eric Bavu, Pascal Hamery, Sébastien Hengy, Laurent Simon.

Les rapporteurs étaient Julien de Rosny, Régis Marchiano.


  • Résumé

    On s'intéresse à la localisation de l'axe du cône de Mach lié au déplacement supersonique d'un source acoustique en milieu réverbérant à l'aide d'un nombre limité de microphones. L'application faisant l'objet du financement doctoral est la localisation de tireurs embusqués, dans le cadre de la protection du combattant. Le principe du retournement temporel stipule que, lors de la réémission des mesures renversées dans le temps depuis leurs positions respectives, tout se passe comme si le champ de pression acoustique se propageait en remontant le temps et focalisait à l'endroit de la distribution de sources. Cette focalisation est d'autant plus efficace que les positions de capteurs ont tendance à former une surface fermée autour des sources. On considère une distribution discrète de microphones à hauteur constante dans une rue rectiligne. Dans une première approche, le déplacement supersonique est modélisé selon le principe de Huygens-Fresnel comme une sommation de sources monopolaires. Cela permet une formulation analytique du problème direct pouvant être résolue par des simulations numériques simples en accord avec un montage expérimental de synthèse de cône de Mach au moyen d'une ligne de haut-parleurs. La résolution du problème inverse se fait en calculant numériquement le champ rétropropagé depuis les positions des microphones jusque dans des tranches verticales disposées le long de la rue. L'utilisation d'un critère statistique d'ordre supérieur permet de réduire la contribution des termes de sources dans le champ rétropropagé, à l'origine d'une divergence du champ de pression autour des positions de microphones. L'axe du cône de Mach peut alors être localisé avec une bonne précision angulaire. Dans une deuxième approche, on considère un front d'onde conique réel en déplacement supersonique. Les temps d'arrivée obéissent à des lois de retard bien précises. Notre modèle de réverbération permet de prédire la plupart des pics correspondant à l'arrivée au point de mesure des signaux impulsionnels réfléchis. La réverbération n'a pas un effet aussi bénéfique dans le cadre d'une source supersonique réelle que dans le cas d'une source statique, ni même que dans celui de la ligne de haut-parleurs, car la source supersonique présente des contraintes géométriques particulières dont le retournement temporel ne tient pas compte, étant donnée la différence de géométrie des ondes directe (un cône) et retournée dans le temps (une superposition d'ondes sphériques). Cependant, la focalisation autour du passage de l'axe est observée dans les tranches horizontales, avec une qualité dépendant fortement de l'agencement de l'antenne de microphones.

  • Titre traduit

    Supersonic sources localization in reverberant environments using acoustic time reversal techniques


  • Résumé

    We are interested into the localisation of the Mach cone --- created by the supersonic motion of an acoustic source into a reverberant medium --- by means of a limited amount of microphones. The application concerns sniper localisation, hence protection of the soldier. Theory of time-reversal states that when reemitting measures reversed in time from their respective positions, everything happens as if the pressure field were propagating travelling backwards in time and focused on the source distribution. This result is enhanced when the microphone distribution over space forms a closed surface surrounding the sources, according to Kirchhoff-Helmholtz formula. Aiming at a physically and technologically implementable method, we consider a discrete distribution of microphones, disposed at a constant height in a reverberating area reproducing the geometry of a straight narrow street.The problem shows specific constraints due to its specific geometry that we aim to use sparsely. In a first approach, we consider the supersonic displacement from the viewpoint of Huygens-Fresnel principle as a discrete sum of monopolar sources, which allows an analytical formulation of the direct problem solvable by simple numerical simulations. This model is in agreement with an experimental framework, were the Mach cone is synthesized by means of a loudspeaker array. The resolution of the inverse problem is made by computing the time-reversed pressure field into vertical slices disposed along the street. The use of a fourth-order spatiotemporal statistical criterion (kurtosis) allows to reduce unwanted contribution of source term causing a divergence around microphone positions. A maximum of kurtosis is observed around the intersection between the time-reversal slice and the Mach cone axis, allowing localisation of the latter with good angular precision. In a second approach, we investigate the previous method on a real Mach cone. It is necessary to adopt the point of view of dynamical space-time geometry to understand the behaviour of the times of arrival of the different image sources. It is also necessary to take into account the finiteness of the reberberating walls. Our geometrical theory of reverberation allows a modelisation of the direct problem in good agreement with experimental measurements. We show that the effect of reverberation does not enhance time-reversed focalisation as well as it does with a static source. This is mainly due to geometric constraints that are not reproduced in the time-reversed wavefront superposition. The resolution of the inverse problem strongly depends on the disposition of the microphone set: on the 9 configurations, only one allows detection of the axis.


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