Techniques de formation de voies et de retournement temporel pour l'identification de sources aéroacoustiques en soufflerie par antenne microphonique tri-dimensionnelle

Beamforming and time-reversal techniques for aeroacoustic source identification in a wind-tunnel using three-dimensional microphone arrays

• Auteur / Autrice : Yinshi Zhou
• Direction : Vincent Valeau, David Marx, Régis Marchiano, Christian Prax
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique et Aéroacoustique
• Date : Soutenance le 08/07/2021
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Gloerfelt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Marx, Régis Marchiano, Christian Prax, Con Doolan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Quentin Leclère, Eric Bavu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Audition directionnelle

Antennes-réseaux à commande de phase

Retournement temporel (acoustique)

Essais en soufflerie aérodynamique

Aéroacoustique

Mots clés libres

Aéroacoustique

Soufflerie

Formation de voies

Retournement temporel

Source de bruit

Profil d'aile

Aeroacoustics

Wind-Tunnel

Beamforming

Time-Reversal

Noise source

Airfoil

Résumé

Les objectifs de réduction de bruit dans les domaines de l'ingénierie de l'aéronautique ou des transports terrestres impliquent l'identification des sources de bruit aéroacoustique, souvent réalisées au moyen d’antennes microphoniques. Dans cette thèse, des mesures sont réalisées avec un prototype d’antenne tridimensionnelle (3D) de microphones MEMS formant un tunnel autour de la section d'essai ouverte d'une soufflerie anéchoïque, et des stratégies de traitement de signal appropriées sont développées. Dans la première partie, la technique de formation de voies (FV), tenant compte d’un rayonnement dipolaire en champ libre des sources de bruit (typique du bruit d'interaction écoulement-obstacle), est étendue à l'identification des sources de bruit dans des domaines 3D. La FV 3D s'avère efficace pour identifier les sources aéroacoustiques générées par des profils d’aile encastrés. Des tests supplémentaires sur un cas plus complexe -un modèle d’aile hypersustentée- suggèrent que l’influence des parois du modèle sur la propagation du son devrait être prise en compte dans la technique d'identification des sources. La deuxième partie introduit ainsi la technique de retournement temporel (RT) numérique pour l'identification des sources de bruit en considérant des frontières solides dans l’écoulement. Cette technique combine des mesures acoustiques et un outil numérique 3D simulant la propagation du son dans un écoulement. Des cas test concernant diverses configurations délicates, dans lesquelles la technique de FV peut être mise en échec, sont conduits. Basée sur des données numériques, la technique de RT montre des performances intéressantes pour modéliser les effets d’installation en soufflerie, mais les frontières solides situées dans le voisinage immédiat de la source sonore peuvent dégrader les résultats. Enfin, le RT 3D est appliqué à des données expérimentales sur 768 voies concernant une source de bruit synthétique large bande diffractée par un profil d’aile. Dans ce cas, le RT 3D permet une meilleure précision dans la localisation des sources, au détriment du temps de calcul, par rapport à la FV 3D.

Noise reduction is required in engineering domains such as aeronautics and ground transport. This involves the identification of the sources of aeroacoustic noise, which is usually done using microphone arrays. In this context, the present thesis reports aeroacoustic measurements using a prototype 3D MEMS microphone array enclosing the open test section of an anechoic wind-tunnel, and the development of adapted signal processing strategies. In the first part, the beamforming technique, accounting for free-space dipolar radiation of noise sources (a typical radiation pattern for flow-obstacle interaction noise), is extended to noise source identification in 3D domains. It is demonstrated that 3D beamforming is efficient for identifying aeroacoustic sources from wall-mounted airfoils. Further tests on a more complex case - a high-lift device model - suggest that the effect of the model on sound propagation should be introduced in the source identification technique. The second part then introduces the numerical time-reversal (TR) technique for noise source identification with the consideration of solid boundaries. This technique associates acoustic measurements and a 3D numerical tool simulating the sound propagation and mean flow field. Test cases concerning various challenging configurations, in which the beamforming technique may fail, are conducted. Using numerical data, the TR technique shows interesting performances to model installations effect in the wind-tunnel, but the solid boundaries located in the close vicinity of the source of sound may degrade the results. Finally, 3D TR is applied to experimental data of 768 channels concerning a broadband synthetic noise source diffracted by an airfoil. It is shown that 3D TR allows a better precision of position at the expense of computation time, compared to 3D beamforming.