Modélisation par une approche temporelle de la propagation acoustique en milieu extérieur : traitement de frontières complexes et validation sur site ferroviaire

• Auteur / Autrice : Didier Dragna
• Direction : Philippe Blanc-Benon, Franck Poisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 16/11/2011
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Habault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Juvé, Régis Marchiano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Lafon, Michel Bérengier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des conditions météorologiques

Impédance acoustique

Euler, Équations d'

Transports ferroviaires

Son -- Propagation

Mots clés libres

Propagation acoustique

Milieu extérieur

Site ferroviaire

Equations d'Euler

Aéroacoustique numérique

Sols impédants

Couplage champ proche - champ lointain

Méthode split-step Padé

Résumé

Dans cette thèse, un modèle de propagation acoustique dans le domaine temporel est proposé pour des applications en milieu extérieur. Dans le contexte du transport ferroviaire, il est nécessaire de considérer des sources étendues et en mouvement dont le contenu fréquentiel peut aller jusqu’à8000 Hz. La résolution des équations d’Euler linéarisées dans le domaine temporel est alors une méthode bien adaptée à ce problème. Pour cela, des méthodes de différences finies, développées par la communauté de l’aéroacoustique numérique, sont utilisées. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte les effets météorologiques (profils de vent et de température) ainsi que les effets de sol (impédance et topographie).Dans le premier chapitre, les méthodes différences finies ainsi que la condition limite d’impédance dans le domaine temporel, basée sur une technique de convolution récursive, sont présentées dans le cadre général d’un calcul tridimensionnel. Une étude sur la propagation d’ondes acoustiques dans une atmosphère stratifiée au-dessus de sols impédants est ensuite proposée. En conditions homogènes, les formes d’ondes sont comparées à celles obtenues avec une solution analytique. En conditions défavorables, les temps d’arrivée des différentes contributions sont analysés avec une approche d’acoustique géométrique. Dans les deux cas, des ondes de surface sont mises en évidence. Enfin, dans une première analyse, une étude des effets de la compacité d’une source mobile harmonique à support spatial gaussien sur le champ de pression acoustique est proposée. Dans un second chapitre, le problème du couplage champ proche - champ lointain est traité. En effet, les méthodes de résolution des équations d’Euler linéarisées sont actuellement « lourdes » à mettre en œuvre pour modéliser la propagation à très grande distance. Une stratégie de couplage avec des méthodes d’équation parabolique est alors mise en place afin de réduire le temps de calcul et l’espace mémoire nécessaires. Une méthode split-step Padé est utilisée afin d’obtenir une approximation parabolique dans un cône d’angle voulu. Une étude sur les conditions initiales adaptées à l’ordre du développement de l’approximant de Padé est proposée. La modélisation de la topographie dans le code différences finies fait l’objet d’un troisième chapitre. Pour cela, des coordonnées curvilignes sont introduites et permettent une résolution similaire au cas cartésien. Différentes applications sont proposées. La propagation au-dessus d’un cylindre est étudiée ; des ondes de surfaces sont mises en évidence. Ensuite, l’influence de la topographie d’un site ferroviaire sur la mesure des niveaux de pression est analysée. En champ proche, des écarts importants sont obtenus à basse fréquence. En champ lointain, les résultats dépendent des conditions météorologiques. Enfin, des comparaisons des niveaux de pression calculés et mesurés lors d’une campagne expérimentale menée en octobre 2001 à Saint-Berthevin sont réalisées. Dans une dernière étude, le modèle de propagation acoustique est validé avec des mesures effectuées en mai 2010 sur un site ferroviaire situé à La Veuve. Des mesures de la topographie, des impédances de surface et de différents paramètres météorologiques ont été réalisées. Les niveaux de pression et les formes d’ondes calculés avec le modèle de propagation sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement pour le cas d’une source impulsionnelle.

In this work, a numerical model to treat outdoor sound propagation in the time domain is proposed. In the context of railway noise, extended acoustic sources in motion have to be considered. The typical frequency band of interest goes up to 8000 Hz. Finite-Difference Time-Domain(FDTD) methods which are used to solve the linearized Euler equations are then well-adapted tothe problem. To do so, finite-difference techniques developed in the computational aeroacoustics community are employed. Meteorological effects (mean wind and temperature profiles) as well as ground effects (impedance and topography) are taken into account. In the first chapter, finite-difference techniques and the time-domain impedance boundary condition, based on a recursive convolution, are presented in the general case of the tridimensional problem. Propagation of acoustic waves in a stratified atmosphere over an impedance ground is then considered. In homogeneous conditions, waveforms are compared to those obtained with an analytical solution. In downward-refracting conditions, arrival times of the different contributions are analysed using a geometrical acoustic approach. In both cases, presence of surface waves is highlighted. At last, in a first analysis, effects of a non-compact source in rectilinear motion on the acoustic pressure field are studied. In the second chapter, the coupling between near-field calculations and far-field calculations is considered. Indeed, the FDTD model currently needs large computational time and memory to handle large propagation distances. A coupling strategy using parabolic equation methods can then be employed. A split-step Padé method is used in order to choose the angular validity of the parabolic approximation. A study on the starting field adapted to the order of the Padé approximant is proposed. The third chapter deals with the modeling of the topography in the FDTD solver. Curvilinear coordinates are introduced, and numerical resolution is similar to the cartesian case. Several applications are proposed. Propagation over a cylinder is first studied ; presence of surface waves is highlighted. Then, influence of the topography of a railway site on the measure of sound pressure levels is analysed. In near-field, significant differences are obtained at low frequencies. In far-field, the results depend strongly on the meteorological conditions. At last, comparisons of sound pressure levels calculated with the propagation model and measured during an experimental campaign carried out in october 2001 in Saint-Berthevin are realised. In a last study, the propagation model is validated thanks to measurements performed in may2010 on a railway site in La Veuve. Measurement of the topography, of the surface impedances and of meteorological parameters have been realised. Sound pressure levels and waveforms computed with the propagation model are in close agreement with those obtained experimentally in the case of a pulse source.