Soutenance mémoire
Sources acoustiques
Modèles théoriques de sources
Une source acoustique peut être définie comme un modèle mathématique pour décrire les effets produits par un objet ou une combinaison d’objets, un émetteur sonore, qui génère des ondes acoustiques dans le milieu dans lequel il est plongé. Cette génération provient de la transformation d’un phénomène oscillatoire depuis l’émetteur, comme les vibrations lors de l’impact d’une pelle sur le sol ou les turbulences créées en bordure d’une pâle en rotation, en ondes acoustiques dans le milieu qui l’entoure selon le phénomène physique appelé rayonnement acoustique. C’est alors l’équation des ondes inhomogènes qui régit le problème acoustique à résoudre, avec la présence d’un second membre non nul. Les ondes acoustiques peuvent provenir d’émetteurs très variés, du piston dans une cavité jusqu’au bruit de jet à la sortie d’un moteur d’avion. Une façon de décrire ces émetteurs consiste à considérer un ensemble de sources élémentaires disposées sur leur peau, elles mêmes modélisées par une combinaison de monopôles acoustiques. Un monopôle n’existe pas de manière physique : il résulte d’un passage à la limite des équations de rayonnement obtenues dans le cas d’une sphère pulsante. Une sphère de rayon a , dont la surface vibre avec une vélocité donnée selon la direction radiale à sa surface, rayonne autour d’elle un champ acoustique.
Modélisation de source dans la thèse
En combinant des distributions de monopôles, dipôles et sources multipolaires, une source acoustique peut être modélisée de manière très précise en décrivant des directivités non plus purement sphériques mais de forme arbitraire. Cependant, modéliser la directivité effectivement observée pour un émetteur donné requiert une étude poussée, qui doit être effectuée à chaque changement dans la configuration étudiée : changement de position ou d’orientation, masquage d’une partie de l’émetteur, changement de régime pour une machine en rotation, ou autre. Lorsque l’objectif est de caractériser cette directivité pour modéliser une source de bruit complexe, cette étude est nécessaire et s’effectue dans des conditions expérimentales contrôlées : l’émetteur étudié est immobile, un grand nombre de capteurs est utilisé et un rapport signal à bruit important est requis .
Dans cette thèse l’objectif est de caractériser des émetteurs lentement mobiles, situés en champ lointain géométrique, et dont le bruit rayonné résulte de la superposition de plusieurs phénomènes physiques différents. Il est dès lors contre-productif d’optimiser le modèle de source pour une de ces configurations, car celui-ci provoquera des erreurs de modèles plus conséquentes qu’un modèle plus général lors des différents changements qui auront lieu pour l’émetteur ou son environnement. Il est préférable d’envisager un modèle moyenné, où l’émetteur est décrit de façon moins précise à un instant donné, mais pour lequel cette description est plus robuste.
Localisation, quantification et identification de sources acoustiques
Les émetteurs de signaux acoustiques sont modélisées dans cette thèse par des monopôles. Le but de cette partie est de montrer quelle caractérisation est faite de ces sources, en accord avec les enjeux expérimentaux des applications qui suivent. Un première information d’intérêt, commune aux deux applications, est l’estimation de la position spatiale des sources, par l’étape dite de localisation. Pour localiser une source acoustique, le traitement d’antenne, domaine qui se base sur la combinaison de signaux enregistrés par un réseau de N capteurs acoustiques, est particulièrement adapté. Quelques exemples utilisant un capteur unique existent mais il est alors nécessaire de connaître précisément le modèle de propagation et avoir connaissance des trajets multiples qui vont apporter de la diversité dans l’information [Jes+00; Tie+06]. Concernant l’application en prospection minière sous-marine, le niveau sonore émis par les machines sur le plancher océanique, c’està dire la quantité de bruit qu’elles rayonnent dans leur environnement, constitue la seconde grandeur d’intérêt. Son estimation, appelée quantification, est possible grâce à diverses méthodes. De manière normée, c’est l’intensimétrie [ISO93; ISO96] ou la mesure de la puissance acoustique à partir de plusieurs capteurs indépendants à des distances préconisées, que ce soit en air [ISO01; ISO15] ou plus récemment en eau [ISO16; ISO19; ANS19], qui sont privilégiées. Mais les méthodes de traitement d’antenne permettant une quantification précise des sources se développent [Ant12; Le 16; Fle+11; Oer+07 ; Sij+04] , ce qui entrainera peut-être une évolution des normes en place. Leur intérêt est réel, car elles permettent de quantifier une source parmi d’autres grâce à l’obtention conjointe de la localisation et de la quantification . Dans le cadre de la protection de sites sensibles contre les drones, c’est l’identification de la source qui est faite en parallèle de sa localisation. Elle permet d’aller jusqu’à la classification de la source, selon des groupes, ou classes, qui décrivent le type de source étudié . De nombreuses applications existent déjà en classification de signaux acoustiques comme par exemple l’identification de phénomènes sismiques [Hib+17], la détection d’évènements sonores anormaux [Mar+17], ou encore la reconnaissance de genres musicaux [Esm+04].
Traitement d’antenne
Le traitement d’antenne est un vaste domaine dont l’ensemble des applications dépasse le cadre acoustique de cette thèse. Il est utilisé pour localiser des sources électromagnétiques [Neh+94], pour concevoir des systèmes optiques capables de détecter des défauts [Kri+96], pour le traitement des signaux radar [Hay+93] ou encore pour la radio astronomie [Kra+05] ou le traitement de signaux sismiques [Gre+66; Car65]. Mais même en restant limité au traitement d’antenne pour l’acoustique, les applications restent très diverses comme par exemple :
➤ en acoutique sous-marine : l’application la plus connue étant le sonar développée en grande partie à des fins militaires [Bur91; Las77], mais d’autres enjeux existent comme la détection d’espèces marines [War+17 ; Tho04] ou la quantification de bruit de navires au passage [Oud15; Oud+18].
➤ en acoustique aérienne : avec la localisation d’avions en phase d’atterrissage [Mer+16], la caractérisation de moteurs sur banc d’essai [Le +20] ou la localisation de sources sur des émetteurs en mouvement comme les trains [Le 12] ou les avions [Sij+01].
➤ dans l’imagerie médicale : les ultrasons sont aussi régis par les équations de l’acoustique, généralement les sondes ultrasonores sont des systèmes actifs [Whi07], mais des exemples d’imagerie passive des ultrasons existent pour contrôler certains traitements [Pol19].
➤ en traitement de la parole : que ce soit pour localiser des orateurs [Bra+97], ou séparer des sources mélangées [Ehl+97] dans le cadre du problème de cocktail party [Che53].
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Table des matières
Introduction
1 Ondes et sources acoustiques
1.1 Cadre acoustique de la thèse
1.2 Modèles de propagation
1.3 Sources acoustiques
Modèles théoriques de sources
Modélisation de source dans la thèse
1.4 Conclusion
2 Outils de traitement du signal pour la caractérisation de sources acoustiques
2.1 Localisation, quantification et identification de sources acoustiques
2.2 Traitement d’antenne
Formation de voies conventionnelle
Méthode MUSIC
Champ lointain en antennerie
Conclusion pour le traitement d’antenne
2.3 Apprentissage statistique
Classification binaire
Classification à une classe
2.4 Conclusion
3 Localisation et quantification de source en prospection minière sous-marine
3.1 Contexte
3.2 Conception du système d’écoute
3.3 Essais expérimentaux en mer
Configuration 1 : deux sources en petit fond
Configuration 2 : antenne en grand fond et source référencée en petit fond
Configuration 3 : antenne et source à large bande en grand fond
Références pour la localisation et la quantification
3.4 Validation du système d’écoute
3.5 Apport de la localisation à haute résolution
3.6 Validation en situation réelle par grand fond
3.7 Conclusion
4 Localisation et identification couplées de drones par acoustique
4.1 Contexte
4.2 Description de la chaine de traitement
Localisation
Focalisation
Identification
4.3 Bases de données expérimentales produites
Environnement intérieur
Environnement extérieur
4.4 Validation de la localisation et de l’identification pour des sources seules
en intérieur
4.5 Etude des caractéristiques pour l’identification
Liens entre les signaux et les caractéristiques
Modification du jeu de caractéristiques
4.6 Limites de fonctionnement en localisation
4.7 Intérêt du couplage traitement d’antenne / apprentissage statistique pour
l’identification
4.8 Limites de fonctionnement en focalisation en présence de plusieurs sources
4.9 Performances en extérieur
Sources présentes une à une
Drone en présence d’une source perturbatrice
Performances finales en fonction de la distance
4.10 Conclusion
Conclusion
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