Contribution à l'estimation de la vitesse acoustique par Vélocimétrie Laser Doppler & Application à l'étalonnage de microphones en champ libre

Laser Doppler Velocimetry (LDV) is a non intrusive technique widely used in fluid mechanics, but still marginal in acoustics, for measuring the particle velocimetry. Accessing to the acoustic particle velocity allows to characterize complex acoustics fields to study phenomena close to vibrating surfaces or around geometrical discontinuities for example. Research works of LDV applications to audible acoustics levels going from 60 to 120 dBSPL in presence of weak flows (a few mm/s) has been investigated by the Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine for the middle of the nineteens. Signal processing methods nowadays implement on the measurement bench belong to time-frequency methods allowing to get the instantaneous frequency (proportional to the velocity) of the particle during its crossing of the measuring probe. These methods have been developed and validated experimentally on one single burst for weak flow leading to a velocity variation of several acoustics periods.The objective of this Ph.D thesis is dual. In a first time, this thesis develops a new signal processing to get an estimation of the acoustic velocity parameters thanks to a large number of bursts. In a second time, this works presents the use the LDV sensor to estimate the acoustic pressure thanks to the measurement of the acoustic velocities.The first part of this study consists in developing and validating a signal parametric method, based on the use of a wavelet transform, able to detect, localize, classify (single or overlap) bursts present on the noisy Doppler signal and in processing an estimation method of acoustics parameters and flow velocities estimation with the help of a least mean square method on the instantaneous frequency after the detection process of bursts.The second part of this thesis allows to initiate new works, in collaboration with the Acoustics and Fluid dynamics group of Edinburgh, on free field microphone calibration thanks to acoustic velocities measurements by LDV. A first study investigates the possibility of getting an accurate pressure estimation thanks to acoustic velocities measurement to calibrate at first pressure microphones. Then, in a second time, an analytic approach based on the Green integral formulation proposes a two dimensional model of the acoustic pressure field function of the velocity close to the microphone membrane to hope a future calibration of free-field microphone.La Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un outil de mesure de vitesse particulaire non-invasif couramment utilisé en mécanique des fluides qui reste cependant encore marginal en acoustique. L'accès à l'information de vitesse particulaire acoustique permet de caractériser les champs acoustiques complexes, autorisant l'étude de phénomènes acoustiques au voisinage de parois vibrantes ou de discontinuités gémométriques par exemple.L'application de la VLD à l'acoustique de l'audible pour des niveaux allant de 60 à 120 dBSPL en présence de faibles écoulements (quelques mm/s) constitue le domaine d'investigation du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine depuis le milieu des années 90. Les méthodes de traitement du signal aujourd'hui implémentées sur le banc de mesure appartiennent à la famille des méthodes temps-fréquence donnant accès à la loi de fréquence instantanée (proportionnelle à la vitesse) de la particule lors de son passage dans le volume de mesure. Ces méthodes ont été développées et validées expérimentalement sur une seule bouffée Doppler en présence de très faible écoulement conduisant à une loi de variation de la vitesse de plusieurs périodes acoustiques.L'objectif de cette thèse est double. Dans un premier temps, il vise à développer un traitement de signal qui permette d'estimer la vitesse acoustique à partir de l'analyse de plusieurs bouffées. Dans un deuxième temps, il vise à utiliser la VLD pour estimer une pression acoustique à partir des vitesses acoustiques mesurées au voisinage d'un structure (d'un microphone).La première partie du travail consiste à développer et valider une méthode de traitement du signal, basée sur l'utilisation de la transformée en ondelette, capable de détecter, localiser, classifier (simple ou multiple) les bouffées contenues dans un signal bruité et propose une méthode d'estimation des paramètres acoustiques et de vitesse d'écoulement par utilisation d'une méthode des moindres carrés appliquée au signal de fréquence instantanée estimé suite à la détection des bouffées.La deuxième partie de cette thèse permet d'initialiser des travaux, en collaboration avec le laboratoire d'acoustique d'Edimbourg, sur l'étalonnage de microphone en champ libre par mesures de vitesses acoustiques VLD.Une première étude de faisabilité d'estimation de la pression à partir de mesures de vitesses à une dimension est menée, permettant d'envisager un étalonnage des microphones à réponse en pression. Puis, dans un second temps, une approche analytique basée sur la formulation intégrale de Green propose de développer un modèle à deux dimensions du champ de pression en fonction de la vitesse au voisinage très proche du microphone dans le but d'étalonner les microphones en champ libre