Mesures de champs de vitesse acoustique en écoulement turbulent à l’aide de systèmes optiques

Measuring acoustic velocity maps in ducted flows using optical systems

• Auteur / Autrice : Simon Rampnoux
• Direction : Mabrouk Ben Tahar, Islam Ramadan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique et Vibrations : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments finis

Vélocimétrie par images de particules

Vélocimétrie laser Doppler

Bruit aérodynamique

Lutte contre le bruit

Traitement du signal

Tuyaux

Vitesse

Acoustique

Turbulence

Aéroacoustique

Mots clés libres

Vitesse acoustique

Écoulements en conduit

PIV

LDV

Aeroacoustic

Finite elements

Acoustic velocity

Compressed sensing

Turbulent flow

Laser Doppler Velocimetry (LDV)

Particle Image Velocimetry (PIV)

Ducted flows

Signal processing

Noise control

Aerodynamic noise

Résumé

Cette thèse aborde la problématique de la mesure de la vitesse acoustique dans les écoulements en conduit à l’aide de deux systèmes optiques: la Vélocimétrie par Image de Particule (Particle Image Velocimetry (PIV)) et la Vélocimétrie Laser Doppler (Laser Doppler Velocimetry (LDV)). L’objectif principal est de développer une méthode expérimentale ainsi qu’une technique de traitement du signal associée permettant de mesurer la vitesse acoustique dans un écoulement turbulent en conduit. Deux méthodes expérimentales différentes sont utilisées: méthode synchrone et méthode asynchrone. La méthode synchrone exige une connaissance préalable du signal acoustique, ce qui nécessite de synchroniser le système de mesure optique avec un signal de référence (par exemple, un signal microphone). En outre, la taille des données mesurées requises pour cette méthode est énorme et la durée de la mesure est longue. Pour surmonter les difficultés de la méthode synchrone, la méthode de mesure asynchrone est développée. Cette méthode s’appuie sur les techniques d’échantillonnage parcimonieux (Compressed Sensing (CS)) pour améliorer l’extraction de la vitesse acoustique à partir des systèmes de mesure optique. Cette méthode réduit à la fois la durée des mesures et la taille des données. Elle permet également de mesurer la vitesse acoustique sans connaissance préalable du signal acoustique. En outre, la fréquence de la vitesse acoustique mesurée n’est pas limitée par le critère de Shannon et, par conséquent, un système PIV à faible fréquence d’échantillonnage peut être utilisé pour mesurer des signaux acoustiques à haute fréquence. Les résultats des deux méthodes montrent une bonne concordance avec les mesures classiques par microphones. Les résultats contribuent à la compréhension des phénomènes acoustiques dans les écoulements en conduit et fournissent une base pour les développements futurs en matière de contrôle du bruit et de compréhension des bruits d’origine aérodynamique.

The main objective is to develop an experimental method accompanied by a signal processing technique allowing for measuring the acoustic velocity in ducted turbulent flow. Two different experimental methods are used to measure the acoustic velocity using either Particle Image Velocimetry (PIV) or Laser Doppler Velocimetry (LDV). The synchronous method requires prior knowledge of the acoustic signal, which requires synchronizing the optical measurement system with a reference signal (e.g. microphone). Also, the measured data size required for this method is huge and the measurement duration is long. To overcome the challenges in the synchronous method, the asynchronous measurement method is applied. This method leverages the Compressed Sensing (CS) techniques to enhance acoustic velocity extraction from optical velocimetry measurement systems. This method reduces both the measurement duration and the data size. Also, it allows for measuring acoustic velocity without any prior knowledge of the acoustic signal. In addition, the measured acoustic velocity is not limited by the Shannon criterion, and hence, a low sampling frequency acPIV system can be used to measure high-frequency acoustic signals. The results of both methods show a good agreement with the classical microphone measurements. The findings contribute to the understanding of acoustic phenomena in ducted flows and provide a foundation for future developments in noise control and aerodynamics.