Développement d’un système de mesure automatisé pour la caractérisation acoustique de matériaux en laboratoire et en milieu de travail

Sciard, Magdeleine (2022). Développement d’un système de mesure automatisé pour la caractérisation acoustique de matériaux en laboratoire et en milieu de travail. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les travailleurs sont exposés à des bruits trop forts sur leur lieu de travail, ce qui peut impacter leur santé et leur sécurité. Des phénomènes comme de la perte d’audition, de la surdité, des acouphènes, du stress ou encore du manque de sommeil peuvent survenir. Il existe ainsi une réelle nécessité de caractériser la propagation du bruit et de développer des solutions afin de diminuer l’impact du bruit sur la santé et la vie des travailleurs.

Pour ce faire, il existe plusieurs solutions de réduction de bruit, dont le contrôle de la propagation des ondes acoustiques. Il est par exemple possible d’insonoriser les locaux afin de réduire cette propagation. C’est dans ce cadre que s’inscrit mon projet de recherche et plus particulièrement sur la mise en œuvre d’une nouvelle méthode de caractérisation des matériaux absorbants.

En effet, pour choisir des matériaux absorbants efficaces pour un local donné, il est important de connaître ses propriétés acoustiques pour des champs d’excitation se rapprochant de ceux auxquels ils seront soumis une fois installés. Cependant, il n’existe que deux méthodes normalisées à ce jour : celles du tube d’impédance et de la chambre réverbérante. Ces méthodes sont limitées : elles s’effectuent dans des conditions éloignées de la réalité et demandent des conditions de montage spécifiques des échantillons et de l’environnement. De plus, la méthode de chambre réverbérante est difficile à mettre en oeuvre, est peu répétable et ainsi, elle reste longue à réaliser et coûteuse.

C’est pourquoi une nouvelle méthode, plus robuste et plus proche des conditions réelles, a été développée : la méthode de synthèse de champ (Robin, Berry, Doutres & Atalla, 2014; Robin, Amédin & Berry, 2018; Robin et al., 2019). Le principe est de déplacer une source acoustique le long d’un plan parallèle à la surface du matériau à caractériser, de générer un signal en chaque point et d’acquérir les pressions acoustiques reçues par deux microphones, centrés au-dessus du matériau. Cela permet par la suite de remonter au coefficient d’absorption en synthétisant un champ acoustique complexe. Cette méthode connaît cependant des limites en basses fréquences, provenant des incertitudes de positions des points de source et des microphones ou du modèle d’ondes sphériques simplifié. C’est pourquoi l’idée de développer un banc de test automatisé est apparue et de proposer une nouvelle méthode utilisant un modèle de champ acoustique plus précis (le modèle d’Allard). Cette méthode est développée par l’Université de Sherbrooke dans le cadre du projet global financé par l’IRSST.

Mon projet a pour but d’automatiser un banc de test afin de limiter les erreurs et incertitudes de mesures et leur propagation dans les résultats. Pour cela, j’ai d’abord réalisé la conception, la fabrication et l’automatisation du banc de test. Celui-ci comprend une interface utilisateur et plusieurs codes permettant le déplacement de la source acoustique, la génération et l’acquisition de données, le traitement du signal et le post-traitement des données. Ensuite, la validation de la nouvelle méthode proposée sur banc a demandé d’effectuer des mesures de référence en tube de Kundt, petite cabine alpha et en chambre réverbérante et de caractériser les paramètres macroscopiques des cinq matériaux à l’étude afin d’alimenter des modèles théoriques, sources de comparaison.

Les résultats obtenus sont encourageants. Le déroulé des mesures, qui comprend le montage de l’échantillon et des microphones, est plus simple que la méthode précédente. Les résultats issus de la nouvelle méthode de post-traitement montrent une amélioration en basses fréquences, malgré quelques oscillations, provenant de réflexions parasites par des éléments du banc de mesure.

Titre traduit

Development of an automated test bench for acoustical characterization of sound absorbing materials in laboratory or workplace conditions

Résumé traduit

Workers are exposed to loud noises in their workplace, which impacts their health and safety. Hearing loss, tinnitus, lack of sleep or stress can occur. There is a real necessity to characterize the noise propagation and to develop solutions to lessen the impact of noise on a worker’s health and life.

There are several noise reduction solutions amongst which the reduction of the propagation of the acoustic waves, by soundproofing the premises for instance. My research project evolves in this context and more specifically in the implementation of a new characterization method of sound absorbing materials.

In order to choose efficient sound absorbing materials for given premises, it is mandatory to know its acoustic properties for sound fields narrowing those to which they will be submitted to once installed. However, there are only two normalized methods to this day : the impedance tube method and the reverberant room method. These methods are limited : they are carried out in conditions far removed from reality as they are difficult to implement and require specific sample mounting conditions that are not quite repeatable and thus remain long and costly

That is the reason why a new method, more robust and closer to the actual conditions has been developed : the sound field synthesis (Robin et al., 2014, 2018, 2019). The principle is to move an acoustic source along a parallel plane at the surface of a material to be characterized, then to generate a signal at each location and acquire the acoustic pressures received by two microphones centered above the material. This then allows to estimate the absorption coefficient by synthesizing a complex acoustic field. This method meets its limits in low frequencies emanating from the uncertainties of the sources and microphone’s positions or the simplified spherical waves model. It is also difficult to implement as the source is moved manually. Hence the idea to develop an automated test bench appeared and to propose a new method using a more precise model of acoustic field (Allard’s model). This model is developped at the university of Sherbrooke as part of the global project, funded by the IRSST.

My project focuses on the automatization of a test bench in order to limit measurement errors and uncertainties and their propagation in the results. Firstly, I have implemented the conception, fabrication and automatization of the test which comprises a user interface allowing the movement of the acoustic source, the data generation and acquisition, the signal treatment and the data post treatment. Then, the validation of the proposed new method was done and it requires reference measurements in a Kundt’s tube, small alpha cabin, and in a reverberant room as well as to characterize the macroscopic parameters of the five studied materials so as to feed the theoretical models as a comparison.

The obtained results are encouraging. The unrolling of the measure, encompassing the sample and microphones mounting, is easier than the previous method. The results from the new post treatment method show an improvement in low frequencies in spite of a few oscillations coming from parasite reflexions of the elements of the test bench.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 133-140).
Mots-clés libres:	coefficient d’absorption, champ acoustique diffus, matériaux absorbants, automatisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dupont, Thomas
Codirecteur:	Codirecteur Robin, Olivier
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	02 févr. 2023 16:38
Dernière modification:	02 févr. 2023 16:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3142

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