Conception d’antennes de microphones sphériques pour la localisation de sources acoustiques et étude de l’influence de l’effet de diffraction sur les images acoustiques

St-Jacques, Julien (2023). Conception d’antennes de microphones sphériques pour la localisation de sources acoustiques et étude de l’influence de l’effet de diffraction sur les images acoustiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Une exposition prolongée au bruit en milieu de travail peut causer des troubles physiologiques et psychosociaux. Afin de protéger les travailleurs, la source de bruit peut être éliminée, substituée ou modifiée. Pour appliquer des moyens de contrôle à même la source, celle-ci doit être localisée spatialement. En milieux de travail, cette tâche peut être réalisée avec un système d’imagerie acoustique (SIA). Un SIA est composé d’une antenne sphérique de microphones, une caméra et un algorithme de formation de faisceaux (AFF). En fonction du type d’AFF, l’antenne peut être ouverte ou rigide. Une antenne rigide peut causer des effets de diffraction tandis que pour une antenne ouverte ceux-ci sont négligés. Le développement d’un SIA est une tâche complexe puisque ses performances dépendent de l’AFF, du type d’antenne, du nombre de microphones et de la géométrie selon laquelle ils sont répartis. Pendant le développement d’un AFF, une antenne de microphones permettant d’installer plusieurs microphones selon différentes géométries est nécessaire. L’effet de diffraction d’une antenne rigide ou ouverte peut exercer une influence sur les images acoustiques et doit être étudié. Ce travail de maîtrise s’inscrit dans un projet conjoint avec l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail, l’École de technologie supérieure et l’Université de Sherbrooke pour le développement d’un SIA pour la localisation de sources acoustiques en temps réel en milieux de travail. Le premier objectif de mon projet de maîtrise est de concevoir deux antennes sphériques de microphones modulaires permettant d’installer un grand nombre de microphones. Le deuxième objectif est d’étudier l’influence de l’effet de diffraction d’une antenne rigide sur les images acoustiques obtenues et de valider la condition de transparence de deux antennes ouvertes. Deux antennes sphériques ouvertes modulaires ont été conçues et fabriquées. Ces antennes permettent d’installer un grand nombre de microphones avec un choix de plus de 500 positions. Ensuite, un modèle numérique par éléments finis permettant de simuler l’interaction d’une onde acoustique avec la structure d’une antenne de microphones a été développé. Ce modèle permet d’obtenir des signaux de microphones numériques pour ensuite générer les images acoustiques et étudier l’influence des effets de diffractions. Les résultats montrent que l’influence de la diffraction d’une antenne rigide avec algorithme de type conventionnel a pour effet de réduire la taille du lobe principal et d’augmenter le niveau des lobes secondaires. Aussi, les effets de diffraction causés par la structure de deux antennes ouvertes ont été comparés à une antenne théoriquement vide et ont été déterminés comme négligeable.

Titre traduit

Spherical microphone array design for acoustic source localization and study of the influence of the scattering effect on acoustic images

Résumé traduit

Prolonged exposure to noise in the workplace can lead to physiological and psychosocial disorders. In order to protect workers, the noise source can be eliminated, substituted or modified. To implement control measures at the source, it must be localized. In a workplace environment, an acoustic imaging system (AIS) can be used. An AIS is composed of a spherical microphone array (SMA), a camera and a beamforming algorithm. Depending on the type of beamforming algorithm, the SMA can be either rigid or open. A rigid array may cause the scattering of the acoustic wave, while for an open array, those effects are generally neglected. The development of an AIS is a complex task since its performance depends on the algorithm, the type of SMA, the number of microphones and the array geometry. During the development stage of an AIS, an SMA that allows for the installation of multiple microphones in various geometries is required. Also, the in fluence of the scattering effect caused by a rigid or open SMA can affect the acoustic images and must be assessed. This research work is part of a joint project with the IRSST, ÉTS and UdeS aimed at developing an AIS for real-time localization of acoustic sources in workplace environments. The first objective is the design of two modular SMA that allows for the installation of many microphones. The second objective is to study the influence of the scattering effect from a rigid SMA on acoustic images and to verify that the scattering effects of an open SMA are negligible. Two modular open SMA have been designed and manufactured. These SMA allow for the installation of a large number of microphones with more than 500 possible positions on the spherical support. Subsequently, a finite element model simulating the interaction of an acoustic wave with the structure of an SMA was developed. This model provides numerical microphone signals, which are then used to generate acoustic images with a beamforming algorithm. The images compared to assess the influence of the scattering effects. The results show that the scattering effects of a rigid SMA with the conventional beamforming in the frequency domain (CBF) algorithm are a smaller mainlobe and higher side lobes levels. The scattering effects caused by an open SMA were compared to a theoretically empty SMA and were deemed negligible.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article 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 89-96).
Mots-clés libres:	antenne de microphones sphérique, formation de faisceaux, diffraction, antenne ouverte, antenne rigide
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	01 févr. 2024 18:40
Dernière modification:	01 févr. 2024 18:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3358

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