Imagerie acoustique pour les milieux de travail : développement d’un algorithme performant pour une antenne sphérique de microphones

Rouard, Kévin (2026). Imagerie acoustique pour les milieux de travail : développement d’un algorithme performant pour une antenne sphérique de microphones. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le bruit en milieu de travail est un enjeu de santé publique majeur. Il peut causer des troubles auditifs irréversibles, notamment la surdité professionnelle, qui demeure la maladie professionnelle la plus coûteuse au Québec. Identifier les sources de bruit constitue donc une étape essentielle pour mettre en oeuvre des mesures correctives efficaces. Dans ce contexte, l’imagerie acoustique à l’aide d’une antenne sphérique de microphones (ASM) constitue une solution prometteuse pour localiser précisément les sources de bruit dans des environnements complexes. La littérature propose une grande variété de configurations d’ASM (ouvertes ou rigides), avec des géométries disposant les microphones de diverses manières. Cependant, les critères objectifs pour choisir une géométrie optimale en fonction des performances acoustiques restent limités. Par ailleurs, les algorithmes classiques de localisation — tels que la formation de faisceaux conventionnelle (CBF) ou la décomposition en harmoniques sphériques (SHB) — souffrent d’une résolution insuffisante en basses fréquences, en raison d’un lobe principal trop large, rendant la localisation des sources peu précise. Cette thèse vise à développer un algorithme performant pour la localisation de sources en basses fréquences, en s’appuyant sur trois critères : le niveau estimé de la source, la taille angulaire du lobe principal à -3 dB (angle solide), et le rapport entre le niveau du lobe principal et celui des lobes secondaires. Quinze géométries de distribution de microphones sont comparées, représentant un total de 318 240 images acoustiques simulées en champ libre. Pour la première fois, les géométries "Maximal Volume", "Efficient t-design", "L-design" et "Maximum Determinant" sont évaluées dans ce contexte. Les résultats démontrent que l’utilisation d’une ASM ouverte avec une géométrie "t-design" offre les meilleures performances avec le CBF, tandis que les ASM rigides associées au SHB sont plus efficaces (avec la diffraction prise en compte). Un second volet explore un algorithme dit "virtuel", permettant de modifier virtuellement le rayon de l’antenne avec un pseudo-inverse basé sur la fonction de Green (VPIG). Ceci améliore significativement la résolution en basses fréquences. Cette approche est validée expérimentalement à l’aide d’un prototype d’ASM ouverte "t-design" à 24 microphones et 5 cm de rayon, démontrant l’efficacité de l’algorithme VPIG combiné avec une régularisation adaptée jusqu’à 160 Hz. Ce travail contribue au développement d’un système d’imagerie acoustique compact, rapide et performant, adapté aux contraintes du milieu de travail, et améliore de façon significative la capacité de localisation des sources de bruit en basses fréquences.

Titre traduit

Acoustic imaging for work environments : development of a high-performance algorithm for a spherical microphone array

Résumé traduit

Noise in the workplace is a major public health issue. It can cause irreversible hearing damage, including occupational deafness, which remains the most costly occupational disease in Québec. Identifying noise sources is therefore a critical step in implementing effective corrective measures. In this context, acoustic imaging using spherical microphone arrays (SMA) offers a promising solution for accurately locating sound sources in complex environments. The literature presents a wide range of SMA configurations (open or rigid), with various microphone geometries. However, objective criteria for selecting an optimal geometry based on acoustic performance are still limited. In addition, classical localization algorithms—such as Conventional Beamforming (CBF) or Spherical Harmonic Beamforming (SHB) — suffer from insufficient resolution at low frequencies due to a wide main lobe, which reduces localization accuracy. This thesis aims to develop a high-performance algorithm for low-frequency source localization based on three criteria : the estimated source level, the angular width of the main lobe at -3 dB (solid angle), and the ratio between the main lobe level and secondary lobe levels. Fifteen microphone distribution geometries are compared, leading to a total of 318,240 simulated acoustic images in free field conditions. For the first time, the geometries "Maximal Volume", "Efficient t-design", "L-design", and "Maximum Determinant" are evaluated in the field of acoustic imaging. The results show that using an open SMA with a "t-design" geometry leads to optimal performance when using the CBF algorithm. In contrast, rigid SMAs combined with SHB yield superior results when diffraction is properly modelled. A second part explores a so-called virtual algorithm, which allows the virtual modification of the antenna radius : using a Green’s function-based pseudo-inverse (VPIG), significantly improves low frequency resolution. This approach is experimentally validated using a 24 microphone, 5 cm-radius open t-design SMA prototype, demonstrating the effectiveness of the VPIG algorithm combined with appropriate regularization down to 160 Hz. This work contributes to the development of a compact, fast, and high-performance acoustic imaging system tailored to the constraints of work environments, significantly enhancing the localization of sound sources in low-frequency ranges.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 125-133).
Mots-clés français:	imagerie acoustique, antenne sphérique de microphones, beamforming, localisation de sources, algorithme virtuel, milieu de travail
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Sgard, Franck
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 oct. 2026 15:50
Dernière modification:	20 oct. 2026 15:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4138

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