Méthode de reciprocite caractérisation de petits composants acoustiques étalonnage des microphones en pression et en champ libre

Sommaire: Caractérisation de petits composants acoustiques étalonnage des microphones en pression et en champ libre

Introduction générale
Chapitre 1: Méthode de mesure d’impédance de petits éléments acoustiques
1.1 Introduction
1.2 Méthode de mesure
1.3 Expression analytique de l’admittance acoustique de transfert de la cavité de couplage
1.4 Eléments utilisés comme références : modèles théoriques
1.4.1 Admittance d’entrée d’une fente ouverte à son extrémité
1.4.2 Admittance d’entrée d’un réseau de quatre tubes cylindriques
1.5 Résultats théoriques et expérimentaux, discussion
1.6 Conclusion
Chapitre 2: Modélisation analytique d’un microphone électrostatique : application à l’étalonnage des microphones en pression par la méthode de la réciprocité
2.1 Introduction
2.2 Modèle analytique d’un microphone électrostatique
2.2.1 Equations fondamentales du mouvement acoustique
2.2.2 Equation de propagation
2.2.3 Champ de pression acoustique dans la lame de fluide
2.2.4 Champ de déplacement de la membrane
2.3 Efficacité en pression
2.4 Modélisation globale du système d’étalonnage
2.4.1 Champs de déplacement des membranes et champs acoustiques
2.4.2 Résultats théoriques
2.5 Conclusion
Chapitre 3: Etalonnage en champ libre des microphones par la méthode de la réciprocité
3.1 Introduction
3.2 Principe de réciprocité en champ libre
3.2.1 Fonctionnement du transducteur en émetteur
3.2.2 Fonctionnement du transducteur en récepteur
3.2.3 Produit des efficacités en champ libre de deux microphones
3.3 Dispositif expérimental utilisé au LNE et difficultés de mesure
3.3.1 Dispositif expérimental
3.3.2 Sources de perturbations
3.4 Filtrage des fonctions de transfert mesurées
3.4.1 Principes généraux
3.4.2 Pré-traitement de la fonction de transfert
3.4.3 Synthèse de la fenêtre de filtrage
3.5 Résultats et incertitudes
3.5.1 Mesures et résultats
3.5.2 Incertitudes
3.6 Conclusion
Chapitre 4: Centre acoustique d’un microphone électrostatique
4.1 Introduction
4.2 Détermination analytique de la position du centre acoustique d’un transducteur
électrostatique
4.2.1 Les équations fondamentales du problème
4.2.2 Solutions des équations fondamentales
4.2.3 Conditions aux interfaces
4.2.4 Pression acoustique en champ lointain
4.2.5 Evaluation théorique de la position du centre acoustique d’un microphone
4.3 Détermination expérimentale de la position du centre acoustique d’un microphone électrostatique
4.3.1 Principe général
4.3.2 Dispositif expérimental, mesures
4.3.3 Perturbations des mesures
4.3.4 Filtrage des fonctions de transfert, centres acoustiques
4.4 Conclusion
Conclusion générale
Annexe A
Equation de propagation en fluide thermo-visqueux, approximation onde quasi plane : application aux tubes et fentes
A.1 Formulation générale
A.2 Application aux tubes cylindriques (coupleurs et tubes étroits) et aux fentes annulaires
Annexe B
Solution modale du champ de pression dans une cavité cylindrique
Annexe C
Plans des coupleurs de haute précision utilisés pour la mesure d’impédance d’entrée d’une fenteannulaire et d’un réseau de quatre tubes
C.1 Coupleur pourvu d’une fente annulaire de haute précision
C.2 Coupleur pourvu d’un réseau de quatre tubes de haute précision
Annexe D
Calculs intermédiaires dans la résolution des problèmes posés dans le chapitre 2
D.1 Calculs intermédiaires
D.2 Résolution du problème couplé
Annexe E
Propriétés utiles des fonctions de Bessel
Annexe F
Fiches synoptiques
F.1 Fiche synoptique de l’appareil de réciprocité [68]
F.2 Fiche synoptique de l’amplificateur Nexus [69]
Annexe G
Fenêtre de filtrage : techniques de synthèse, performances et paramètres d’influences
G.1 Synthèse d’une fenêtre de filtrage par la méthode de la fenêtre
G.2 Méthode itérative : performance des fenêtres de filtrages et paramètres d’influences
Annexe H
Etalonnage des microphones en champ libre par la méthode de réciprocité : bilan des incertitudes
H.1 Mesurande : efficacité en champ libre d’un microphone
H.2 Paramètres d’entrée, incertitudes
H.3 Incertitude composée élargie
Annexe I
Valeurs des paramètres d’un microphone électrostatique dans un modèle à constantes localisées
Annexe J
Centre acoustique des microphones électrostatiques : calculs intermédiaires et résolution matricielle
du problème
J.1 Calculs intermédiaires
J.2 Résolution du problème couplé
J.3 Fonctions Kp
Bibliographie

Extrait du mémoire caractérisation de petits composants acoustiques étalonnage des microphones en pression et en champ libre

Chapitre 1: Méthode de mesure d’impédance de petits éléments acoustiques
1.1 Introduction
De nombreux systèmes acoustiques (oreille artificielle, haut-parleur, microphones, miniaturisés ou non, ou bien définissant des systèmes de mesures précis pour la détermination de la constante de Boltzmann [1]) sont conçus à l’aide d’éléments dont les dimensions peuvent parfois être du même ordre, plus petit, voir très petit devant la longueur d’onde considérée. Dans ces systèmes (généralement décrits dans les basses fréquences à l’aide de modèles à constantes localisées), les facteurs d’amortissement, d’élasticité et d’inertie peuvent respectivement être obtenus au moyen de tubes étroits où de fentes, de petites cavités et de tubes courts. Ces éléments étant très utilisés, de nombreuses références tels que les ouvrages [2,3] proposent des modélisations analytiques de chacun d’entre eux et de leurs associations en fluide compressible dissipatif tout en prenant en compte des conditions aux frontières réalistes (conditions de non glissement et isotherme près des parois). Néanmoins, l’estimation des caractéristiques acoustiques de ces éléments à partir de modèles théoriques se traduit généralement par des incertitudes relatives supérieures à cinquante pour-cent en raison des incertitudes sur les dimensions géométriques de ces éléments.
Ainsi, il est important de pouvoir caractériser expérimentalement le comportement acoustique de ces éléments (ou de leurs associations), soit pouvoir mesurer leurs impédances d’entrée avec une bonne précision (avec une incertitude relative de l’ordre de un pour-cent). Ceci était très difficile, voir impossible jusqu’à présent du fait que ces impédances d’entrée sont en général très grande devant celles mises en jeu dans les dispositifs de mesure. De tels dispositifs de mesure d’impédances acoustiques nécessitent généralement deux transducteurs, un lié aux variations de pression acoustique et un autre lié au débit (ce dernier étant généralement la source d’énergie). En général, l’étalonnage de ces dispositifs de mesure est effectué à l’aide du même système de couplage que celui utilisé pour les mesures d’impédances, ce qui peut être discuté, ceci dans le but d’obtenir des résultats utilisables dans la pratique avec les techniques actuellement disponibles (un état de l’art de ces techniques est effectué dans les références [4,5]). Ceci est plus particulièrement vrai lorsque les éléments sont petits et doivent être caractérisés dans une large gamme de fréquence (typiquement de 20 Hz à plus de 20 kHz).
Afin de répondre au problème posé, la méthode de mesure d’impédances proposée dans ce chapitre repose sur les avancées effectuées dans le cadre de la métrologie fine et plus particulièrement l’étalonnage des microphones en pression par la méthode de la réciprocité [6,7,8,9,10]. La méthode de la réciprocité fait usage d’un matériel d’une grande sensibilité et d’une grande reproductibilité et est donc particulièrement bien adaptée pour effectuer des mesures précises d’impédances d’entrée de petits éléments acoustiques. C’est l’objet de ce chapitre que de présenter cette méthode de mesure, de l’expérimenter sur des éléments simples et de discuter des précisions accessibles. L’oreille artificielle décrite dans la Norme CEI 60318-1 [11] est un exemple représentatif des systèmes acoustiques contenant ce type de petits éléments, soit une fente annulaire mince et quatre tubes étroits connectés à des cavités de volumes différents. Ces éléments sont utilisés dans le cadre de cette étude comme références pour la validation de cette méthode de mesure d’impédances d’entrée.
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