Etude expérimentale des effets d'une frontière sur la propagation des ondes acoustiques à travers une turbulence thermique
Institution:
Ecully, Ecole centrale de LyonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Acoustic waves propagating through turbulent media are significantly affected by the random inhomogeneities (temperature, velocity. . . ) occurring along the propagation path. Outdoor experiments have established the influence of atmospheric turbulence on sound propagation near the ground. In particular, it was shown that turbulence affects the interference pattern due to the existence of direct and reflected waves and changes the sound pressure level. In addition, turbulence increases sound pressure levels in the shadow zone created by an upward refracting atmosphere. However, the uncertainties with regard to meteorological parameter, namely the velocity and temperature gradients, make it critical to assess their individual influences on sound pressure level. We therefore decided to make a laboratory experiment in which the turbulence could be perfectly controlled. Several investigations showed it was possible to simulate the influence of thermal turbulence on acoustical wave propagation in free space by using a heated grid in air. The existing installation was modified to take the effect of a boundary into account. Two types of boundary were considered : a plane boundary to study the interference pattern due to the existence of a direct and a reflected wave, a curved boundary to simulate an upward refracting atmosphere and study the sound scattering by turbulence into an acoustic shadow zone. For each case, mean sound pressure levels and sound pressure fluctuations were measured. It leads us to characterize the second and fourth order moments of the sound pressure and the probability density. In addition, a numerical model based on a wide-angle parabolic equation has been used to predict the acoustic field measured in our experiments. In this statistical model, developed at the LMFA, the turbulence is represented as a set of independent realizations generated by the superposition of random Fourier modes. In the case of a plane boundary, the experimental data were compared with numerical results and a new theoretical model developed by Ostashev et al. There is good agreement between theory and measurements over a wide range of propagation distances and for a large frequency range. In the case of a curved boundary, the experiment without turbulence validate the analogy between the propagation above a curved surface and the propagation in an upward refractive atmosphere. Sound pressure level measurements with turbulence clearly underline the sound scattering by turbulence into the acoustic shadow zone; and the fourth order moment data suggest that the scattered field in the acoustic shadow is dominated by contributions from a small region close to the limiting ray.
Abstract FR:
Les ondes acoustiques qui se propagent dans un milieu turbulent subissent d'importantes perturbations dues aux fluctuations aléatoires du milieu de propagation. De nombreuses mesures réalisées dans l'atmosphère ont permis de mettre en évidence l'influence de la turbulence sur la propagation du son au voisinage d'un sol. On observe des modifications du régime d'interférence lié à l'existence d'ondes directes et d'ondes réfléchies par le sol ainsi que des variations de niveaux acoustiques importantes. La turbulence atmosphérique est aussi à l'origine d'une augmentation des niveaux sonores dans la zone d'ombre acoustique qui se forme en présence d'un gradient vertical de célérité du son négatif. Notons que dans l'ensemble des expériences réalisées en extérieur, il est difficile de dissocier les effets des différents phénomènes qui interviennent (gradients de vitesse du vent, de température, fluctuations de température et de vitesse. . . ). Un dispositif expérimental en laboratoire a donc été mis au point afin de réaliser des essais reproductibles dans des conditions où la turbulence serait contrôlée. Des études précédentes dans la chambre anéchoïque de l'ECL ont montré qu'il était possible de simuler l'influence d'une turbulence thermique sur la propagation des ondes acoustiques en espace libre en travaillant dans l'air au-dessus d'une grille chauffante. L'installation existante a donc été modifiée de façon à prendre en compte les effets d'une frontière. Deux types de frontière ont été envisagés : une paroi plane de façon à étudier le réseau d'interférences lié à l'existence d'une onde directe et d'une onde réfléchie par la paroi, une paroi courbe pour modéliser un gradient de célérité du son et étudier les phénomènes de diffusion dans la zone d'ombre acoustique ainsi créée. Pour chaque configuration, des mesures du niveau sonore moyen et des fluctuations sonores ont été effectuées. Ceci nous a donc conduit à étudier les moments d'ordre 2 et 4 du champ de pression acoustique. Les résultats expérimentaux ont ensuite été comparés à des résultats de simulations numériques obtenues à l'aide d'un modèle statistique de résolution des équations de propagation, développé au Laboratoire. Dans ce modèle, les fluctuations de température sont obtenues par synthèse de modes de Fourier aléatoires et le milieu de propagation est alors représenté par un ensemble de réalisations indépendantes. Pour chacune d'entre elles, le champ de pression acoustique est obtenu en résolvant une équation de propagation de type parabolique. En ce qui concerne la configuration paroi plane, les comparaisons calcul-mesures se sont avérées satisfaisantes, pour une large gamme de fréquences acoustiques. Concernant la configuration paroi courbe, les comparaisons dans le cas sans turbulence sont excellentes. Ceci nous a donc permis de valider l'analogie existant entre la propagation du son dans une atmosphère réfractive et la diffusion du son par une surface courbe. Notons, que nous avons clairement mis en évidence les effets de diffusion du son par la turbulence dans la zone d'ombre acoustique ce qui valide les observations faites lors des campagnes de mesure en extérieur.