[PDF] COMMENT MESURER LINTENSITÉ ACOUSTIQUE

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JOURNAL DE PHYSIQUE IV

Colloque Cl, supplément au Journal de Physique III, Volume 2, avril 1992 COMMENT MESURER L'INTENSI~ ACOUSTIQUE CORRECTEMENT 3

J. DUMAS

Brüel& Kjaer France, 46 rue du Champoreu, BR 33, F-91541 Mennecy cedq France Acoustic intensity is a physical term well known and now frequently used by research labs and manufacters to qualii sound sources by measuring their sound power and locating their radiating

areas. Acoustic intensity is currently measured with a 2 microphones- probe (P-P probe). The calibraiion

of the measuring system has to be done for reliabili of measurements. The New IEC standard 1043 definesrequiredtechnicalspecficationsoftheintensitymeasuringsystem mainlycomposed bya probe and a frequency analyser. Particularly, pressure - residual intensity index represents the qualii of the system. BNel& Kjaer has recently released a calibration system allowing complete calibration of the measuring system. Residual intensity may be usedforthefinal calculationof acousticintensity but many careshastobetaken. Amore reliableandsimplewayistomeasureacoustic intensitydirectlywithphase matched channels.

Depuis

di ans, la pratique de la mesure de l'intensité acoustiques'est développée pour permettre une meilleure

approche et connaissance des sources sonores. Elle permet principalement la mesure de la puissance acoustique dessources dansdes milieux réelstels que les ateliers. La connaissancedes flux d'énergiesonore dans le champ proche des sources permet de repérer les zones actives dans le rayonnement sonore. Les limites des mesures de l'intensité acoustiquesont maintenant connues. Outre celles liées

à l'environnement de mesure (bruits

parasites, réverbération de la salie ... 1, d'autres sont dues au principe même de la méthode. Si la limite reliée à

l'approximation du vecteur vitesse particulaire est immuable, celle amenée par I'inststnimentation peut être

réduite considérablement en prenant les précautions nécessaires. La nome d'inst~mentation CE1 1043 propose les performances

à respecter. Le respect de ces critères passe par la validation de i'intensimètre qui peut être

réalisé par le système d'étalonnage BNel & Kjaer Type 3541. Le fonctionnement de ce système s'avérant extrêmement simple et logique, il peut être pratiquésur le site de mesure, pour assurer la fiabilité des résultats. La notion de l'intensité résiduelle propre à chaque intensimètre doit etre obligatoirement connue pour conna3re

ses limites d'utilisation. De plus, lorsque peu d'attention est portée sur l'instrumentation, l'intensité résiduelle esttrès

variable dans le temps. ce qui rend impossible l'obtention correcte des niveaux d'intensité acoustique surtout si

des fichiers de correction sont utilisés pour le résultat final. II apparaft alors, en pratique, beaucoup plus facile d'utiliser un

intensimetreapparié en phase donc à niveau d'intensité résiduellefaibleet,quiplusest,garantistable

dans le temps. La mesure de ce paramètre a été déjà largement abordée dans la littérature. La figure 1 résume le principe de l'estimation de l'intensité acoustique. Pour des signaux sinusoidaux, l'intensité acoustique intégrée temporellement s'exprime O :

PAPB sin$ où o = fréquence angulaire = 2f

O Ir= op Ar $ = phase mutuelle de PA et PB Article published online by

JOURNAL DE PHYSIQUE IV

Fig. 1

L'équation O montreque le résultat final de la mesure de I'intensité acoustiquesur une direction r est fonction des

deux pressions acoustiques mesurées,de leurphasemutueIle.de lafréquenceangulaire,de la massevolumique et enfin de l'écartement entre les microphones. Tous ces paramètres doivent être maitrisés. La complexité de la formulation de l'intensité acoustique rend dicile l'étalonnage des moyens de mesures. La maitrise de chaque paramètre se fera comme suit.

- La massevdumique p : En général,elle est calculée à partir de termes physiques mesurables telsque la pression

athmosphérique et la température. O Pd77 p=O,348534 -

273+T où Ph = pression atmosphérique en hPa

T = Température en OC

Les paramètres Pa, et T sont rentrés numériquement dans l'analyseur. p est exprimé en kg/ms.

- L'écartement des microphones Ar : II est défini par la configuration de la sonde. Des essais de laboratoire ont

permis une optimisation de cette configuration et donc la stabilité de Ar en fonction de la fréquence.

La valeur

est rentrée numériquement dans l'analyseur. Elle entraîne une limite haute fréquence liée au principe de

l'approximation du gradient de pression.

- Let pressionsacowtiques PA& PB : Chacun des microphones pourra êtresoumis à un étalonnageclassique par

pistonphoneou sourcesonoreétalon tel quecouramment pratiqué pourlessonomètres. L'intérêt de cetteaction

est d'avoir apparié en amplitude la sensibilité des deux voies de mesure.

- La fréquence angulaire : Elle est intrinsèque au phénomène sonore à mesurer. Elle est toutefois dépendante

dans le résultat, de la résolution en fréquence de la méthode de mesure (FFT, filtrage numérique ou analogique).

- La phase muiueile des signaux de pression PAet P, : Cette quantité se révèle comme très importante dans

l'estimation finale de l'intensité acoustique en basse fréquence car le moindre désappariement en phase des

voies de mesure entraîne une erreur. Elle se caractérise par l'apparition d'une intensité r&iduelle.Un biais de quelques

dkaines de degrés donne une intensité résiduelle importante. L'intensité résiduelle est intrinsèque à

l'instrumentation et ne caractérise pas le champ sonore au point de mesure. Elle se mesure très facilement par

simulation

d'unchampsonored'intensitéacoustiquenulle. Elledéfinit lalimite bassefréquencedel'instrumentation.

Elle définit les caractéristiques et les grandeurs intervenant dans la mesure de l'intensité acoustique. Egalement,

lesspécificationsdes moyens de mesuresont imposées et classifiées en

2 classesprincipales(classe 1 et2). L'indice

de pression

- intensité résiduelle minimum s'avère i'élément principal de caractérisation de i'intensimètre et de

diinction des classes. L'intensité résiduelle est produite intrinsèquement par le désappariement en phase (erreur

de phase) des

2 voies de mesure de i'intensimètre (sonde + analyseur). L'équation O la définit comme suit :

O P,' 1 A$e

1 (~l où Ir- = intensité résiduelle (w/m2) pc k Ar Po = pression acoustique du cham sonore d'intensité aciive nullePa) pc = impédance acoustique (rayls) k = nombre d'onde (radlm)

A$e = erreur de phase (rad)

Ar = écartement des microphones (ml L'indice pression - intensité résiduelle s'exprime aussi :

6pD s'appelle encore écart de champ résiduel. II se mesure dans un champ sonore d'intensité active nulle

simulé ou recréé afiiciellement par positionnement de la sonde.

Les figures

2 et 3 présentent les exigences de la norme pour l'instrumentation utilisée avec les écartements de

microphones de

12 et 50 mm (indice pression-intensité résiduelle en fonction de la fréquence).

d~ da 5 s 40 40
15 45

20 a O

as as a0 *e F;âur. 2 ;rnd..r prrnr*+3ie~ pov- Ar: 82 ni pou, brr Som-

Lesystème d'étalonnage de I'intensité acoustique B~el& Kjaertype 3541 est un ensemble Compact permettant

ta vérification complète des systèmes de mesure de pression, d'intensité acoustique et de vitesse particulaire.

Le coupleur d'intensité est un moyen original pour simuler le positionnement de la sonde

à 2 microphones pour O et 90

degrés d'incidence en condition de champ libre. La figure

Chambre 1

4 en montre une coupe.

Mcrophone A

Un pistonphone réalise des étalonnages individuels en ni- veau de pression, d'intensité et de vitesse particulaire. de mumage Une source sonore large bande (bruit blanc/ bruit rose)

MWne B

assure la mesure de l'indice pression - intensité résiciuelle.

B Chambre 2

Ceci rend possible la quantification de l'intensité résiduelle durant les mesures.La procédure de calibrage est simple.

Coupe du coupleur d mtenste. U~IIIS~

Les instructions et détails des termes de correction sont donnésdanslafiched'étalonnagefournieaveclesystèrne. Fig. 4 L'6talonnage en pression (Fig. 5). Un niveau de pression connu, produit par le pistonphone, fourni un point de référence qui permet de s'assurer que les voies de me- sure ont la même réponse. Jusqu'à maintenant, le calibrage d'un équipement de mesure acoustique s'arrêtait la. Un système de mesure d'intensité acoustique

étapes pour garantir une confiance

250 Hz

Fig. 5

Fr- VétSfication de mesure de ïintensité acoustique et de la vitesse patticuiaire (Fig. 6). L'intensité est mesurée à partir des signaux de pression et de vitesse particulaire. La vitesse particulaire est détectée par intégration temporelle du gradient de pression entre les

2 microphones de la sonde.

LOB de l'étalonnage en pression, le signal de gradient de pression est égal

à O. Le fonctionnement du détecteur de

vitesse particulaire doit

êtrevérifié parl'utiliiation du coupleur

et du pistonphone en simulant une onde plane incidente

0" par rapport à la sonde. Fig.

6

JOURNAL DE PHYSIQUE IV

Meairede I'indice preîsion - intensiî6 dddueile (Fig. 7). Quand les sondes d'intensité sont ex~osées à une onde Diane inci- dente à 90 degrés, les équipements de mesure devraient indiquer un niveau d'intensité égal

à O w/m2. Ils montreront en

]\TT,; fait un niveau d'intensité très inférieur au niveau de pression sonore. Tous les équipements de mesure de i'intensité acwsti- que montreront cet effet, connu sous le nom d'intensitb résiduelle, qui est un probième valable pour tous les angles ~,6aa>0s d'incidence. En utilisant le coupleur et la source sonore large bande, on déterminera le spectre d'indice pression - intensité résiduelle de i'intensimètre. Des microphones à correcteurs de Fig. 7 phase permettent d'aiteindre des performances ecxellentes.

Ils équipent dorénavant toutes les sondes

Brüel & Kjaer et

répondent aux exigences de la norme

CE1 1043.

A partir de l'indice pression intensité résiduelle, est définie la capacité dynamique de VintensimètreO dépendant

du niveau de précision requis. La récente norme internationale

ISOIDIS 9614-1 concernant le mesumge de la

puissance acoustique par intensimètrie montre l'utilisation de la capacité dynamique dans la validdon des résultats de mesure.

O Ld =Sm- K (dB) où Ld = capacité dynamique

6, = indice de pression - intensité résiduelle = L, - t,

K =facteur définissant la classe de précision

L'intensité résiduelle peut

etre utilisée pour optimiser l'intensité mesurée et obtenir une valeur corrigée. @ ''2 l cc, =lm--.Io où 1, = intensité active conigé (w/m2) p,' lm = intensité mesurée (w/mZ)

1, = intensité résiduelle mesurée dans le coupleur du 3541 (wI~Z)

Pm = pression efficace moyenne mesurée (Pa)

Po = pression efficace moyenne mesurée dans le coupleur du 3541 (Pa)

L'utilisation de cette formule oblige à garantir la stabiiitt5 dans le temps de 6,. Or, il s'avère que pour différentes

configurations électroniques de la chaîne de mesurage (gains, fiitres de conditionnement ... ) et parce que tout

oitablepourassurerlesérieuxdur&ultat.

De plus, la mesure de l'intensité acoustique dans les champs réactifs renforce I'exigence de stabilité.

Evidemment,

si le const~cteur de i'instrumentation assure des valeurs minimum pour Sm, alors cette formule de correction est utilisable. Brüel & Kjaer garantit dorénavant pour toute combinaison sondelanalyseur de fréquence, une erreur de phase entrevoiesde mesure de0.15" maximum de 20à 250 Hz. Dans cecas,laformule

@ ne joue que sur quelques centièmes de dB. Une mesure régulière de 8, assure la maîtrise de I'intensimètre et

permet de repousser les limites d'utilisation surtout en basse fréquence. Pour mesurer l'intensité acoustique correctement, il est absolument nécessaire, outre les précautions d'usage propres aux mesures physiques, de définir l'indice pression - intensité résiduelle (écart de champ résiduen

caractérisant la quali de I'intensimGtre. De plus, cet intensimètre devra répondre aux exigences définies par la

normeCEI 1043. Unsystèmed'étalonnagepratiqueetsimplepermettra demaltriserl'intensimètreàn'importequel

moment et d'éviter la pratique de fichiers de correction pour obtenir une valeur fiable. La sensibilité aux erreurs

de phase de

I'intensimètre est trop grande pour pouvoir négliger la stabilité des performances. C'est pourquoi,

il

est plus sûr de mesurer l'intensité acoustique correctement avec un système dont les voies de mesure sont

appariés en phase. - CE1 1043 : 'Insfrumenis Fur the Measurement of Sound Intew, 2nd Committee Draft, January 1991.

- ISO 961 4-1 : 'Détermination des niveaux de puisance acoustique desarces sonores par intensimèirie - Mesurage par wnts'.

- 'Système d'étalonnage pour les appareils de mesure de I'intewé acoustique. Un ouiil au service des induçtnelS Jacky DUMAS,

Briiel& Kjaer France, Congrés International de Métrologie, 17.18 et 19 septembre 1991. Lyon.

- Manuel d'instruction du système d'étalonnage d'intensité ml& ICjaer type 3541, BE 1024-1 1.

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