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Habchi Wassim. A full-system finite element approach to elastohydrodynamic lubrication problems : application to ultra-low-viscosity fluids. 2008 / Thèses / accès numérique libre
Résumé
Résumé
Cette thèse présente un modèle éléments finis avec couplage fort des problèmes de lubrification élastohydrodynamique (EHD). La lubrification EHD consiste en une séparation complète des surfaces en contact par un film complet de lubrifiant dans lequel est générée une pression suffisamment élevée pour engendrer une déformation élastique significative des surfaces. Ainsi, un couplage fort entre les effets hydrodynamiques et les effets élastiques s établit. Le système non-linéaire formé par les équations de Reynolds, d élasticité linéaire et d équilibre des charges est résolu de manière couplée par une approche de type Newton-Raphson. Cette approche permet d avoir de très bons taux de convergence par rapport à l approche classique avec couplage faible. Le problème de frontière libre de cavitation à la sortie du contact est traité par le biais d une méthode de pénalisation. Des formulations de stabilisation appropriées sont utilisées pour étendre la résolution à des cas de contacts fortement chargés. Ensuite, le comportement non-Newtonien du lubrifiant et les effets thermiques sont pris en compte. Le modèle développé est utilisé pour étudier l utilisation des Fluides de Très Faible Viscosité dans les contacts EHD. L utilisation de tels fluides en tant que lubrifiants offre deux avantages principaux: tout d abord, la dissipation d énergie dans le contact par frottement est réduite et ensuite, dans le cadre de machines qui opèrent avec un fluide de fonction (généralement de faible viscosité) et un lubrifiant, le premier pourrait être utilisé pour remplir les deux fonctions. Cela permettrait une conception et une maintenance plus faciles de la machine en plus d une amélioration de ses performances.
In this thesis, a full-system finite element approach to elastohydrodynamic (EHD) lubrication problems is introduced. EHD lubrication is a full-film regime where the pressure generated in the conjunction is high enough to induce a significant elastic deformation of the contacting bodies. Hence, it involves a strong coupling between hydrodynamic and elastic effects. The non-linear system formed by the Reynolds , linear elasticity and load balance equations is solved using a fully-coupled Newton-Raphson procedure. This approach provides outstanding convergence rates when compared with the semi-system one. A penalty method is used to handle the cavitation problem that arises at the outlet of the contact. Appropriate stabilized formulations are used to extend the solution to the case of highly loaded contacts. The resolution process is then extended to account for non-Newtonian behaviour of the lubricant and for thermal effects. The developed model is used to study the behaviour of EHD contacts lubricated with Ultra-Low-Viscosity Fluids. The use of such fluids as lubricants provides two main advantages: first, the frictional energy dissipation in the contact is reduced and second, in machines that work with a low viscosity operational fluid and a lubricant, the former can be used to fulfil both functions and thus the design and maintenance of such machines would become easier and their performance would be improved.
Mot(s) clés libre(s) : Mécanique, Mécanique des fluides, Lubrification, Lubrification élastohydrodynamique, Lubrification EHD, Lubrifiants, Lubrifiants à faible viscosité, Viscosité, Modélisation, Méthode éléments finis
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Habchi Wassim. A full-system finite element approach to elastohydrodynamic lubrication problems : application to ultra-low-viscosity fluids. 2008 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
Résumé
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Cette thèse présente un modèle éléments finis avec couplage fort des problèmes de lubrification élastohydrodynamique (EHD). La lubrification EHD consiste en une séparation complète des surfaces en contact par un film complet de lubrifiant dans lequel est générée une pression suffisamment élevée pour engendrer une déformation élastique significative des surfaces. Ainsi, un couplage fort entre les effets hydrodynamiques et les effets élastiques s établit. Le système non-linéaire formé par les équations de Reynolds, d élasticité linéaire et d équilibre des charges est résolu de manière couplée par une approche de type Newton-Raphson. Cette approche permet d avoir de très bons taux de convergence par rapport à l approche classique avec couplage faible. Le problème de frontière libre de cavitation à la sortie du contact est traité par le biais d une méthode de pénalisation. Des formulations de stabilisation appropriées sont utilisées pour étendre la résolution à des cas de contacts fortement chargés. Ensuite, le comportement non-Newtonien du lubrifiant et les effets thermiques sont pris en compte. Le modèle développé est utilisé pour étudier l utilisation des Fluides de Très Faible Viscosité dans les contacts EHD. L utilisation de tels fluides en tant que lubrifiants offre deux avantages principaux: tout d abord, la dissipation d énergie dans le contact par frottement est réduite et ensuite, dans le cadre de machines qui opèrent avec un fluide de fonction (généralement de faible viscosité) et un lubrifiant, le premier pourrait être utilisé pour remplir les deux fonctions. Cela permettrait une conception et une maintenance plus faciles de la machine en plus d une amélioration de ses performances.
In this thesis, a full-system finite element approach to elastohydrodynamic (EHD) lubrication problems is introduced. EHD lubrication is a full-film regime where the pressure generated in the conjunction is high enough to induce a significant elastic deformation of the contacting bodies. Hence, it involves a strong coupling between hydrodynamic and elastic effects. The non-linear system formed by the Reynolds , linear elasticity and load balance equations is solved using a fully-coupled Newton-Raphson procedure. This approach provides outstanding convergence rates when compared with the semi-system one. A penalty method is used to handle the cavitation problem that arises at the outlet of the contact. Appropriate stabilized formulations are used to extend the solution to the case of highly loaded contacts. The resolution process is then extended to account for non-Newtonian behaviour of the lubricant and for thermal effects. The developed model is used to study the behaviour of EHD contacts lubricated with Ultra-Low-Viscosity Fluids. The use of such fluids as lubricants provides two main advantages: first, the frictional energy dissipation in the contact is reduced and second, in machines that work with a low viscosity operational fluid and a lubricant, the former can be used to fulfil both functions and thus the design and maintenance of such machines would become easier and their performance would be improved.
Mot(s) clés libre(s) : Mécanique, Mécanique des fluides, Lubrification, Lubrification élastohydrodynamique, Lubrification EHD, Lubrifiants, Lubrifiants à faible viscosité, Viscosité, Modélisation, Méthode éléments finis
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Berro Hassan. A molecular dynamics approach to nano-scale lubrication. 2010 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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A Molecular Dynamics Approach to Nano-scale Lubrication Abstract A numerical approach based on Molecular Dynamics simulations was developed in the purpose of investigating the local mechanisms of lubrication at nano-scales. The model ele-ments were introduced and characterized in order to yield the most realistic material and inter-facial properties of the contact. Due to their tight relationship with friction at the nanometre scale, the energetic dissipation methods used in molecular dynamics were revisited and guide-lines were set for choosing a correct dissipation method for a variety of operating conditions. Moreover, a novel method combining physical relevance and simplicity was introduced for studying heat dissipation in the high-shear regime. The model was then employed to investigate the effects related to the molecular structure of the surfaces and that of the confined lubricant. On one hand, for studying different tribologi-cal surfaces, an original method was used to quantitatively measure the physical adsorption and corrugation potentials. These properties directly influence the structuring and boundary flow in confined films. On the other hand, the influence of lubricant molecular shape and mole-cular mixing on the tribological performance was investigated for both wetting and non-wetting surfaces. The simulations allowed local analysis of lubricated friction to be performed from the molecular scale and thus a better understanding of the physical interaction between the involved elements.
Une approche numérique basée sur des simulations Dynamique Moléculaire a été développée dans le but d'étudier les mécanismes locaux de la lubrification à l'échelle nanométrique. Les éléments du modèle ont été présentés et caractérisés afin de reproduire les propriétés les plus réalistes des matériaux et de l'interface du contact. En raison de leur relation étroite avec le frottement, les méthodes de dissipation énergétique pour la dynamique moléculaire ont été revisitées et des recommandations ont été proposées pour le choix d'une méthode correcte adaptée aux différentes conditions opératoires. Pour le régime de fort cisaillement et donc de forte dissipation, une nouvelle méthode mieux fondée physiquement a été développée, combinant simplicité et vitesse de calcul. Le modèle a ensuite été utilisé pour étudier les effets liés à la structure moléculaire des surfaces et du lubrifiant confiné. Afin d'étudier différentes surfaces tribologiques, une méthode originale a été utilisée pour mesurer quantitativement les potentiels physiques d'adsorption et de corrugation. Ces propriétés influencent directement la stratification dans le film et son glissement à l'interface solide. D'autre part, l'influence de la forme moléculaire du lubrifiant sur sa performance tribologique a été étudiée, en solution pure et en mélange, pour les surfaces mouillantes et non-mouillantes. Les simulations moléculaires ont permis une analyse locale du frottement lubrifié à l'échelle moléculaire et ainsi une meilleure compréhension des interactions physiques entre les éléments mis en jeu.
Mot(s) clés libre(s) : Mécanique, Tribologie, Frottements, Lubrification, Dissipation d'énergie, Dynamique moléculaire
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Berro Hassan. A molecular dynamics approach to nano-scale lubrication. 2010 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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Une approche numérique basée sur des simulations Dynamique Moléculaire a été développée dans le but d'étudier les mécanismes locaux de la lubrification à l'échelle nanométrique. Les éléments du modèle ont été présentés et caractérisés afin de reproduire les propriétés les plus réalistes des matériaux et de l'interface du contact. En raison de leur relation étroite avec le frottement, les méthodes de dissipation énergétique pour la dynamique moléculaire ont été revisitées et des recommandations ont été proposées pour le choix d'une méthode correcte adaptée aux différentes conditions opératoires. Pour le régime de fort cisaillement et donc de forte dissipation, une nouvelle méthode mieux fondée physiquement a été développée, combinant simplicité et vitesse de calcul. Le modèle a ensuite été utilisé pour étudier les effets liés à la structure moléculaire des surfaces et du lubrifiant confiné. Afin d'étudier différentes surfaces tribologiques, une méthode originale a été utilisée pour mesurer quantitativement les potentiels physiques d'adsorption et de corrugation. Ces propriétés influencent directement la stratification dans le film et son glissement à l'interface solide. D'autre part, l'influence de la forme moléculaire du lubrifiant sur sa performance tribologique a été étudiée, en solution pure et en mélange, pour les surfaces mouillantes et non-mouillantes. Les simulations moléculaires ont permis une analyse locale du frottement lubrifié à l'échelle moléculaire et ainsi une meilleure compréhension des interactions physiques entre les éléments mis en jeu.
A Molecular Dynamics Approach to Nano-scale Lubrication Abstract A numerical approach based on Molecular Dynamics simulations was developed in the purpose of investigating the local mechanisms of lubrication at nano-scales. The model ele-ments were introduced and characterized in order to yield the most realistic material and inter-facial properties of the contact. Due to their tight relationship with friction at the nanometre scale, the energetic dissipation methods used in molecular dynamics were revisited and guide-lines were set for choosing a correct dissipation method for a variety of operating conditions. Moreover, a novel method combining physical relevance and simplicity was introduced for studying heat dissipation in the high-shear regime. The model was then employed to investigate the effects related to the molecular structure of the surfaces and that of the confined lubricant. On one hand, for studying different tribologi-cal surfaces, an original method was used to quantitatively measure the physical adsorption and corrugation potentials. These properties directly influence the structuring and boundary flow in confined films. On the other hand, the influence of lubricant molecular shape and mole-cular mixing on the tribological performance was investigated for both wetting and non-wetting surfaces. The simulations allowed local analysis of lubricated friction to be performed from the molecular scale and thus a better understanding of the physical interaction between the involved elements.
Mot(s) clés libre(s) : Mécanique, Tribologie, Frottement, Lubrification, Dissipation d'énergie, Dynamique moléculaire
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Sansalone Mickaël. A new shell formulation using complete 3D constitutive laws : Applications to sheet metal forming simulations. 2011 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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Dans le domaine de la mise en forme industrielle, des outils de simulation comme le logiciel Pam-stamp 2G permettent entre autres le prototypage et l'optimisation numérique des produits, réduisant ainsi les coûts expérimentaux de mise au point. Les éléments finis de type coques en hypothèse d'état plan de contrainte demeurent les plus utilisés car ils permettent une prise en compte réaliste des déformations majeures de membrane et de flexion. Cependant, de par leur définition, la contrainte normale pouvant apparaitre en cas de compression du flan dans la direction de l'épaisseur ou encore de flexion extrême sur petit rayon est systématiquement omise. De plus, Il existe de nouveaux procédés de mise en forme de tôle, comme le pliage/sertissage/emboutissage avec laminage et/ou écrasement ainsi que l'hydroformage, qui ne peuvent pas être traités avec ces formulations d'éléments coques classiques. L'utilisation de couches d'éléments volumiques est souvent considérée comme une alternative non convenable aux simulations de ces procédés. Outre le très haut coût CPU, s'ajoutent le rendu parfois non réaliste ainsi que la complexité liée à la découpe du maillage du flan. Récemment, des éléments de type solid-shell ont été mis à contribution mais requièrent des améliorations quant à leurs lois de comportements. L'objectif d ESI group consiste en l élaboration, l'évaluation, l'implémentation et la validation industrielle d'une nouvelle formulation d'élément fini. Cet élément devra permettre la gestion d 'une éventuelle variation d'épaisseur avec prise en compte réaliste de la contrainte normale, tout en assurant des résultats dignes de ceux d'une coque conventionnelle en flexion. Une nouvelle formulation de type coque 3D est ainsi d'abord proposée. Des éléments coques triangulaires et quadrangulaire en théorie de Mindlin et de Kirchhoff sont utilisés. Cette approche est d'abord développée dans un solveur quasi-statique implicite de l'INSA de Lyon pour validation numérique sur cas académiques linéaires et non linéaires de référence. Une validation expérimentale sur opération de pliage dépliage est également réalisée. Aux vues des non linéarités dues au contact avec frottement, grandes déformations et grands déplacements posant des soucis de convergence en implicite au cours de la simulation d opérations de mise en forme, la méthode est ensuite développée dans le solveur explicite de l INSA de Lyon. Seuls les éléments en théorie de Mindlin sont considérés. Les particularités liées à cette méthode de résolution dynamique comme la matrice de masse, le pas de temps critique et l'optimisation du CPU sont traitées. Une nouvelle méthode de contact dédiée aux opérations de mise en forme impliquant du laminage et/ou de l'amincissement est également proposée. Elle permet une transition automatique d'éléments standards vers des éléments coque "3D", palliant ainsi le remaillage. Des essais de mise en forme en U avec ou sans laminage apportent une validation expérimentale concernant le retour élastique. Une fois validées, les techniques et formulations les plus abouties sont implémentées dans le code industriel dédié à la mise en forme Pam-stamp 2G v2011. Après une vérification sur tests de référence, des applications sont enfin menées sur cas critiques inspirés de procédés industriels complexes et nécessitant essentiellement une loi de comportement 3D.
In the sheet metal forming industry, shell elements in plane-stress assumption are employed, as they perform quite well in simulating the major membrane and flexural large deformations involved. However, the normal stress, caused by compression along thickness direction of the blank or local high bending over very small radii, is hence systematically omitted. Besides, when it comes to unusual and challenging processes such as hydro-forming, thinning/thickening, forming with ironing, bottoming and so on, makeshift solutions such as layers of 3D solid hexahedrons or even recent solid-shell elements are no longer appropriate. An innovative 3D finite element formulation methodology overcoming the overcoming the plane-stress definition of classification shell elements, while keeping their very good bending assets is first proposed in this work. The method basically consists in adding a central node endowed with two degrees of freedom at the element center. These two extra translations normal to the element mid-plane give a new quadratic displacement field along the shell normal direction. A derivative normal strain can hence be expressed and a linear normal stress comes via a full 3D constructive law. A very pioneering contact technique, dedicated to forming processes with ironing, thinning/bottoming operations and allowing a usual-to-enhanced automatic element switch is developed as well. Once widely assessed, most interesting achievements are implemented in the dynamic explicit industrial code Pam-stamp 2 G v2011 and evaluated over critical industrial forming processes that require essentially a full 3D strain-stress behavior.
Mot(s) clés libre(s) : Coque métallique, Mise en forme, Modélisation 3 D, Contrainte normale, Loi de comportement, Metallic shell, Processing, 3D modelisation, Normal stress, Behavior law
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Ayranci Kilinç Işil. A nonintrusive diagnostics technique for flame soot based on near-infrared emission spectrometry. 2007 / Thèses / accès numérique libre
Résumé
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A novel nonintrusive soot diagnostics methodology was developed, validated and applied for in-situ determination of temperature, volume fraction and refractive index of soot aggregates formed inside flames by using near-infrared emission spectrometry. Research was conducted in three main parts, first one addressing development and validation of a comprehensive direct model for simulation of line-of-sight radiative emission from axisymmetric sooty flames by coupling sub-models for radiative transfer, radiative properties and optical constants. Radiative property for soot agglomerates was investigated by experimentally validating DDA method against microwave measurements and using it as a reference to assess applicability of simpler RDG-FA approximation. Part two concerns experimental investigation of an axisymmetric ethylene/air diffusion flame by Fourier Transform Near-Infrared spectroscopy. Measurement of line-of-sight emission intensity spectra was performed along with analyses on calibration, noise, uncertainty and reproducibility. Final part focuses on development, evaluation and application of an inversion methodology that inputs spectral emission intensity measurements from optically thin flames, removes noise, identifies soot refractive index from spectral gradients and retrieves soot temperature and volume fraction fields by tomographic reconstruction. Validation with simulated data and favourable application to measurements indicate that proposed methodology is a promising option for nonintrusive soot diagnostics in flames.
Une méthodologie originale de diagnostique des suies a été développée, validée et mise en œuvre pour la détermination in-situ de la température, la fraction volumique et l'indice de réfraction des agrégats de suie formés dans les flammes, en utilisant la spectrométrie d'émission dans le proche infrarouge. Les travaux ont été conduits en trois parties. La première a concerné le développement et la validation d'un model direct complet de simulation de l'émission radiative des flammes sur une ligne de visée. Les propriétés radiatives des agrégats de suie ont été étudiées en validant expérimentalement la méthode DDA avec des mesures micro-ondes et en l'utilisant ensuite pour évaluer l'applicabilité de l'approximation RDG-FA. La deuxième partie a impliqué l'analyse expérimentale de l'émission radiative de flammes de diffusion éthylène/air en mettant en œuvre la spectrométrie de Fourier dans le Proche Infra-rouge. La mesure des flux de rayonnement émis sur une ligne de visée a été réalisée en conjonction avec une analyse de l'étalonnage, du bruit, des incertitudes et de la reproductibilité. La dernière partie a consisté en le développement, l'évaluation et l'application d'une méthodologie d'inversion qui a pour données d'entrée les spectres d'émission de flammes optiquement minces, élimine le bruit, identifie l'indice de réfraction des suies à partir des gradients spectraux et fournit la température et la fraction volumique par reconstruction tomographique. La validation avec des données et une application aux spectres mesurés indiquent que la méthodologie proposée est prometteuse pour le diagnostic non intrusif des suies dans les flammes.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE INDUSTRIELLE, SPECTROSCOPIE, COMBUSTION, FLAMME, SUIE, MATERIAUX, RAYONNEMENTS, TOMOGRAPHIE
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Ayranci Kilinç Işil. A nonintrusive diagnostics technique for flame soot based on near-infrared emission spectrometry. 2007 / Thèses, Ressources documentaires / accès à la bibliothèque (document papier)
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A novel nonintrusive soot diagnostics methodology was developed, validated and applied for in-situ determination of temperature, volume fraction and refractive index of soot aggregates formed inside flames by using near-infrared emission spectrometry. Research was conducted in three main parts, first one addressing development and validation of a comprehensive direct model for simulation of line-of-sight radiative emission from axisymmetric sooty flames by coupling sub-models for radiative transfer, radiative properties and optical constants. Radiative property for soot agglomerates was investigated by experimentally validating DDA method against microwave measurements and using it as a reference to assess applicability of simpler RDG-FA approximation. Part two concerns experimental investigation of an axisymmetric ethylene/air diffusion flame by Fourier Transform Near-Infrared spectroscopy. Measurement of line-of-sight emission intensity spectra was performed along with analyses on calibration, noise, uncertainty and reproducibility. Final part focuses on development, evaluation and application of an inversion methodology that inputs spectral emission intensity measurements from optically thin flames, removes noise, identifies soot refractive index from spectral gradients and retrieves soot temperature and volume fraction fields by tomographic reconstruction. Validation with simulated data and favourable application to measurements indicate that proposed methodology is a promising option for nonintrusive soot diagnostics in flames.
Une méthodologie originale de diagnostique des suies a été développée, validée et mise en œuvre pour la détermination in-situ de la température, la fraction volumique et l'indice de réfraction des agrégats de suie formés dans les flammes, en utilisant la spectrométrie d'émission dans le proche infrarouge. Les travaux ont été conduits en trois parties. La première a concerné le développement et la validation d'un modèle direct complet de simulation de l'émission radiative des flammes sur une ligne de visée. Les propriétés radiatives des agrégats de suie ont été étudiées en validant expérimentalement la méthode DDA avec des mesures micro-ondes et en l'utilisant ensuite pour évaluer l'applicabilité de l'approximation RDG-FA. La deuxième partie a impliqué l'analyse expérimentale de l'émission radiative de flammes de diffusion éthylène/air en mettant en œuvre la spectrométrie à Transformée de Fourier dans le Proche Infra-Rouge. La mesure des flux de rayonnement émis sur une ligne de visée a été réalisée en conjonction avec une analyse de l'étalonnage, du bruit, des incertitudes et de la reproductibilité. La dernière partie a consisté en le développement, l'évaluation et l'application d'une méthodologie d'inversion qui a pour données d'entrée les spectres d'émission de flammes optiquement minces, élimine le bruit, identifie l'indice de réfraction des suies à partir des gradients spectraux et fournit la température et la fraction volumique par reconstruction tomographique. La validation avec des données simulées et une application aux spectres mesurés indiquent que la méthodologie proposée est prometteuse pour le diagnostic non intrusif des suies dans les flammes.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE INDUSTRIELLE, TECHNIQUE NON INTRUSIVE, COMBUSTION, MATERIAUX, FLAMME, SUIE, RAYONNEMENTS, TOMOGRAPHIE
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Pereira Antonio. Acoustic imaging in enclosed spaces. 2013 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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Ce travail de recherche porte sur le problème de l'identification des sources de bruit en espace clos. La motivation principale était de proposer une technique capable de localiser et quantifier les sources de bruit à l'intérieur des véhicules industriels, d'une manière efficace en temps. Dans cette optique, la méthode pourrait être utilisée par les industriels à des fins de réduction de bruit, et donc construire des véhicules plus silencieux. Un modèle simplifié basé sur la formulation par sources équivalentes a été utilisé pour résoudre le problème. Nous montrerons que le problème est mal conditionné, dans le sens où il est très sensible face aux erreurs de mesure, et donc des techniques dites de régularisation sont nécessaires. Une étude détaillée de cette question, en particulier le réglage de ce qu'on appelle de paramètre de régularisation, a été important pour assurer la stabilité de la solution. En particulier, un critère de régularisation basé sur une approche bayésienne s'est montré très robuste pour ajuster le paramètre de régularisation de manière optimale. L'application cible concernant des environnements intérieurs relativement grands, nous a imposé des difficultés supplémentaires, à savoir: (a) le positionnement de l'antenne de capteurs à l'intérieur de l'espace; (b) le nombre d'inconnues (sources potentielles) beaucoup plus important que le nombre de positions de mesure. Une formulation par pondération itérative a ensuite été proposé pour surmonter les problèmes ci-dessus de manière à: (1) corriger pour le positionnement de l'antenne de capteurs dans l'habitacle ; (2) obtenir des résultats corrects en terme de quantification des sources identifiées. Par ailleurs, l'approche itérative nous a conduit à des résultats avec une meilleure résolution spatiale ainsi qu'une meilleure dynamique. Plusieurs études numériques ont été réalisées afin de valider la méthode ainsi que d'évaluer sa sensibilité face aux erreurs de modèle. En particulier, nous avons montré que l'approche est affectée par des conditions non-anéchoïques, dans le sens où les réflexions sont identifiées comme des vraies sources. Une technique de post-traitement qui permet de distinguer entre les chemins directs et réverbérants a été étudiée. La dernière partie de cette thèse porte sur des validations expérimentales et applications pratiques de la méthode. Une antenne sphérique constituée d'une sphère rigide et 31 microphones a été construite pour les tests expérimentaux. Plusieurs validations académiques ont été réalisées dans des environnements semi-anéchoïques, et nous ont illustré les avantages et limites de la méthode. Enfin, l'approche a été testé dans une application pratique, qui a consisté à identifier les sources de bruit ou faiblesses acoustiques à l'intérieur d'un bus.
This thesis is concerned with the problem of noise source identification in closed spaces. The main motivation was to propose a technique which allows to locate and quantify noise sources within industrial vehicles, in a time-effective manner. In turn, the technique might be used by manufacturers for noise abatement purposes such as to provide quieter vehicles. A simplified model based on the equivalent source formulation was used to tackle the problem. It was shown that the problem is ill-conditioned, in the sense that it is very sensitive to errors in measurement data, thus regularization techniques were required. A detailed study of this issue, in particular the tuning of the so-called regularization parameter, was of importance to ensure the stability of the solution. In particular, a Bayesian regularization criterion was shown to be a very robust approach to optimally adjust the regularization parameter in an automated way. The target application concerns very large interior environments, which imposes additional difficulties, namely: (a) the positioning of the measurement array inside the enclosure; (b) a number of unknowns ("candidate" sources) much larger than the number of measurement positions. An iterative weighted formulation was then proposed to overcome the above issues by: first correct for the positioning of the array within the enclosure and second iteratively solve the problem in order to obtain a correct source quantification. In addition, the iterative approach has provided results with an enhanced spatial resolution and dynamic range. Several numerical studies have been carried out to validate the method as well as to evaluate its sensitivity to modeling errors. In particular, it was shown that the approach is affected by non-anechoic conditions, in the sense that reflections are identified as "real" sources. A post-processing technique which helps to distinguish between direct and reverberant paths has been discussed. The last part of the thesis was concerned with experimental validations and practical applications of the method. A custom spherical array consisting of a rigid sphere and 31 microphones has been built for the experimental tests. Several academic experimental validations have been carried out in semi-anechoic environments, which illustrated the advantages and limits of the method. Finally, the approach was tested in a practical application, which consisted in identifying noise sources inside a bus at driving conditions.
Mot(s) clés libre(s) : Espace clos, Bruit, Sources sonores, Méthode des sources équivalentes, Problème inverse, Acoustics, Enclosed space, Noise, Sound sources, Acoustics imaging, Equivalent sources methods, Inverse problem
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Pereira Antonio. Acoustic imaging in enclosed spaces. 2013 / Thèses / accès numérique libre
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Ce travail de recherche porte sur le problème de l'identification des sources de bruit en espace clos. La motivation principale était de proposer une technique capable de localiser et quantifier les sources de bruit à l'intérieur des véhicules industriels, d'une manière efficace en temps. Dans cette optique, la méthode pourrait être utilisée par les industriels à des fins de réduction de bruit, et donc construire des véhicules plus silencieux. Un modèle simplifié basé sur la formulation par sources équivalentes a été utilisé pour résoudre le problème. Nous montrerons que le problème est mal conditionné, dans le sens où il est très sensible face aux erreurs de mesure, et donc des techniques dites de régularisation sont nécessaires. Une étude détaillée de cette question, en particulier le réglage de ce qu'on appelle de paramètre de régularisation, a été important pour assurer la stabilité de la solution. En particulier, un critère de régularisation basé sur une approche bayésienne s'est montré très robuste pour ajuster le paramètre de régularisation de manière optimale. L'application cible concernant des environnements intérieurs relativement grands, nous a imposé des difficultés supplémentaires, à savoir: (a) le positionnement de l'antenne de capteurs à l'intérieur de l'espace; (b) le nombre d'inconnues (sources potentielles) beaucoup plus important que le nombre de positions de mesure. Une formulation par pondération itérative a ensuite été proposé pour surmonter les problèmes ci-dessus de manière à: (1) corriger pour le positionnement de l'antenne de capteurs dans l'habitacle ; (2) obtenir des résultats corrects en terme de quantification des sources identifiées. Par ailleurs, l'approche itérative nous a conduit à des résultats avec une meilleure résolution spatiale ainsi qu'une meilleure dynamique. Plusieurs études numériques ont été réalisées afin de valider la méthode ainsi que d'évaluer sa sensibilité face aux erreurs de modèle. En particulier, nous avons montré que l'approche est affectée par des conditions non-anéchoïques, dans le sens où les réflexions sont identifiées comme des vraies sources. Une technique de post-traitement qui permet de distinguer entre les chemins directs et réverbérants a été étudiée. La dernière partie de cette thèse porte sur des validations expérimentales et applications pratiques de la méthode. Une antenne sphérique constituée d'une sphère rigide et 31 microphones a été construite pour les tests expérimentaux. Plusieurs validations académiques ont été réalisées dans des environnements semi-anéchoïques, et nous ont illustré les avantages et limites de la méthode. Enfin, l'approche a été testé dans une application pratique, qui a consisté à identifier les sources de bruit ou faiblesses acoustiques à l'intérieur d'un bus.
This thesis is concerned with the problem of noise source identification in closed spaces. The main motivation was to propose a technique which allows to locate and quantify noise sources within industrial vehicles, in a time-effective manner. In turn, the technique might be used by manufacturers for noise abatement purposes such as to provide quieter vehicles. A simplified model based on the equivalent source formulation was used to tackle the problem. It was shown that the problem is ill-conditioned, in the sense that it is very sensitive to errors in measurement data, thus regularization techniques were required. A detailed study of this issue, in particular the tuning of the so-called regularization parameter, was of importance to ensure the stability of the solution. In particular, a Bayesian regularization criterion was shown to be a very robust approach to optimally adjust the regularization parameter in an automated way. The target application concerns very large interior environments, which imposes additional difficulties, namely: (a) the positioning of the measurement array inside the enclosure; (b) a number of unknowns ("candidate" sources) much larger than the number of measurement positions. An iterative weighted formulation was then proposed to overcome the above issues by: first correct for the positioning of the array within the enclosure and second iteratively solve the problem in order to obtain a correct source quantification. In addition, the iterative approach has provided results with an enhanced spatial resolution and dynamic range. Several numerical studies have been carried out to validate the method as well as to evaluate its sensitivity to modeling errors. In particular, it was shown that the approach is affected by non-anechoic conditions, in the sense that reflections are identified as "real" sources. A post-processing technique which helps to distinguish between direct and reverberant paths has been discussed. The last part of the thesis was concerned with experimental validations and practical applications of the method. A custom spherical array consisting of a rigid sphere and 31 microphones has been built for the experimental tests. Several academic experimental validations have been carried out in semi-anechoic environments, which illustrated the advantages and limits of the method. Finally, the approach was tested in a practical application, which consisted in identifying noise sources inside a bus at driving conditions.
Mot(s) clés libre(s) : Espace clos, Bruit, Sources sonores, Méthode des sources équivalentes, Problème inverse, Acoustics, Enclosed space, Noise, Sound sources, Acoustics imaging, Equivalent sources methods, Inverse problem
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Yu Liang. Acoustical source reconstruction from non-synchronous sequential measurements. 2015 / Thèses / accès numérique libre
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Résumé
Une limitation fondamentale du problème inverse acoustique est déterminée par la taille et la densité de l'antenne de microphones. Une solution pour atteindre une grande antenne et / ou à forte densité de microphones est de scanner l'objet d'intérêt en déplaçant séquentiellement une antenne de petites dimensions (mesures dites séquentielles). La différence entre des mesures séquentielle et une mesure simultanée en tous points est que dans ce dernier cas, l'intégralité de la matrice interpectrale peut être estimée, contrairement au cas des mesures séquentielles qui ne permettent l'estimation que d'une partie réduite de cette matrice; les éléments croisés (interspectres) entre deux points de mesures n'appartenant pas à la même séquence ne sont pas estimés. Néanmoins, ces données restent nécessaires pour la reconstruction acoustique. Dans l'approche classique, une ou plusieurs références sont utilisées pour retrouver les données manquantes. L'objet de cette thèse est de récupérer les éléments manquants de la matrice interspectrale sans capteurs de référence, dans le cas où le champ acoustique est suffisamment cohérent pour mettre en œuvre les mesures séquentielles. Deux modèles de spectre de valeurs propres parcimonieux sont proposés pour résoudre ce problème, le premier impose une valeur faible de rang, tandis que le second repose sur la minimisation de la norme nucléaire (recherche d'une solution faiblement parcimonieuse).
A fundamental limitation of the inverse acoustic problem is determined by the size of the array and the microphone density. A solution to achieve large array and/or high microphone density is to scan the object of interest by moving sequentially a small prototype array, which is referred to as sequential measurements. In comparison to a large array and/or high microphone density array that can acquire simultaneously all the information of the spectral matrix, in particular all cross-spectra, sequential measurements can only acquire a block diagonal spectral matrix, while the cross-spectra between the sequential measurements remain unknown due to the missing phase relationships between consecutive positions. Nevertheless, these unknown cross-spectra are necessary for acoustic reconstruction. The object of this thesis is to recover the missing elements of the spectral matrix in the case that the acoustical field is highly coherent so as to implement the sequential measurements. Sparse eigenvalue spectrum are assumed to solve this problem, which lead to a structured low rank model and a weakly sparse eigenvalue spectrum model.
Mot(s) clés libre(s) : Pression acoustique, Problème inverse, Capteur, Mesures acoustiques, Mechanics, Acoustic, Sound pressure, Inverse problem, Sensor, Acoustic measures
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