Acoustical characterization of vibrating structures in near vacuum.
Estimation methods for eigenfrequencies and damping factors.
Applications in musical acoustics.
Caractérisations acoustiques de structures vibrantes
par mise en atmosphère raréfiée.
Méthodes d'estimation relatives aux fréquences et amortissements des modes propres.
Applications en acoustique musicale.
Résumé
An experimental method is defined for qualifying the structure/light fluid interaction when linear vibrations are assumed. It is based on the comparison between modal frequencies and damping factors measured when the structure vibrates in air and when it vibrates in near vacuum.
We specially focused on the estimation of modal parameters. Two signal processing techniques ---non parametric and parametric--- are implemented for processing a large number of modes automatically. The accuracy of the two estimators is studied in order
to evaluate the uncertainties on damping factors and frequencies; this is essential to compare modal parameters meaningfully. The parametric method turns out to be necessary in order to estimate the partials made of multiple complex exponentials, when
their frequencies are too close to be tractable with Fourier analysis.
The aim of studying the free vibration of thin metallic plates is to validate the experimental procedure : acoustic impedances, radiation efficiencies and other
acoustical quantities, are derived from the measurements for each eigenmode, and are in
good agreement with theory. The radiation ratio for a steel plate, defined as the part of total dissipated power which is radiated, is about 10% for frequencies below the critical frequency and more than 50% above. In the case of the guitar, the string-bridge coupling is described by a mechanical admittance, which eventually
explains why several partials are more damped in vacuum. The radiation ratio of the guitar lies between 15% and 60%, within the 80-2500 Hz frequency range. Finally, signal processing techniques have allowed to acoustically qualify the restoration of the Perpignan's carillon: the tone decay an average of 15% to 25% slower after the restoration.
We specially focused on the estimation of modal parameters. Two signal processing techniques ---non parametric and parametric--- are implemented for processing a large number of modes automatically. The accuracy of the two estimators is studied in order
to evaluate the uncertainties on damping factors and frequencies; this is essential to compare modal parameters meaningfully. The parametric method turns out to be necessary in order to estimate the partials made of multiple complex exponentials, when
their frequencies are too close to be tractable with Fourier analysis.
The aim of studying the free vibration of thin metallic plates is to validate the experimental procedure : acoustic impedances, radiation efficiencies and other
acoustical quantities, are derived from the measurements for each eigenmode, and are in
good agreement with theory. The radiation ratio for a steel plate, defined as the part of total dissipated power which is radiated, is about 10% for frequencies below the critical frequency and more than 50% above. In the case of the guitar, the string-bridge coupling is described by a mechanical admittance, which eventually
explains why several partials are more damped in vacuum. The radiation ratio of the guitar lies between 15% and 60%, within the 80-2500 Hz frequency range. Finally, signal processing techniques have allowed to acoustically qualify the restoration of the Perpignan's carillon: the tone decay an average of 15% to 25% slower after the restoration.
Nous proposons une méthode expérimentale destinée à caractériser l'interaction structure-fluide léger, lorsque les vibrations sont en régime linéaire. Cette méthode s'appuie sur la comparaison entre les fréquences et facteurs d'amortissement des modes propres mesurés lorsque la structure vibre dans l'air et ces mêmes paramètres modaux mesurés en atmosphère raréfiée.
Deux méthodes ---non paramétrique et paramétrique--- de traitement du signal sont mises en oeuvre afin de traiter automatiquement un grand nombre de modes. Leur performances d'estimation sont évaluées avec soin, donnant ainsi l'accès aux incertitudes, essentiel pour effectuer des comparaisons valides sur les paramètres
modaux. La méthode paramétrique s'avère nécessaire pour estimer les partiels à composantes exponentielles complexes multiples, dont les fréquences sont trop proches pour être séparables par l'analyse de Fourier.
L'étude de plaques métalliques minces en vibration libre constitue une validation de la méthode expérimentale : l'impédance acoustique, le facteur de rayonnement et
d'autres grandeurs acoustiques déduites de la mesure pour chaque mode de vibration sont cohérentes avec le comportement vibroacoustique attendu. Les rendements acoustiques observés pour une plaque en acier sont de l'ordre de 10% pour les fréquences modales inférieures à la fréquence de coïncidence et supérieurs à 50% pour les fréquences supérieures à celle-ci. Pour la guitare, nous proposons un modèle simple qui décrit le
couplage corde-chevalet en terme d'admittance au chevalet et qui permet d'expliquer pourquoi certains partiels de la vibration de corde présentent des amortissements plus forts dans le vide. Le rendement acoustique de la guitare varie entre 15 et 60% sur
la gamme de fréquence 80-2500 Hz. Enfin, les méthodes de traitement ont permis d'évaluer l'effet acoustique de la restauration du carillon de Perpignan : une tenue
des notes de 15 à 25% supérieure en moyenne après restauration.
Deux méthodes ---non paramétrique et paramétrique--- de traitement du signal sont mises en oeuvre afin de traiter automatiquement un grand nombre de modes. Leur performances d'estimation sont évaluées avec soin, donnant ainsi l'accès aux incertitudes, essentiel pour effectuer des comparaisons valides sur les paramètres
modaux. La méthode paramétrique s'avère nécessaire pour estimer les partiels à composantes exponentielles complexes multiples, dont les fréquences sont trop proches pour être séparables par l'analyse de Fourier.
L'étude de plaques métalliques minces en vibration libre constitue une validation de la méthode expérimentale : l'impédance acoustique, le facteur de rayonnement et
d'autres grandeurs acoustiques déduites de la mesure pour chaque mode de vibration sont cohérentes avec le comportement vibroacoustique attendu. Les rendements acoustiques observés pour une plaque en acier sont de l'ordre de 10% pour les fréquences modales inférieures à la fréquence de coïncidence et supérieurs à 50% pour les fréquences supérieures à celle-ci. Pour la guitare, nous proposons un modèle simple qui décrit le
couplage corde-chevalet en terme d'admittance au chevalet et qui permet d'expliquer pourquoi certains partiels de la vibration de corde présentent des amortissements plus forts dans le vide. Le rendement acoustique de la guitare varie entre 15 et 60% sur
la gamme de fréquence 80-2500 Hz. Enfin, les méthodes de traitement ont permis d'évaluer l'effet acoustique de la restauration du carillon de Perpignan : une tenue
des notes de 15 à 25% supérieure en moyenne après restauration.