Contrôle actif du bruit émis par une gaine de ventilation - Lyon
Par contre la phase de la vibration de sa membrane va dépendre du sens de ...
Comment appelle- t-on le phénomène correspondant à l'annulation de deux ...
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Spécialité physique
Son et architecture fiche 1
PRÉSENTATION
TitreContrôle actif du sonType d'activitéActivité expérimentaleObjectifs de lactivitéMettre au point une démarche expérimentale permettant de montrer la disparition dun son grâce aux interférences.Références par rapport au programmeCette activité illustre le mot clef acoustique active
Du sous thème « sons et architecture » du thème 2 « son et musique » du programme de spécialité
en classe de TERMINALE S
Notions et contenus
Réaliser des interférences sonores et utiliser les zones dinterférences destructivesCompétences attendues
Extraire des informations dun document
Elaborer et mettre en uvre un protocole expérimental
Réglage dun GBF
Utilisation de hauts parleurs
Utilisation dun microphone
Conditions de mise en uvrePrérequis : longueur donde, vitesse de propagation, fréquence , ondes mécaniques, interférences, nature des ondes sonores
Dans une salle « à part » ou dans une caisse sourde pour éviter les nuisances sonores vers les autres groupes ou en provenant
Durée 1,5 hRemarques
Il nest pas question de développer la théorie du contrôle actif. Seule la notion dinterférences destructives est utilisée.
AuteursAlain Jouve
Lycée Rosa ParksAcadémie de LYON
Contrôle actif du bruit émis par une gaine de ventilation.
Document 1:
« On appelle contrôle acoustique actif (en anglais Active Noise Control) ou anti-bruit lutilisation de sources de bruit dites secondaires pour réduire un bruit indésirable dit primaire.
Lidée principale est démettre à laide dun ou plusieurs haut parleurs (« la source secondaire ») le même bruit que lon veut éliminer souvent émis par un moteur ou un dispositif industriel (« source primaire »).
Il faut donc que le système comporte un micro suivi dun système électronique de contrôle capable de générer un son opposé à la nuisance sonore.
Si le bruit à éliminer est périodique et sans variation dintensité au cours du temps, la mise au point de ce dispositif est beaucoup facile que dans le cas où le la nuisance sonore est irrégulière présentant une multitude de fréquences variant au cours du temps.
Pour concevoir un dispositif de contrôle actif, il faut savoir comment des sources de bruit secondaires peuvent interagir avec le son à éliminer. Il faut notamment savoir si, compte tenu du milieu de propagation où lon se trouve, une ou plusieurs sources sont bien capables de réduire le bruit et si cette réduction sera locale (i.e. restreinte à quelques points de lespace) ou si elle peut être globale ; il faut également se forger quelques règles générales pour savoir combien de sources secondaires et de capteurs utiliser et où les disposer.
Une difficulté vient sajouter si la source primaire se déplace dans lespace ou si le local change de forme.
A basse fréquence peu de modes contribuent significativement au bruit dans une cavité ; un contrôle actif global du bruit y est alors envisageable. Cette situation correspond au cas de la fréquence fondamentale du bruit moteur dans une voiture mais aussi à celui du volume contenu sous la coquille dun casque anti-bruit. »
Daprès « UNE INTRODUCTION AU CONTRÔLE ACOUSTIQUE ACTIF EMMANUEL FRIOT CNRS - Laboratoire de Mécanique et dAcoustique : cel.archives-ouvertes.fr/docs/00/09/29/72/PDF/cel-45.pdf»
Document 2
Combattre le bruit par le bruit
Il y a une cinquantaine d'années, deux ingénieurs américains développaient une idée aussi simple que redoutablement efficace pour combattre les nuisances sonores : créer de l'antibruit. C'était sans compter les obstacles techniques qui allaient empêcher toute application jusqu'à ces dernières années. Et certains restent encore à lever.
Plutôt que de lutter contre les bruits gênants en les étouffant au moyen d'isolants, pourquoi ne pas les attaquer avec des sons exactement opposés qui les annihileraient ? C'est l'idée révolutionnaire qu'ont eu, au début des années 1950, deux ingénieurs des laboratoires RCA, à Princeton : Harry Olson (en médaillon) et Everett May. En novembre 1953, ils détaillaient le principe de l'« absorbeur électronique de son » dans le Journal of the Acoustical Society of America. Il consistait à capter le bruit par un microphone, à l'amplifier, puis à le réémettre par un haut-parleur de façon à créer un « contre-bruit » qui, additionné au bruit incident, devait donner une résultante nulle par interférence destructive.
Contrôle actif
Leur invention n'eut pas de suite à l'époque car l'électronique était trop rudimentaire pour obtenir un dispositif réellement efficace : Olson utilisait un amplificateur à tubes, le transistor n'en étant qu'à ses débuts. Une vingtaine d'années plus tard, trois chercheurs français du laboratoire CNRS de mécanique et d'acoustique de Marseille, Maurice Jessel, Georges Canévet et moi-même, reprirent le concept de « contrôle actif ».
Afin de comprendre le mécanisme du contrôle actif, examinons le cas de la réduction des bruits dans un conduit, par exemple un tronçon de gaine de climatisation. Pour réaliser un système simple de contrôle actif, on détecte l'onde sonore indésirable grâce à un microphone, le « microphone de référence », relié à un dispositif électronique, le « contrôleur », qui pilote un haut-parleur placé sur la paroi du conduit, la « source secondaire ». On règle ensuite la commande du haut-parleur de façon à créer un contre-bruit et à annuler ainsi le bruit dans toute la région en aval de la source secondaire.
« Gérard Mangiante La recherche article id=8560 »
Document 3
Document4
Branchement des hauts parleurs
Un haut-parleur nest pas polarisé, il peut donc se brancher dans un sens ou dans lautre sans dommage.
Par contre la phase de la vibration de sa membrane va dépendre du sens de branchement.
Une des bornes est souvent repérée par une couleur rouge ou un signe + qui indique un sens arbitraire du passage du courant permettant à la membrane davancer.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Activités
Questions :
Comment définiriez-vous avec des mots simples le contrôle actif du son ?
Comment appelle- t-on le phénomène correspondant à lannulation de deux ondes mécaniques dans un domaine de lespace ?
Peut on obtenir cette annulation dans tout le milieu ou se propage le son ?
Peut il y avoir au contraire renforcement du son dans dautres zones de lespace ?
Quelle grandeur physique caractérisant les ondes déterminera la taille de ses domaines ?
Evaluer la taille dun domaine datténuation si la fréquence du son nuisible est de 100 Hz et la vitesse du son est v = 340m.s-1 ?
Pourquoi le contrôle actif est il plus aisé si la nuisance sonore est périodique avec peu dharmoniques ?
Comment interpréter la phrase de la ligne 19 du document 1 ?
Quelle relation doit il exister entre la fréquence de la source primaire et celle de la source secondaire ?
Pourquoi le micro de référence doit il être protégé du son émis par la source secondaire ?
Le document 3 décrit une méthode datténuation active du son émis par une conduite de ventilation. Expliquer en quelques lignes le principe de cette atténuation.
Manipulation
Question préliminaire : pourquoi faut il utiliser des hauts parleurs montés dans des baffles et non pas des hauts parleurs nus ?
Rédigez un protocole expérimental permettant de mettre en évidence le principe du contrôle actif dune nuisance sonore et dévaluer la taille des zones de « silence ».
On montrera également linfluence de la fréquence du son sur cette atténuation.
Remarque : en acoustique on utilise des fréquences normalisées : 125 Hz; 250 Hz; 500 Hz; 1000 Hz; 2000 Hz; 4000 Hz.
Matériel à votre disposition:
Un GBF
Deux hauts parleurs placés dans des baffles
Un micro à électret
Un oscilloscope ou un système dacquisition de données
Une chambre sourde.
Un réglet
DOCUMENT PROFESSEUR
Questions :
Comment définiriez-vous avec des mots simples le contrôle actif du son ?
Le contrôle actif du son consiste à éliminer un son nuisible en superposant à ce son un autre son créé par une source électronique, il faut que les deux sons se soustraient.
Comment appelle- t-on le phénomène correspondant à lannulation de deux ondes mécaniques dans un domaine de lespace ?
Il sagit du phénomène dinterférences que lon rencontre lorsque deux ondes de même fréquence se superposent dans un même lieu.
Peut on obtenir cette annulation dans tout le milieu ou se propage le son ?
Le phénomène dinterférence destructive ne se produit quen des lieux limités par des zones où il y a interférence constructive de taille égale à peu près la demi longueur donde.
Peut il y avoir au contraire renforcement du son dans dautres zones de lespace ?
Les zones dinterférences constructives sont des lieus où les ondes se renforcent au lieu de sannuler. Elles sont aussi de taille égale à peu près la demi longueur donde.
Quelle grandeur physique caractérisant les ondes déterminera la taille de ses domaines ?
La largeur des domaines dinterférences constructives ou destructives est de lordre de la demi-longueur donde.
Evaluer la taille dun domaine datténuation si la fréquence du son nuisible est de 100 Hz et la vitesse du son est v = 340m.s-1 ?
La longueur donde est (= V/F = 340/100 = 3,4 m donc la demi-longueur donde est 1,20 m
Pourquoi le contrôle actif est il plus aisé si la nuisance sonore est périodique avec peu dharmoniques ?
Si la nuisance sonore est non périodique avec beaucoup dharmoniques, il ne sera possible de créer à tout instant une onde sonore qui lui sera opposée exactement quà laide dun outil informatique capable de calculer très rapidement londe secondaire à partir du signal fourni par le micro. Par contre si la nuisance sonore est proche dun signal sinusoïdal stable dans le temps, un simple GBF muni dun haut parleur permettra dobtenir londe secondaire capable de sy opposer.
Comment interpréter la phrase de la ligne 19 du document 1 ?
A basse fréquence les domaines où les deux signaux donnent des interférences destructives sont plus grands, de lordre du mètre pour 100 Hz, que dans le cas des fréquences élevées où ces domaines ont des tailles de lordre du cm pour 4000 Hz.
Quelle relation doit il exister entre la fréquence de la source primaire et celle de la source secondaire ?
Les deux fréquences doivent être rigoureusement égales.
Pourquoi le micro de référence doit il protégé du son émis par la source secondaire ?
Le micro de référence capte le son à éliminer, le signal quil émet sert au calcul du son capable dannuler ce son nuisible. Si ce micro est sensible à la source secondaire alors le calcul de londe secondaire sera faux.
Le document 3 décrit une méthode datténuation active du son émis par une conduite de ventilation. Expliquer en quelques lignes le principe de cette atténuation.
La conduite est la source dun bruit gênant. Le micro de référence capte ce bruit qui est utilisé par un système électronique générant londe secondaire émise par le haut parleur. Le haut parleur est disposé latéralement sur la conduite afin que le micro ne reçoive pas le son émis par le haut-parleur. A la sortie de la conduite, le bruit gênant doit être atténué.
Manipulation
Les hauts parleurs doivent être placés dans des baffles afin que londe émise vers lavant et londe émise vers larrière, en opposition de phase, ne sannulent pas. Un hautparleur nu semble némettre que des sons de faible intensité et de fréquence élevée car ce phénomène dinterférences destructrices est prépondérant aux basses fréquences à cause de la longueur donde élevée, de lordre du mètre, des basses fréquences.
On attend de lélève quil place deux hauts parleurs côte à côte qui émettent vers la même zone de lespace.
Lun représente le bruit à éliminer, lautre la source secondaire.
Les deux haut-parleurs doivent être branchés en opposition de phase pour quà basse fréquence les interférences soient destructives entre les deux haut-parleurs.
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Il déplace un micro explorateur dans lespace situé devant les haut-parleurs.
Il mesure lamplitude du signal pour différentes positions.
Le micro peut être relié à un voltmètre large bande passante ou à un oscilloscope, ou un système dacquisition de données.
Mesures à
Fréquence½ ((m)Observations125 Hz1,4mUne zone de « silence « étendue de 1,4 m de côté environ250 Hz0,7 mUne zone de « silence » étendue à un caré de 70 cm de côté environ.500 Hz0,35 mUne zone de « silence » de 35 cm de côté1000 Hz0,17 mUne alternance de zones de « silence » et de bruit de 17cm de large2000 Hz0,08mUne alternance de zones de « silence » et de bruit de 8 cm de large4000 Hz0,04 mUne alternance de zones de « silence » et de bruit de 4 cm de large
+
La membrane avance
+
La membrane recule
