Laboratoire d

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Laboratoire dAcoustique Musicale - Université
Paris 6 CNRS UMR 7604 Ministère de la Culture
et de la Communication JJCAAS - ENST
23/10/03 Émission Acoustique Etude du
haut-parleur aux grands déplacements
Guillaume Pellerin, Jean-Pierre
Morkerken, Jean-Dominique Polack, Nicolas
Quaegebeur pellerin_at_ccr.jussieu.fr
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Laboratoire dAcoustique Musicale - Université
Paris 6 CNRS UMR 7604 Ministère de la Culture
Etude du haut-parleur aux grands déplacements
Systèmes Bass-Reflex classiques
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Laboratoire dAcoustique Musicale - Université
Paris 6 CNRS UMR 7604 Ministère de la
Culture Etude du haut-parleur aux grands
déplacements

• Introduction
• Le comportement linéaire et la bande passante
  dune enceinte Bass-Reflex sont limités par
  différents facteurs
• magnétique hystérésis, forces contre
  électro-motrices.
• mécanique excursion finie, modes vibratoires
  (boîte membrane), visco-élasticité.
• acoustique volume fini, couplage des modes de
  résonance, diffraction.
• aérodynamique turbulences, décrochage du flux
  dair oscillant dans lévent.
• Aux grandes amplitudes de déplacement, le débit
  de particules dair devient si important quil
  nest plus possible de négliger les effets du
  second ordre
• diffusion, convection, effets de vortex,
  instabilités dynamiques
• Solutions pour accroître la qualité du signal
  acoustique rayonné
• Un profil dévent procurant un meilleur contrôle
  des variables de pression et de vitesse.
• Diminuer le couplage acoustique (court-circuit)
  entre le haut-parleur et lévent.

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Laboratoire dAcoustique Musicale - Université
Paris 6 CNRS UMR 7604 Ministère de la
Culture Introduction
Plan détude I. Effets aérodynamiques et
instabilités du couplage fluide-structure. Phéno
mène de décrochage de la couche limite. Bruits
de vortex. II. Optimisation de lévent. Choix du
profil de tuyère. Mesures. III. Etude harmonique
de la tuyère. Modèle 1D. Description du
comportement en phase. Directivité. IV. Etude
numérique de la tuyère en régime
instationnaire. Modèle Navier-Stokes
instationnaire 2D axisymétrique. Résolution par
éléments finis (discrétisation en temps et en
espace).
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements
I. Effets aérodynamiques et instabilités du
couplage fluide-structure.

• Création de vortex dû à un grand nombre de
  Strouhal (dx(t)/ds(x))
• Bruits de souffle
• perturbation de lécoulement dans le canal

Ecoulement en sortie dun évent cylindrique D
30 cm, Vint 7.8 L, f 48.1 Hz
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements I. Effets aérodynamiques et
instabilités du couplage fluide-structure.
Equation de Howe où (pour des flux à
grand nombre de Reynolds, faible nombre de Mach)
doù avec
Equation de Navier-Stokes diffusion,
conditions aux limites
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements I. Effets aérodynamiques et
instabilités du couplage fluide-structure.
II. Optimisation de lévent.
Point dinflexion
S(x)
pc,vc,Sc
p1,v1,S1
p2,v2,S2
Profil de tuyère T01 (Breveté) (Configuration
bi-évent pour un volume interne de 8L)
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements II. Optimisation de lévent
Prototype Lyulka01 à 2 tuyères T01
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements II. Optimisation de lévent
Système Bass Reflex mesures en régime
semi-permanent
a) Avec 2 cylindres (Ø 43mm, L 265 mm) b)
Avec 2 tuyères T01
26 W
Bursts sinusoïdaux T 277 ms.
 
60 W
Burst signals radiated by the vented box with the
2 cylinders (8.75 V and 20 V(eff) respectively
on the amplifier output, f 56.5 Hz).
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements II. Optimisation de lévent

• Système Bass Reflex mesures en régime permanent
• Avec 2 cylindres (Ø 43mm, L 265 mm)
• Avec 2 tuyères T01

Temporal and frequency responses of Lyulka01 with
the 2 cylinders (Ø 43mm, L 265 mm) Veff
3.15 V (Sine signal f 56.5 Hz)
Temporal and frequency responses Lyulka01 with
the 2 nozzles Veff 3.15 V (Sine signal f 56.5
Hz) THD 0.1
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déplacements II. Optimisation de lévent
Système Bass Reflex mesures en régime
permanent Espace des phases
Diagramme de phase de la pression émise par
Lyulka01 (bass reflex) équipée dévents
cylindriques mesurée à 50 cm (Vexc 3 V)
Diagramme de phase de la pression émise par
Lyulka01 (bass reflex) équipée de 2 tuyères
mesurée à 50 cm (Vexc 3 V)
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements
III. Etude harmonique de la tuyère
(1D). Comportement en phase Equation des
pavillons 1. Cas du tube 2. Cas de la
tuyère
avec

• p et p- sont des ondes propagatives
• déphasage

• p1 et p2 sont en phase lorsque f --gt 0
• Diminution du déphasage

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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
Modèle électrique équivalent du système
HP,tuyère (1D). Utilisation des analogies
mécano-électrique et acousto/électrique
 
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
Simulation Pspice avec pertes visco-thermiques du
système (HP Axx1212 ,tuyère T16) (1W_at_1m)
 
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
Simulation Pspice avec pertes visco-thermiques du
système (HP PHL 4530 ,tuyère T16) (1W_at_1m)
La fréquence de coupure de lémetteur peut donc
tendre vers 0 Hz !
 
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
Comportement en directivité
Pour kltM/2? avec (en dessous de la résonance
dHelmoltz)
Pour klltlt1 et p?1
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
eq 72 dB
Diagramme de directivité du système HP,Tuyère
mesuré en chambre anéchoïque. Echelle en Pa
(rms) Le micro est placé à 75cm du centre de
lenceinte. (IRCAM, nov 2002, HP Monacor SP60 8
Ohm, tuyère T02)
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements
IV. Etude numérique de la tuyère en régime
instationnaire. Méthode simulation
Navier-Stokes instationnaire par Eléments Finis
Fluides 3D avec opérateur convection/diffusion/so
urce (Castem 3M).

• Options (axisymétrie)
• Maillage (éléments Qua9), paramétrage,
  importations.
• Algorithme (implicite, ordre 2 en temps, ordre 2
  en espace)
• Opérateurs, Conditions aux limites, constantes.
• RV 'EQEX' mgeo NITER niti 'ITMA' nit 'ALFA'
  1.
• 'ZONE' mgeo 'OPER' VLIMITE
• 'ZONE' mgeo 'OPER' TEMPER
• 'OPTI' 'EF' 'IMPL' 'SUPG' KPRES
• 'ZONE' mgeo 'OPER' 'NS' NU GB 'TN' 0.0 'INCO'
  'UN'
• 'OPTI' 'CENTREE'
• 'ZONE' mgeo 'OPER' 'DFDT' 1. 'UN' dete 'INCO'
  UN
• 'ZONE' mgeo 'OPER' 'KBBT' (1.) 'INCO' UN PRES
• 'ZONE' mgeo 'OPER' 'TSCAL' alpha0 'UN' Q
  'INCO' 'TN'
• 'ZONE' sortie 'OPER' 'TOIM' tos INCO UN
• 'ZONE' mgeo OPER RENP
• 4. Résolution.
• 5. Post-Traitement (numérique et graphique).

 
mgeo
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements IV. Etude numérique de la tuyère en
régime instationnaire
Simulation par la Méthode des Eléments Finis
fluides (Castem 3M - NS) tuyère T01
 
Champ de vitesse projeté sur le maillage dans la
partie divergente Tuyère T01 Umax(entrée) 1.5
m/s
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements IV. Etude numérique de la tuyère en
régime instationnaire
Simulation par la méthode des éléments finis
fluides (Castem 3M NS instationnaire) Profil
 classique 
Mode axisymétrique f 55 Hz exc /- 1.2 mm D
138 mm d 30 mm Umax(entrée) 0.42 m/s Re
18100
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements IV. Etude numérique de la tuyère en
régime instationnaire
Simulation par la méthode des éléments finis
fluides (Castem 3M - NS) Profil tuyère 01
Mode axisymétrique f 55 Hz exc /- 7.8e-1
mm D 200 mm d 30 mm Umax(entrée) 0.27
m/s Re(col) 24000
 
Pression relative (Pa)
Vitesse Uy(t) (m/s)
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements IV. Etude numérique de la tuyère en
régime instationnaire
Simulation Eléments Finis fluides (Castem 3M NS
instationnaire) tuyère T01
 
Mode axisymétrique f 55 Hz exc /- 1.3 mm D
200 mm d 30 mm Umax(entrée) 1.5 m/s Re(col)
40000
Rotationnel (rad/s)
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Laboratoire dAcoustique Musicale - Université
Paris 6 CNRS UMR 7604 Ministère de la
Culture Etude du haut-parleur aux grands
déplacements

• Conclusion
• Lapproche aérodynamique permet dexpliquer la
  génération ou lannulation des phénomènes de
  distortion complexes dans les basses fréquences.
• Ces phénomènes peuvent être mis en évidence grâce
  à une description temporelle qui dévoile les
  transitions entre les régimes périodiques et
  chaotiques dune source sonore.
• La tuyère constitue un oscillateur acoustique
  stable même pour des déplacements dair
  importants.
• Lutilisation en dipôle montre que la fréquence
  de coupure dune source acoustique peut
  idéalement tendre vers 0.
• et Perspectives
• Etablir une cartographie expérimentale du champ
  de vitesses au sein et au voisinage du
  haut-parleur.
• Valider le modèle non-linéaire de source sonore
  basé sur les lois aérodynamiques (FEM,
  description algorithmique), puis modèle
  analytique 2D (Equation de Burgers modifiée).
• Couplage de la membrane avec le fluide.
• Extension du procédé aux guides dondes, aux
  pavillons classiques et aux sources acoustiques
  hautes-fréquences.
• Ce projet reçoit le soutien de Agoranov, de la
  DRITT et de lAgence Spatiale Européenne
• pellerin_at_ccr.jussieu.fr

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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements
Prochainement Haliaetus V2.0
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements
Haliaetus V2.0
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Caractérisation et optimisation des
effets aérodynamiques pour la reproduction des
basses fréquences
Lyulka B V1.0
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UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements III. Etude harmonique de la tuyère
(1D)
Mesure LMS du système (HP Axx1212 ,tuyère T16)
(1W_at_1m)
 
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements IV. Etude numérique de la tuyère en
régime instationnaire
Simulation par la Méthode des Eléments Finis
fluides (Castem 3M - NS) tuyère T12
Mode axisymétrique f 35 Hz exc /- 1.8 mm D
200 mm d 30 mm U(entrée) 0.41 m/s Re(col)
13700
 
Mode axisymétrique f 35 Hz exc /- 14.5 mm D
200 mm d 30 mm U(entrée) 3.2 m/s Re(col)
106000
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements

• V. Etude dynamique du système acoustique.
• Idée La réponse dun système vibrant dépend du
  comportement de chaque oscillateur (paramétrique
  -gt non-linéaire) et du couplage énergétique
  entre tous les éléments (dissipation).
• Paramètres influant sur la stabilité du système
• nombre de degrés de liberté (gt3 ?)
• bifurcations successives menant au chaos
  (théorie de Ruelle-Takens)
• Ex Loscillateur entretenu (Equation de Van der
  Pol)
• avec

Portrait de phases de léquation de Van der Pol
(? 0,4)
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Caractérisation et optimisation des
effets aérodynamiques liés à une source pour la
reproduction des basses fréquences V. Etude
dynamique des systèmes acoustiques.
Ex La convection de Rayleigh-Bénard
(expérimentale)
Sections de Poincaré
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements V. Etude dynamique du système
acoustique.
Trajectoires de phases - Mesures en régime
semi-permanent
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Burst signals radiated by the system
loudspeakernozzle T01
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Laboratoire dAcoustique Musicale
UPMC/CNRS/MCC Etude du haut-parleur aux grands
déplacements V. Etude dynamique du système
acoustique.