La séparation aveugle de sources est une technique prometteuse pour l'identification, la localisation, et la classification des sources sonores. L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour séparer des sources sonores incohérentes qui peuvent se chevaucher à la fois dans les domaines spatial et fréquentiel par l'exploitation de l'information spatiale. De telles méthodes sont d'intérêt dans les applications acoustiques nécessitant l'identification et la classification des sources sonores ayant des origines physiques différentes. Le principe fondamental de toutes les méthodes proposées se décrit en deux étapes, la première étant relative à la reconstruction du champ source (comme par exemple à l'aide de l'holographie acoustique de champ proche) et la seconde à la séparation aveugle de sources. Spécifiquement, l'ensemble complexe des sources est d'abord décomposé en une combinaison linéaire de fonctions de base spatiales dont les coefficients sont définis en rétropropageant les pressions mesurées par un réseau de microphones sur le domaine source. Cela conduit à une formulation similaire, mais pas identique, à la séparation aveugle de sources. Dans la seconde étape, ces coefficients sont séparés en variables latentes décorrélées, affectées à des “sources virtuelles” incohérentes. Il est montré que ces dernières sont définies par une rotation arbitraire. Un ensemble unique de sources sonores est finalement résolu par la recherche de la rotation (par gradient conjugué dans la variété Stiefel des matrices unitaires) qui minimise certains critères spatiaux, tels que la variance spatiale, l'entropie spatiale, ou l'orthogonalité spatiale. Il en résulte la proposition de trois critères de séparation à savoir la “moindre variance spatiale”, la “moindre entropie spatiale”, et la “décorrélation spatiale”, respectivement. De plus, la condition sous laquelle la décorrélation classique (analyse en composantes principales) peut résoudre le problème est établit de une manière rigoureuse. Le même concept d'entropie spatiale, qui est au cœur de cette thèse, est également exploité dans la définition d'un nouveau critère, la courbe en L entropique, qui permet de déterminer le nombre de sources sonores actives sur le domaine source d'intérêt. L'idée consiste à considérer le nombre de sources qui réalise le meilleur compromis entre une faible entropie spatiale (comme prévu à partir de sources compactes) et une faible entropie statistique (comme prévu à partir d'une faible erreur résiduelle). / Blind source separation is a promising technique for the identification, localization, and ranking of sound sources. The aim of this dissertation is to offer methods for separating incoherent sound sources which may overlap in both the space and frequency domains by exploiting spatial information. This is found of interest in acoustical applications involving the identification and ranking of sound sources stemming from different physical origins. The fundamental principle of all proposed methods proceeds in two steps, the first one being reminiscent to source reconstruction (e.g. as in near-field acoustical holography) and the second one to blind source separation. Specifically, the source mixture is first expanded into a linear combination of spatial basis functions whose coefficients are set by backpropagating the pressures measured by an array of microphones to the source domain. This leads to a formulation similar, but no identical, to blind source separation. In the second step, these coefficients are blindly separated into uncorrelated latent variables, assigned to incoherent “virtual sources”. These are shown to be defined up to an arbitrary rotation. A unique set of sound sources is finally recovered by searching for that rotation (conjugate gradient descent in the Stiefel manifold of unitary matrices) which minimizes some spatial criteria, such as spatial variance, spatial entropy, or spatial orthogonality. This results in the proposal of three separation criteria coined “least spatial variance”, “least spatial entropy”, and “spatial decorrelation”, respectively. Meanwhile, the condition under which classical decorrelation (principal component analysis) can solve the problem is deduced in a rigorous way. The same concept of spatial entropy, which is central to the dissertation, is also exploited in defining a new criterion, the entropic L-curve, dedicated to determining the number of active sound sources on the source domain of interest. The idea consists in considering the number of sources that achieves the best compromise between a low spatial entropy (as expected from compact sources) and a low statistical entropy (as expected from a low residual error).

This diploma thesis deals with issues of low frequency acoustics and simulation. In this work the FTDT method of simulation is used. Measuring and simulation are focused on live-sound system and are evaluated using basic sound system optimisation techniques. Main output of this work is verification of basic low-frequency acoustics principles using simulation and measuring.

La thèse se base sur la recherche des possibilités de caractérisation du son aérien de sources sonores arbitraires. A cette fin, une approche particulière est étudiée à l’endroit où la caractérisation de la source est faite via une surface d’interface qui enveloppe totalement ou partiellement la source physique. Deux descripteurs qui dépendent de la fréquence sont definis au travers d’une telle surface: la pression sonore bloquée et l’impédance de la source. Le précédent représente la pression sonore créée par le système d’exploitation source qui agit sur la surface enveloppante quand elle est rendue immobile. Cette dernière représente le rapport des amplitudes de réponse de pression et les amplitudes de vitesse d’excitation normales au travers de la surface. La surface enveloppante définit un volume d’air qui contient la source physique appelée l’espace source. Les deux descripteurs définis sur l’espace source, la pression bloquée et l’impédance de la source sont montrés comme étant intrinsèques à la source, c’est-à-dire indépendants de l’espace acoustique environnant. Une fois définis, ces descripteurs permettent de trouver la pression sonore et la vitesse particulaire normale à la surface de l’interface quand l’espace source est couplé à un espace récepteur arbitraire, c’est-à-dire une pièce. Cela permet alors la prédiction du son dans l’espace récepteur. Les conditions de couplage nécessitent que l’espace récepteur soit caractérisé en utilisant la même surface enveloppante telle que l’espace source. En acceptant de garder à l’esprit la simplicité de la mesure, la surface enveloppante a été conçue vu qu’elle comporte une ou plusieurs surfaces rectangulaires planes. Le défi de la recherche était alors d’obtenir une impédance significative de la surface au travers de la surface plane rectangulaire (continue) ainsi que celle de la pression bloquée compatible avec la formulation de l’impédance. Cela a conduit à une décomposition dans l’espace de la pression sonore et de la vitesse des particules au sein du nombre fini des composants, chacun défini par une amplitude complexe et une distribution dans l’espace particulière. De cette façon, la pression bloquée se réduit à un vecteur d’amplitude de pression complexe, tandis que l’impédance devient une matrice de pression et des rapports d’amplitudes complexes de la vitesse de défauts de de décompositions ont été recherchés dans le détail: la méthode harmonique de surface et la méthode du patch. Le premier se rapproche de la pression de surface et de la vitesse normale par des combinaisons de fonctions de surface trigonométriques en 2D tandis que ce dernier partage la surface en petites parcelles et intervient sur chaque parcelle de façon discrète en utilisant les valeurs moyennes du patch. / The thesis investigates possibilities of air-borne sound characterisation of arbitrary sound sources. To this end a particular approach is studied where the source characterisation is done via an interface surface which fully or partially envelopes the physical source. Two frequency dependent descriptors are defined across such a surface: the blocked sound pressure and the source impedance. The former represents the sound pressure created by the operating source which acts on the enveloping surface when this is made immobile. The latter represents the ratio of pressure response amplitudes and normal velocity excitation amplitudes across the surface. The enveloping surface defines an air volume containing the physical source, called the source space. The two source descriptors defined on the source space, the blocked pressure and the source impedance, are shown to be intrinsic to the source, i.e. independent of the surrounding acoustical space. Once defined, these descriptors allow one to find the sound pressure and normal particle velocity at the interface surface when the source space is coupled to an arbitrary receiver space, i.e. a room. This in turn allows for sound prediction in the receiver space. The coupling conditions require that the receiver space is characterised using the same enveloping surface as the source space. Bearing the measurement simplicity in mind, the enveloping surface has been conceived as consisting of one or several rectangular plane surfaces. The research challenge was then to obtain meaningful surface impedance across a (continuous) rectangular plane surface as well as the blocked pressure compatible with impedance formulation. This has led to a spatial decomposition of sound pressure and particle velocity into finite number of components, each defined by a complex amplitude and a particular spatial distribution. In this way the blocked pressure reduces to a vector of complex pressure amplitudes while the impedance becomes a matrix of pressure and velocity complex amplitude ratios. Two decomposition methods have been investigated in detail: the surface harmonic method and the patch method. The former approximates the surface pressure and normal velocity by combinations of 2D trigonometric surface functions while the latter splits the surface into small patches and treats each patch in a discrete way, using patch-averaged values.

We develop a physics-based reduced-order model of the aero-acoustic sound sources in reacting mixing layers as a method for fast and accurate predictions of the radiated sound. Instabilities in low-speed mixing layers are known to be dominated by the traditional Kelvin–Helmholtz (K–H)-type “central” mode, which is expected to be superseded by the “outer” modes as the chemical-reaction-based heat-release modifies the mean density, yielding new peaks in the density-weighted vorticity profiles. Although, these outer modes are known to be of lesser importance in the near-field mixing, how these radiate to the far-field is uncertain, on which we focus primarily, when the mixing layer is supersonic, but also report subsonic cases. On keeping the flow compressibility fixed, the outer modes are realized via biasing the respective mean density of the fast (oxidizer) or slow (fuel) side. In the linearized model that we use, the mean flow are laminar solutions of two-dimensional compressible boundary layers with an imposed composite turbulent spread rate, which we show to correctly predict the growth of instability waves by saturating them earlier, similar to in non-linear calculations, but obtained here via solving the linear parabolized stability equations (PSE). The chemical reaction is modeled via a single-step, single-product overall process which introduces a heat release term in the mean temperature equation. As the flow parameters are varied, modes that are unstable on the slow side are shown to be more sensitive to heat release, potentially exceeding equivalent central modes, as these modes yield relatively compact sound sources with lesser spreading of the mixing layer, when compared to the corresponding fast modes. In contrast, the radiated sound, obtained directly from the PSE solutions, seems to be relatively unaffected by a variation of mixture equivalence ratio, except for a lean mixture which is shown to yield a pronounced effect on the slow mode radiation by reducing its modal growth. For subsonic mixing layers, the sensitivity of central mode is explored, which in addition requires an acoustic analogy based method (e.g. the Lilley–Goldstein equations) to predict the sound from the linearized PSE sources, as used here, unlike in supersonic cases.

La caractérisation des sources sonores dues aux vibrations est un défi dans le domaine du bruit et des vibrations. Dans cette thèse, une approche expérimentale pour caractériser la propagation du son d’une machine complexe a été étudiée. Pour caractériser de manière appropriée la source sonore placée dans un environnement quelconque, il a été indispensable de prendre en compte les phénomènes de rayonnement et de diffraction. Cela permet de prédire une pression acoustique. Une technique particulière, appelée source mannequin, a été développée pour répondre à cette problématique. Le mannequin est une enceinte fermée de taille similaire mais qui a une forme simplifiée par rapport à la machine complexe, et sert de modèle de diffraction sonore. Le mannequin est équipé d’une série de haut-parleurs alignés dans le prolongement de la surface de l’enceinte. La superposition du champ acoustique créé par chaque haut-parleur modélise le rayonnement acoustique de la machine complexe. Cette thèse introduit donc le concept de source mannequin et traite de trois problèmes émanant de la mise en pratique de celui-ci : (1) l’estimation du transfert d’impédance dans l’espace (fonction de Green), (2) les spécifications de l’enceinte et de la série de haut-parleurs, et (3) l’estimation des sources équivalentes en termes de débit volumique. L’approche est étudiée au travers de cas d’études expérimentaux et numériques. / The characterisation of vibrating sound sources is a challenge in noise and vibration engineering. In this thesis, an experimental approach to the characterisation of air-borne sound from a complex machine is investigated. A proper characterisation has to account for both radiation and diffraction phenomena in order to describe the sound source when inserted into an arbitrary space which enables prediction of sound pressure. A particular technique — a dummy source — has been conceived to deal with this problem. The dummy is a closed cabinet of similar size but much simpler shape than the complex machine, and it serves as a model of sound diffraction. The dummy is equipped with a flush-mounted array of loudspeaker drivers. The superposition of sound fields created by the individual drivers models sound radiation of the complex machine. This thesis introduces the concept of a dummy source and discusses three problems that need to be addressed for its practical application: (1) estimation of the transfer impedance of the space (the Green’s function), (2) the specification of the cabinet and the driver array, and (3) the estimation of the equivalent source strengths in terms of volume velocity. The approach is investigated via experimental and numerical case studies.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.