Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans un premier temps, nous avons exploré la reconnaissance des signatures électromagnétiques des familles d'appareils électriques à l'aide d'un apprentissage supervisé et d'une validation croisée. Les résultats obtenus sont peu fiables. L'exactitude de la classification est de 54.5±26.1% pour les familles d'appareils électriques domestiques testés: la bouilloire, la cuisinière (le four traditionnel et les plaques de cuisson), la hotte de la cuisine, la ventilation de la salle de bain, le fer à repasser, le grille-pain, les luminaires de l'ensemble réfrigérateur-congélateur et les luminaires des lampes. Néanmoins, à partir d'un apprentissage non supervisé, les signatures électromagnétiques permettent tout de même de différencier les appareils selon leur type de charge, résistive ou inductive. Dans un second temps, nous avons cherché du côté des profils de puissance. Les fronts détectés sur le profil de puissance peuvent permettre d'identifier l'allumage et l'arrêt des appareils électriques. Par la suite, à l'aide d'un apprentissage supervisé, les différentiels des fronts de puissance sont associés à un appareil électrique. Le système à été validé lors de la réalisation d'un repas au cours duquel une personne à utiliser l'une des plaques de cuisson, le four traditionnel, la ventilation de la salle de bain, le four à micro-ondes et une machine à expresso. Initialement, le taux de vraie reconnaissance est de seulement 58.2%, le taux de non reconnaissance est de 26.5% et le taux de fausse reconnaissance est de 15.3%. En effet, certains appareils ont des consommations électriques similaires. De plus, plusieurs appareils peuvent fonctionner simultanément. Dans un troisième temps, des règles d'inférences statiques et dynamiques ont été mises en place pour améliorer la reconnaissance des appareils électriques. Par exemple: sur quelle(s) ligne(s) électriques(s) un appareil est branché. Le taux de vraie reconnaissance obtenu passe alors à 95.5%, le taux de non reconnaissance passe à 0.3%. Le système de reconnaissance est limité aux appareils électriques ayant une consommation de puissance supérieure à 70 Watts en raison du bruit électrique présent sur l'une des lignes électriques. Malgré les corrections apportées par les règles d'inférence, certains appareils sont difficilement différenciables. Par exemple: le four traditionnel dans la cuisine et le fer à repasser dans la chambre restent très difficiles à reconnaître. Dans un quatrième temps, nous avons cherché à encore améliorer le taux de vraie reconnaissance en incorporant des informations contextuelles non liées au réseau électrique. L'information apportée par les événements sonores permet de localiser spatialement le résident afin de lever certaines ambiguïtés sur la reconnaissance des appareils. Nous avons développé un système de détection et de localisation des événements sonores basé sur la mise en évidence des transitoires du signal sonore. La localisation de la personne à partir de l'environnement sonore à été validé lors de la réalisation des routines du matin par une personne: se lever, s'habiller, faire sa toilette, préparer et manger un petit déjeuner et enfin s'apprêter pour sortir. La fusion des données sonores et électriques n'a pas été implémentée dans le cadre de cette thèse, mais nos travaux montrent qu'il est possible d'obtenir les données sonores et électriques nécessaires pour ce faire. Finalement, des expérimentations intégrant des assistants cognitifs ont été réalisées avec dix personnes non affectées cognitivement. Le scénario consiste à préparer un pâté chinois, prendre un médicament et faire le repassage. Une application d'aide à la cuisine «SemAssist» et une autre de rappel d'activités «Ap@lz» ont aussi été utilisées au cours de l'expérimentation. Ces expérimentations ont permis d'évaluer en conditions réelles le système de supervision de l'environnement électrique basé sur le profil de puissance. Le taux de vraie reconnaissance est de 87.2±5.0%, le taux de non reconnaissance est de 10.5±4.1% et le taux de fausse reconnaissance est de 2.3±2.7%.

Les vibrations de plaques minces présentent des dynamiques très riches et variées, allant de comportements linéaire à fortement non linéaire en fonction de leur amplitude par rapport à l'épaisseur. Cette thèse présente le développement d'un code numérique capable de simuler sans restriction cette dynamique complexe, décrite par les équations de Von Karman, dans le cas de plaques homogènes et présentant une géométrie rectangulaire. L'application principale de ce code est de produire des sons de cymbales et de gongs: cette partie du travail s'inscrit donc dans le contexte de la synthèse sonore par modélisation physique. Pour cela, une approche modale est utilisée, afin de réduire les équations aux dérivées partielles à un ensemble d'équations différentielles ordinaires couplées. Un schéma d'intégration temporelle est proposé, pour lequel la conservation de l'énergie produit une condition de stabilité. Les caractéristiques les plus intéressantes du schéma modal sont sa précision et la possibilité de mettre en place des lois d'amortissements complexes à moindre coût. Le son produit par le code numérique est systématiquement comparée à celui calculé par une autre méthode fondée sur les techniques de différences finies . Les aspects fondamentaux de la physique des vibrations non linéaires sont également pris en compte au cours de ce travail. Lorsqu'une plaque vibre dans un régime faiblement non linéaire, les couplages modaux produisent des vibrations qui dépendent de l'amplitude, des résonances internes, des instabilités, des sauts et des bifurcations. Le schéma modal est utilisée pour construire et analyser la réponse non linéaire de la plaque au voisinage de ses premières fréquences propres, dans un cas conservatif, puis en prenant en compte les effets de l'amortissement et du forçage, montrant ainsi leurs effets sur les modes normaux non linéaires du système hamiltonien. Lorsque les plaques vibrent dans un régime fortement non linéaire, la description la plus appropriée de la dynamique est donnée en termes des propriétés statistiques du système, en raison de la multitude de degrés de liberté activés. Théoriquement, ce cadre est offert par la théorie de turbulence d'ondes. À cause de la grande quantité de modes activés dans de telles vibrations, le code en différence finie conservatif est préféré au schéma modal. Lorsque la plaque est excitée avec un forçage sinusoïdal autour d'un de ses modes propres de basse fréquence, une cascade d'énergie se produit, activant des milliers de modes à plus hautes fréquences. Une interprétation statistique des résultats des simulations est proposée, ainsi qu'une comparaison avec des données expérimentales et des autres résultats numériques trouvés dans la littérature. En particulier, les effets du forçage ponctuel ainsi que des imperfections géométriques des plaques sont analysées.

Cette thèse dont le sujet porte sur les espaces couplés en acoustique des salles s'articule selon trois axes : le point de vue mécanique qui considère les champs acoustiques en régime stationnaire et transitoire ; le traitement des signaux émis et enregistrés permettant de caractériser l'acoustique de tels espaces ; et un aspect perceptif adoptant la position d'un auditeur. Ces travaux ont pour objectif d'obtenir une compréhension plus fine des phénomènes acoustiques mis en jeu dans les espaces couplés et de donner un point de vue global sur le sujet, de la modélisation à la perception. L'étude des champs acoustiques dans les espaces couplés a été réalisée en comparant plusieurs approches. Des modèles analytiques basés sur l'acoustique statistique et une équation de diffusion ont été développés et comparés à des mesures sur maquette acoustique à l'échelle 1:20, à des simulations numériques basées sur le principe du lancer de rayons ainsi qu'aux méthodes ondulatoires d'éléments frontière (BEM) et de différences finies en domaine temporel (FDTD). Par ailleurs, des indices acoustiques ont été définis, décrivant précisément les spécificités des courbes de décroissance et un code de traitement semi-automatisé a été réalisé afin d'analyser les réponses impulsionnelles. La perception du son réverbéré dans les espaces couplés est fortement influencée par les taux de décroissance multiples de l'énergie sonore. Deux types d'expériences perceptives basées sur des tests d'écoute ont été menées, l'une sur la capacité de discrimination de différents environnements réverbérants, l'autre sur l'adéquation subjective entre ces réverbérations et différents ensembles musicaux.

Le spectrofiltre est un filtre de Wiener utilisé pour isoler le bruit de combustion du moteur Diesel. Ce filtre est déterminé pour chaque point de fonctionnement et nécessite un traitement important des données. Il est donc difficile de mener des études perceptives sur le bruit de combustion obtenu selon plusieurs réglages moteur. Afin de pallier à cet inconvénient, cette thèse a pour objectif de définir un filtre commun qui puisse synthétiser un bruit de combustion en tout point de fonctionnement. Pour cela, une étude perceptive a montré que la substitution du spectrofiltre conventionnel par un autre filtre de Wiener permet la synthèse d'un bruit de combustion. L'utilisation d'un spectrofiltre commun est donc possible. L'analyse modale expérimentale permet d'estimer le filtre de Wiener à partir de données caractéristiques de la structure du moteur. Après analyse sur un signal synthétique, la méthode ESPRIT apparait la plus appropriée, mais nécessite quelques optimisations pour être adaptée aux particularités des spectrofiltres. Les filtres de Wiener de plusieurs régimes sont estimés selon différentes conditions d'estimation, définies par le critère ESTER. Une évolution fictive de l'amortissement selon le régime moteur est observée, et rattachée au fenêtrage temporel effectué dans le calcul du spectrofiltre. Une expérience perceptive est ensuite menée pour identifier si le critère ESTER permet d'estimer des filtres assez précis pour synthétiser des bruits de combustion similaires aux bruits de combustion conventionnels. Les résultats amènent à concevoir le spectrofiltre obtenu au ralenti comme un bon filtre commun, tant d'un point de vue physique que perceptif.

La prévision du bruit rayonné par une structure vibrante à partir de données vibratoires calculées ou mesurées intéresse de nombreux industriels qui, dés le stade de la conception, peuvent prévoir, analyser et éventuellement corriger les nuisances sonores engendrées par une machine. Grâce aux récents développements des moyens de calcul numériques, les travaux de recherche théoriques et expérimentaux dans le domaine de la vibro-acoustique ont fortement progressé. Ils ont conduit à des logiciels de calcul basés sur des méthodes d'éléments finis ou d'éléments finis de frontière qui nécessitent cependant des investissements importants : calculateurs puissants et utilisateurs avertis. Afin de réduire les temps de calcul, on applique le principe des sources équivalentes en remplaçant la structure par une sphère qui va générer le même rayonnement acoustique que la structure. Le champ de vitesse vibratoire à la surface de la structure étant supposé connu, il est utilisé pour déterminer le champ vibratoire à la surface de la sphère équivalente par minimisation (méthode de la sphère équivalente proprement dite) ou par projection (approche géométrique). Les deux méthodes sont validées sur des exemples numériques et expérimentaux lorsque la structure admet une géométrie simple et compacte. Différents paramètres qui permettent de caractériser le modèle (rayon et position de la sphère par exemple) ainsi que la précision et la stabilité des résultats en fonction du maillage vibratoire et des erreurs de mesure sont discutés.

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Ce travail se situe dans le cadre de la recherche de systèmes de notation permettant de transcrire de façon symbolique l’aspect concret et sensoriel, et non seulement abstrait et structurel, des artefacts de la musique par ordinateur. Dans ce but, nous exposons tout d’abord un modèle formel complet et minimal des objets et structures audionumériques, en référence aux critères de la perception ; ce modèle est implémenté sous la forme d’un langage fonctionnel Turing-potent qui permet d’effectuer l’équivalence entre l’expression mathématique d’un signal et sa réalisation informatique. Puis, nous employons ce formalisme afin d’exprimer un ensemble de critères de synthèse sonore, ce qui donne lieu à un logiciel de synthèse dont l’expressivité est considérable. Ces outils sont organisés suivant le schéma des théories Schaefferiennes, par une décomposition catégorielle dans laquelle les paramètres correspondent à des notions morphologiques. Finalement, nous rendons compte d’une série d’expériences visant à évaluer la pertinence de ces critères dans l’audition humaine, avec le concours d’un musicologue, puis sur un ensemble de sujets, et enfin vis-à-vis d’un public aussi large que possible. Ceci nous conduit à remettre en question la méthodologie la plus adéquate pour traiter ce type de problème, qui nous rapproche des sciences humaines et sociales, et suggère une démarche de science participative. / This piece of work is situated in the context of research on notation systems enabled to transcribe symbolically the concrete and sensorial aspect, and not only the abstract and structural aspect, of computer music artefacts. In this perspective, we first expose a complete and minimal formal model for digital audio objects and structures, relatively to the criteria of perception ; this model is implemented as a Turing-potent functional language, that draws the correspondance between the mathematical expression of a signal and its computational realisation. Then, we apply this formal construction to the expression of a number of schemes for sound synthesis, producing a software synthetiser whose expressivity is consequent. These tools are organised following the lines of Schaefferian theories, through a decomposition into categories whose parameters correspond with morphological notions. Finally, we draw the conclusions of a series of experiments aiming to evaluate the relevance of those schemes in human hearing, with the assistance of a musicologist, then with a number of subjects, and eventually by associating a public that is as wide as possible. This leads us to question the methodology most appropriate to tackle this kind of problem, which brings us closer to social science, and suggests a participative science approach.

Les structures à double paroi sont largement utilisées dans la lutte contre les nuisances sonores et vibratoires en raison de leur supériorité en terme d'isolation acoustique sur les parois simples. Parmi les exemples typiques on peut citer les doubles vitrages, le fuselage des avions, les véhicules, etc. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à l'étude expérimentale et numérique du comportement vibroacoustique des doubles parois feuilletées. Le système étudié est composé de deux plaques sandwichs à cœur viscoélastique séparées par une cavité remplie d'air. Nous avons développé un modèle éléments finis basé sur une formulation variationnelle impliquant le déplacement en tout point de la structure et la pression acoustique dans la cavité d'air. Due aux propriétés mécaniques complexes du matériau viscoélastique utilisé dans le cœur des panneaux, cette formulation est complexe et dépend de la fréquence. La résolution de ce modèle par les méthodes directes a un coût numérique exorbitant. Nous avons réussi à développer un modèle d'ordre réduit à faible coût numérique capable de prédire la transmission sonore quelque soit le domaine fréquentiel d'étude. Ce modèle, basé sur la méthode de superposition modale, nécessite le calcul des modes découplés solide et acoustique du système. Les modes solides sont les modes réels et non amortis des panneaux sandwich sans charge de pression acoustique à l'interface fluide-structure, tandis que les modes acoustiques sont les modes de la cavité acoustique avec des conditions aux limites de parois rigides à l'interface fluide-structure. Pour valider notre modèle numérique, nous avons réalisé des mesures expérimentales de vitrages simples, feuilletés et doubles selon la norme ISO 140. Cette norme concerne la mesure de l'isolement acoustique des immeubles et des éléments de construction. Les comparaisons entre les résultats numériques et expérimentaux montrent une assez bonne corrélation entre les deux approches. / Double-wall structures are widely used in noise control due to their superiority over single-leaf structures in providing better acoustic insulation. Typical examples include double glazed windows, fuselage of airplanes, vehicles, etc. In this context, we are interested in experimental and numerical study of the vibro-acoustic behavior of double-wall sandwich panels with viscoelastic core coupled to an acoustic enclosure. A finite element formulation is derived from a variational principle involving structural displacement and acoustic pressure in the fluid cavity. Since the elasticity modulus of the viscoelastic core is complex and frequency dependent, this formulation is complex and nonlinear. Therefore, the direct solution of this problem can be considered only for small model sizes. We successfully developed a reduced order-model to predict the sound transmission in any frequency range at a lower numerical cost. This model, based on a normal mode expansion, requires the computation of the uncoupled structural and acoustic modes. The uncoupled structural modes are the real and undamped modes of the sandwich panels without fluid pressure loading at fluid-structure interface, whereas the uncoupled acoustic modes are the cavity modes with rigid wall boundary conditions at the fluid-structure interface. Our numerical model is validated by means of experiments realized on simple, double and laminated glazing according to ISO 140 standards. This standard concerns the measurement of sound insulation in buildings and of building elements. The numerical predictions agree reasonably well with experiments.

Des réseaux de capteurs acoustiques sont actuellement mis en place dans plusieurs grandes villes afin d’obtenir une description plus fine de l’environnement sonore urbain. Un des défis à relever est celui de réussir,à partir d’enregistrements sonores, à estimer des indicateurs utiles tels que le niveau sonore du trafic routier. Cette tâche n’est en rien triviale en raison de la multitude de sources sonores qui composent cet environnement. Pour cela, la Factorisation en Matrices Non-négatives (NMF) est considérée et appliquée sur deux corpus de mixtures sonores urbaines simulés. L’intérêt de simuler de tels mélanges est la possibilité de connaitre toutes les caractéristiques de chaque classe de son dont le niveau sonore exact du trafic routier. Le premier corpus consiste en 750 scènes de 30 secondes mélangeant une composante de trafic routier dont le niveau sonore est calibré et une classe de son plus générique. Les différents résultats ont notamment permis de proposer une nouvelle approche, appelée « NMF initialisée seuillée », qui se révèle être la plus performante. Le deuxième corpus créé permet de simuler des mixtures sonores plus représentatives des enregistrements effectués en villes, dont leur réalisme a été validé par un test perceptif. Avec une erreur moyenne d’estimation du niveau sonore inférieure à 1,2 dB, la NMF initialisée seuillée se révèle, là encore, la méthode la plus adaptée aux différents environnements sonores urbains. Ces résultats ouvrent alors la voie vers l’utilisation de cette méthode à d’autres sources sonores, celles que les voix et les sifflements d’oiseaux, qui pourront mener, à terme, à la réalisation de cartes de bruits multi-sources. / Acoustic sensor networks are being set up in several major cities in order to obtain a more detailed description of the urban sound environment. One challenge is to estimate useful indicators such as the road traffic noise level on the basis of sound recordings. This task is by no means trivial because of the multitude of sound sources that composed this environment. For this, Non-negative Matrix Factorization (NMF) is considered and applied on two corpuses of simulated urban sound mixtures. The interest of simulating such mixtures is the possibility of knowing all the characteristics of each sound class including the exact road traffic noise level. The first corpus consists of 750 30-second scenes mixing a road traffic component with a calibrated sound level and a more generic sound class. The various results have notably made it possible to propose a new approach, called ‘Thresholded Initialized NMF', which is proving to be the most effective. The second corpus created makes it possible to simulate sound mixtures more representatives of recordings made in cities whose realism has been validated by a perceptual test. With an average noise level estimation error of less than 1.3 dB, the Thresholded Initialized NMF stays the most suitable method for the different urban noise environments. These results open the way to the use of this method for other sound sources, such as birds' whistling and voices, which can eventually lead to the creation of multi-source noise maps.