Contrôle acoustique actif du bruit dans un volume prédéfini

SUJET de THESE :
CONTROLE ACOUSTIQUE ACTIF DU BRUIT DANS UN
VOLUME PREDEFINI D’UNE CAVITE
Sujet court
Cette thèse s’intéressera au contrôle acoustique actif de bruits dans une zone 3D au sein d’une
cavité. Elle cherchera à lever différents verrous à la fois théoriques et méthodologiques, de manière
à ouvrir la voie de la résolution de problèmes pratiques d’antibruit au sein d’habitacles mobiles
(automobile ou avion).
L’IRCCyN Box constituera le prototype expérimental (dispositif d’anti-bruit actif) support de la
validation des développements théoriques et méthodologiques de la thèse.
Sujet 2 pages
Le levier le plus communément employé pour réduire le niveau de bruit à l’intérieur d’un espace
clos (cavité) consiste à utiliser des techniques dites « passives » de réduction de bruit, qui visent à
ajuster les propriétés mécaniques des matériaux (raideur, masse, amortissement) pour atténuer la
propagation des ondes acoustiques [Lasiecka 1999]. Une alternative consiste à utiliser la technologie
du contrôle actif de bruit : des haut-parleurs émettent un son atténuant le bruit en différents points
de contrôle de la cavité. Cette alternative est particulièrement attractive pour des domaines
d’application tels l’automobile ou l’aéronautique, pour atténuer des bruits de basses fréquences sans
trop alourdir le système de transport par l'ajout d’isolants phoniques.
Le niveau de complexité associé à un problème de contrôle actif dans une cavité dépend :
-
Des caractéristiques du bruit à atténuer (spectre plus ou moins large bande, plus ou moins
haute fréquence) ;
Des informations et/ou mesures dont on dispose sur ce bruit ;
De la distance entre les Haut-Parleurs et les capteurs ;
Du volume de la cavité et de la zone de silence.
Actuellement des solutions existent qui permettent d’atténuer un bruit large bande dans une petite
cavité où les actionneurs et les capteurs sont colocalisés (casques anti-bruit). D’autres solutions
permettent d’atténuer un bruit de spectre fréquentiel étroit alors que les actionneurs et les capteurs
sont éloignés. Elles s’appuient sur une mesure à la source du bruit à atténuer, e.g. du bruit moteur au
sein d’un habitacle automobile [Cheer 2012]). D’autres solutions encore traitent des bruits large
bande en disposant d’une mesure à la source du bruit à atténuer (atténuation du bruit de roulement
dans une automobile [Sutton et. al 1994], du bruit basse fréquence dans un hélicoptère [Keller
2008]). Objectif plus ambitieux encore, cette thèse vise l’atténuation d'un bruit large bande dans une
grande cavité, à partir d’actionneurs et de capteurs non colocalisés, et ce dans le cas où le bruit à
atténuer n’est pas mesuré à la source.
La résolution du problème de contrôle acoustique actif, dans une zone 3D prédéfinie d’une cavité,
présente différents verrous auxquels ce projet de recherche s’intéressera, et qui sont d’ordre :
-
Méthodologique :
o identification [Overschee Moor 1996] d’un modèle EDO multivariable (multi P et
HP) de complexité juste nécessaire, c’est à dire permettant d’appréhender
efficacement le problème de contrôle actif par rétroaction sur les P de contrôle,
coordination des différents haut-parleurs pour une atténuation multipoints garantie,
puis spatiale, par une commande multi-objectif H2/Hinf [Rafaely Elliott 1999],
[Apkarian et. al 2008];
-
Théorique :
o analyse de l’observabilité du modèle EDP décrivant l’évolution de la pression
acoustique au sein d’une zone 3D délimitée de la cavité à partir d’un nombre réduit
de mesures localisées (P) [Tucsnak Weiss 2009]
o conception d’un observateur permettant d’estimer la pression en tout point de la
zone étudiée [Ervedoza, Zuazua 2013]
o analyse de la contrôlabilité et contrôle optimal de la pression acoustique dans la zone
délimitée [Avalos, Lasiecka 2003]
o placement optimal des microphones et des haut-parleurs
Cette étude comportera un volet expérimental, et disposera d’une boite polyédrale (parallélépipède
tronqué) équipée de haut-parleurs et de -phones, d’un système de prototypage rapide permettant
la prise de mesures, le pilotage des haut-parleurs, et donc la mise en place d’un contrôle acoustique
actif. Ce dispositif permettra de valider les concepts théoriques et méthodologiques développés
durant la thèse.
Contact
Jérôme Lohéac, CNRS-IRCCyN, [email protected]
Philippe Chevrel, Mines Nantes-IRCCyN, [email protected]
Davantage d’informations sur l’IRCCyN, Institut de Recherche en Communication et Cybernétique de
Nantes, à l’adresse : http://www.irccyn.ec-nantes.fr.
Prérequis
Bases de l’Automatique, Commande multivariable robuste, Contrôle des EDP.
Equipes) encadrante(s) : Commande
Ecole Doctorale : STIM (http://www.edstim.fr)
Références
[Alma 2011] M. Alma., Rejet adaptatif de perturbations en contrôle actif de vibrations, thèse de doctorat de l’université de
Grenoble, 20 mai 2011.
[Apkarian et. al 2008] P. Apkarian, D. Noll, and A. Rondepierre, Mixed H2/Hinf control via nonsmooth optimization. SIAM J.
Control and Optimization, 47(3), 1516-1546, (2008).
[Avalos, Lasiecka 2003] G. Avalos, I. Lasiecka, Exact controllability of structural acoustic interactions, J. Math. Pures Appl. 82
(2003) 1047–1073
[Ballesteros, Bohn 2011] P. Ballesteros and C. Bohn 2011, Disturbance Rejection through LPV Gain-Scheduling Control with
Application to Active Noise Cancellation. In Proceedings of the 18th IFAC World Congress, 2011.
[Ervedoza, Zuazua 2013] Ervedoza S., Zuazua E. On the numerical approximation of exact controls for waves
Springer Briefs in Mathematics, 2013, XVII, 122 p., ISBN 978-1-4614-5808-1
[Cheer 2012] J. Cheer, Active control of the acoustic environment in an automobile cabin. University of Southampton,
Faculty of Engineering and the Environment, Doctoral Thesis, 389pp
[Feng et. al 2012b] Y. Feng, M. Yagoubi, P. Chevrel,.Hinf Control with Unstable and Nonproper Weights for Descriptor
Systems, Automatica, (2012-05-01), Vol 48, 5, pp. 991-994,
[Hansen 2009] C.H. Hansen, Understanding Active Noise Control, Spon Press, 4th edition, 2009
[Hassibi et. al 1996] B. Hassibi, A. Sayed, and T. Kailath, Hinf optimality of the LMS algorithm, IEEE Trans. Signal Processing,
vol. 44, pp. 267–280, Feb. 1996.
[Hong, Bernstein 1998] J. Hong and D.S. Bernstein. Bode integral constraints, collocation, and spillover in active noise and
vibration control, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 6(1):111-120, 1998
[Keller 2008] M. Keller, Contrôle actif du bruit basses fréquences à l'intérieur d'un hélicoptère, Marseille, Thèse de doctorat,
Acoustique: Université de Provence Aix-Marseille 1, 2008..
[Lasiecka 1999] I. Lasiecka. Boundary stabilization of a 3-dimensional structural acoustic model, J. Math. Pure Appl. Vol 78,
pp. 203--232 (1999).
[Loiseau et. al 2015] P. Loiseau, P. Chevrel, M. Yagoubi, J.M. Duffal, Broadband Active Noise Control Design through
Nonsmooth Hinfinity Synthesis , 8th IFAC Symposium on Robust Control Design, (ROCOND'15), Bratislava, Slovakia, July 8-11
[Overschee Moor 1996] P.V. Overschee and B.D. Moor, Subspace identification for linear systems: Theory, Implementation,
Applications. Kluwer Academic Publishers, Boston, (1996).
[Petersen et. al 2008] C. D. Petersen, R. Fraanje, B. Cazzolato, A. Zander, and C. Hansen. A Kalman filter approach to virtual
sensing for active noise control, Mech. Systems and Signal Process., 22(2), 490-508, (2008).
[Rafaely Elliott 1999] B. Rafaely and S.J. Elliott, H2/Hinf active control of sound in a headrest: Design and implementation.
IEEE Transactions on control systems technology, 7(1), 79-84, (1999).
[Reddy et. al 2008] E. P. Reddy, D. P. Das and K. M. M. Prabhu, Fast adaptive algorithms for active control of nonlinear noise
processes, IEEE Trans. on Signal process., 56(9), 4530 – 4536, (2008).
[Sutton et. al 1994] T. Sutton, S.J. Elliott, M. McDonald, and T. Saunders, Active control of road noise inside vehicles. Noise
Control Engineering Journal, 42(4), 137-147, (1994).
[Thomas et. al 1993] R. H. Thomas, R. A. Burdisso, C. R. Fuller, and W. F. O’Brien. Preliminary experiments on active control
of fan noise from a turbofan engine. Journal of Sound and Vibration, 161(3) :532–537, March 1993
[Tokhi,Veres 2002] M. O. Tokhi, Sándor M. Veres, Active Sound and Vibration Control: Theory and Applications, IET, 2002 426 pages, AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Maastricht, Netherlands, 2001.
[Tucsnak, Weiss 2009], M. Tucsnak and G. Weiss, Observation and Control for Operator Semigroups, Birkhäuser
Verlag, Basel, 2009. xii+483 pp.