Étude du comportement non linéaire d un haut-parleur à gaz ionisé kaëlig castor et philippe...
TRANSCRIPT
Étude du comportement non linéaire Étude du comportement non linéaire d ’un haut-parleur à gaz ioniséd ’un haut-parleur à gaz ionisé
Kaëlig CASTORet
Philippe BÉQUIN
Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine,UMR-CNRS 6613, Av. O. Messiaen, 72085 Le Mans, Cedex 9, France.
DÉCHARGES ELECTRIQUES - Description des phénomènes mis en jeu
COMPORTEMENT LINÉAIRE DU HAUT-PARLEUR - modélisations électrique et acoustique - résultats expérimentaux
PLAN DE l’EXPOSÉPLAN DE l’EXPOSÉ
20
COMPORTEMENT NON LINÉAIRE DU HAUT-PARLEUR - modélisation acoustique - résultats expérimentaux
Actionneur classique
action d’une pièce mobile sur l’air
air
haut-parleur classique
Limitations mécaniques :- inertie- déformations, etc- mécanique complexe
(M. Rossi)
19
action d’un gaz ionisé sur l’air
E
particules ionisées
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
~
air
Actionneur ionique
18
Gaz partiellement ionisé (neutres, e-, ions + et -)
Champ électrique
Air
Modulation des interactions entre particules chargées
et particules neutres
Perturbation acoustique
Chauffage
haut-parleur ionique
Actionneur ionique
Décharges électriquesFlammes
HISTORIQUE des systèmes basés sur ce principe :• Haut-parleur de Wolff (1930);• Ionophone de Klein (1946);• Flamme chantante (Fitaire, 1972);• Tombs (1956), Matsuzawa (1973), Bondar (1981), Bastien (1982), Deraedt (1987);• LAUM : Ph. Herzog, Thèse de Ph. Béquin (1994), Thèse de V. Montembault (1997), Thèse de K. Castor (2001)
17
V
I[0-80µA]
[0-10 kV]
- +
d (3 - 10 mm)
Courant
Tension
[µA]
[kV]
Tension de seuil
Claquage électrique
Études des décharges électriques dans l’air
Courant
Temps
[µA]
[µs]
« sans pulse »
Deux régimes de fonctionnement :
Courant
Temps
[µA]
[µs]
Pulses de Trichel
« des pulses de TRICHEL »
10kHz < F < 1MHz16
Description des phénomènes dans l’espace inter-électrodes
ZONE DE DÉRIVE
• champ électrique faible (<27kV/cm)• Processus d’attachement prédominants• déplacement des électrons et des ions -
TRANSFERT DE QUANTITÉ DE MOUVEMENT
Déplacement moyen du gaz de particules neutres
(vent ionique)
E.q.NF
15
- +pointe plan
Champ électrique
d0
Ec 27 kV/cm
Pointe Plan
ZONE D’IONISATION
• champ électrique élevé (>27kV/cm)• Processus d’ionisation prédominants• échauffement du gaz d’électrons et d’ions +
TRANSFERT DE QUANTITÉ DE CHALEUR
Elévation de la température du gaz de particules neutres
E . J.H
Modélisation du champ de pression acoustique
Etat d’équilibre du gaz de particules neutres perturbé
par la présence des particules chargées
- +pointe plan
Gaz faiblement ionisé
E . J.H
Pour le gaz de particules neutres
Equations classiques de l’Acoustique linéaire
• conservation de la masse• équation d’Euler (+ 1 source de force)• équation de Fourier (+ 1 source de chaleur)
ENqF
Comportement linéaire
14
- +d
ai VV c
1
c4
jA
SOURCE MONOPOLAIRE
Champ libre
ir
eArp
rjk
h
,
Zone d’ionisation :• isotropie des transferts de chaleur• source ponctuelle• dist. d’observation >> dim. source
Zone d’ionisation
dCrjc
jB
uui
1
1
1
1
4
SOURCE DIPOLAIRE
ir
eBrp
rjk
f
cos,
Champ libre
Zone de dérive :• champ électrique constant• source cylindrique• kd << 1• dist. d’observation >> dim. source
Zone de dérive
,1
,
,,
22
2
rhc
jrpk
rfdivrpk
h
f
Equations classiques de l’Acoustique linéaire
13
+-uu Crj1
1
cB
SOURCE DIPOLAIRE
ir
ecosB,rp
r k j
f
ir
eA,rp
rjk
h
cA
SOURCE MONOPOLAIRE
En résumé
La pression totale
0
30
6090
120
210
240 270
300
330
150
12
+-
microphones
démodulateursynchrone
Filtre
Ampli .+
SOURCE
Table tournante
Multiplexeur à relais
ENTREE
0 ou 1
V(courant) V(pression)H. T.
BUS IEEE 488
Système de mesure
~
et d'alimentation
en tension
Mesure : pression acoustique et directivité
Montage expérimental
Comportement linéaire faible taux de modulation
11
0 °180 °
35
40
45
50
55
60
65
2 10 50
Amplitude
[dB]
fréquences (kHz)
p f /i(
p h /i(
Résultats de mesure
ω ir
eθcos Bω ,rp
rjk
f
ω ir
eAω ,rp
rjk
h
0 0
30
6090
120
210
240 270
300
330
150
p / i 5 3
mesuremodèle
Diagramme de directivité %5.0
I
)(i
(f=5kHz, d=6mm, I=60 A, V= 5.8kV, r =10cm)
)(ir
ecosBA),r(p
jkr
t
10
AUGMENTER LA MODULATION ELECTRIQUE
AUGMENTER LE NIVEAU SONORE
Faible taux de modulation :
modèle linéaire
%5.0I
)(i
Taux de modulation
modèle non linéaire
%10I
)(i
9
Source de force
S
INqEF
i
i
)(iII o
)(sSS 1o
)(iII ioii
et2J.E . J.H
Source de chaleur
avecee N..q
)(jJ J 1o
Comportement non linéaire des sources
méthode de perturbation :
I
)(i
2
1
p
2p
h
h
méthode de perturbation :
o
1
f
f
S
)(s
)(p
)2(p
8
pointe grilled
Table tournante
rAmplificateur
B&K 2619microphone
cage de Faraday
modulations électriques élevées
I+i()
Tension d ’entrée
HV
Amplificateur
contrôle
V(pression)
voltmètre vectoriel
Mesure fondamental
+ harmoniques
Montage expérimental
V+v()
7
102 103 104-10
0
10
20
30
40
50
pre
ssio
n (
dB
SP
L)
fréquence (Hz)
Bruit de fond
I=60Ad=6mmr=30cm
i=20ARMS
i=3ARMS
relation linéaire entre la pression
acoustique (fondamental) et le courant de
modulationp() i ()
mesure
(premier dispositif expérimental)
i=0.4ARMS
modèle
Mesure de la pression acoustique dans l’axe
rI+i()
pointe pland
6
103 104-10
0
10
20
30
40
50
pre
ssio
n (
dB
SP
L)
fréquence (Hz)
fondamental p()
1er harmonique p(2)
2ème harmonique p(3)
Comportement non linéaire : génération d’harmoniquesComportement non linéaire : génération d’harmoniques
I=60Ai=20ARMS
d=5mmr=30cm
rI+i()
pointe pland
comportementacoustiquenon-linéaire
p() i ()p(2) i2()p(3) i3()
pour i / I 30%, le taux dedistorsion harmonique totalde la pression acoustique 10 %
5
pointe
CONTRIBUTIONS NON LINEAIRESCONTRIBUTIONS NON LINEAIRES DE CHAQUE SOURCE DE CHAQUE SOURCE
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
fondamental p() 1er harmonique p(2)
I=60A, i=20ARMS
d=5mm, r=30cm, f=5kHz
0.001
0.002
0.003
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
mesure
modèle :
rI+i()
pland
8.12
22
A
BR
4.4
A
BR >
cosBA
r
ip
dipole(source de force)
monopole(source de chaleur)
16.022
A
A
p
p
h
h
08.022
B
B
p
p
f
f
méthode de perturbation :
16.0
2
12
I
i
p
p
h
h
4
Vélocimétrie LASER DopplerVélocimétrie LASER Doppler
Buse d’ensemencement
grille pointe3
Photo multiplicateur
et haut-parleur à gaz ioniséet haut-parleur à gaz ionisé
Estimation des vitesses acoustiques par VLD en champ procheEstimation des vitesses acoustiques par VLD en champ proche
vD ( f ) = 121.4 mm/s RMS
vD ( 2f ) = 23.3 mm/s RMS
vD ( 3f ) = 4.6 mm/s RMS
I=60A, i=20ARMS, d=5mm, f=2kHz
Résultats expérimentauxRésultats expérimentaux
v ( f ) = (121 30) mm/s RMS
v ( 2f ) = (12.1 3.2) mm/s RMS
v ( 3f ) = (3.0 1.3) mm/s RMS
Estimation des vitesses acoustiques déduites de mesures Estimation des vitesses acoustiques déduites de mesures microphoniques (ramenées au point de mesure VLD) microphoniques (ramenées au point de mesure VLD)
2
CONCLUSION
1
Validation partielle des modèles non linéairesValidation partielle des modèles non linéaires
Poursuivre le travail expérimentalPoursuivre le travail expérimental
améliorer les techniques de mesure acoustique en milieux ionisésaméliorer les techniques de mesure acoustique en milieux ionisés
maîtriser l ’ensemencementmaîtriser l ’ensemencement
optimiser les techniques de traitements des signauxoptimiser les techniques de traitements des signaux