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Université Helmut Schmidt/Université des Forces Armées allemandes Fédérales d'Hambourg : Réduction active de bruits dans l'habitat

Publié : 25 janvier 2019

L’Université Helmut Schmidt/Université des Forces Armées allemandes Fédérales d'Hambourg continue à travailler sur des systèmes de réduction active de bruits au moyen d’anti-bruits. Ceci comprend des mesures contre les nuisances sonores dans les appartements causées par une circulation automobile en croissance constante. Des résultats prometteurs ont été présentés dans notre dSPACE Magazine en 2014. Les nouvelles options et technologies du nouveau système temps réel SCALEXIO a aidé les chercheurs à faire une avancée considérable dans le développement de leur solution et à en simplifier son utilisation au quotidien.

Les nuisances sonores

Les nuisances sonores omniprésentes, particulièrement en zone urbaine, causées principalement par la circulation routière, sont sources de stress et de problèmes de santé. Cependant les matériaux d’isolations actuellement utilisés dans les bâtiments résidentiels perdent leur efficacité dès que la fréquence sonore baisse, comme c’est le cas, par exemple, pour les moteurs de camions. De plus, juste une fenêtre entrebâillée pour aérer peut ruiner la meilleure isolation passive. C’est exactement là que le concept de réduction active de bruits entre en jeu.

Les anti-bruits stoppent les bruits

Figure 1 : Principe de réduction active des bruits : L’onde du bruit d’origine (en gris) et l’onde d’annulation du bruit (en bleu) se superposent et se neutralisent (presque complètement).

La réduction active de bruits est fondée sur le principe des interférences destructives dans lequel deux ondes à phase opposée se neutralisent. L’anti-bruit est calculé à partir des mesures prises par deux microphones (figure 1) et superposées avec le signal d’interférence au moyen d’un haut-parleur. Le premier microphone positionné près de la source de bruits détecte les nuisances, pendant que le deuxième microphone positionné dans un espace calme mesure le signal d’erreur obtenu par superposition des bruits et des anti-bruits. Dans la pratique, les bruits ne peuvent pas être complètement stoppés à cause de divers facteurs de perturbation. Le son se propage dans toutes les directions et est également renvoyé par toutes surfaces. Le résultat se résume en un champ sonore complexe avec un large spectre de fréquences pour lequel on peut au mieux générer un signal anti-bruit très localisé.

Vivre et dormir dans un environnement insonorisé

Figure 2 : Structure du système de test anti-bruit comprenant les composants dSPACE.

La figure 2 montre l’installation de 2 espaces : un espace extérieur à réflexion faible, équipé de haut-parleurs pour la génération de bruits et un espace intérieur dont les propriétés acoustiques sont typiques d’une pièce d’habitation dans un bâtiment. L’espace intérieur est relié à l’espace extérieur par une fenêtre standard.

La génération de l’anti-bruit est basée sur un système multicanal qui utilise un signal de référence calculé en interne, basé sur l’erreur mesurée pour chaque canal, plutôt que sur le microphone de référence représenté sur la figure 1. Ceci simplifie la conception du système. Néanmoins, cette simplification exige des temps de calcul extrêmement courts puisque l’anti-bruit doit être calculé et généré à partir du bruit prévu avant que ce bruit n’atteigne le haut-parleur anti-bruit. Plus l‘anticipation est rapide, meilleure sera la réduction du bruit.

Le traitement de signal a été implémenté à partir d’un système temps réel SCALEXIO. Les signaux analogiques des 16 microphones d’erreur utilisés sont acheminés au moyen de deux cartes DS2655 FPGA Base Boards, chacune équipée de 5 modules DS2655M1 Multi-I/O Modules, vers deux cartes processeurs DS6001 qui calculent les signaux de sortie pour l’anti-bruit avec un algorithme de commande numérique adaptable (filtered-x-least-mean-square). Ces signaux analogiques sont alors convertis en signaux numériques sous une forme amplifiée au moyen de 16 haut-parleurs anti-bruit.

Développement depuis 2014

Figure 3 : Pour un sommeil parfait : Installation expérimentale avec haut-parleurs et microphones intégrés au cadre de la fenêtre.

Toutes les parties du système ont été revues et améliorées depuis 2014. Par exemple, les microphones et les haut-parleurs sont désormais montés sur le cadre de la fenêtre. Aucun des composants n’est donc placé à l’extérieur du bâtiment et exposé aux conditions climatiques. Et la vue à travers la fenêtre n’est pas gênée par un quelconque matériel. Il est ainsi possible de concevoir un kit de modernisation à installer sur les fenêtres existantes, si nécessaire.

En utilisant le nouveau système temps réel SCALEXIO avec la performance de son processeur et une bande passante nettement améliorées en comparaison à la technologie PHS utilisée jusqu’à lors, l’équipe a pu améliorer considérablement le traitement du signal. Le taux d’échantillonnage du système anti-bruit a été multiplié par 5 pour atteindre 40 kHz tout en augmentant le nombre de canaux. Cela signifie que des filtres passe-bas analogiques supplémentaires du chemin d’accès au signal sont alors devenus superflus. La performance du système temps réel SCALEXIO est représentée par la configuration réussie de l’installation de test suivante :

  • 16 microphones d’erreur et 16 haut-parleurs anti-bruit
  • Cadence d’échantillonnage : 40 kHz
  • Opérations de multiplication-accumulation (MAC) : approx. 76,640 MAC par cycle d’horloge
  • Précision simple : 3.1e9 MAC par seconde

Prochains objectifs du projet

La structure actuelle est essentiellement destinée à réduire les sources de bruits statiques telles que les bruits de chantiers. Toutefois, les sources de bruits en mouvement en particulier, telles que les camions circulant ou les bus sur des trajets à haute fréquentation, sont des thèmes primordiaux.

Au cours de la prochaine phase du projet, ces sources de bruits seront examinées précisément et des mesures adéquates seront recherchées. Le potentiel non exploité du système dSPACE continuera à être exploré. La complexité des calculs, par exemple, pourra être augmentée en connectant les deux systèmes processeurs entre eux afin d’obtenir un système multiprocesseur et en délocalisant le pré-traitement de signal vers le FPGA.

Hptm M. Sc. Jonas Hanselka travaille au département de mécatronique de l’Université Helmut Schmidt/l’Université des Forces Armées Fédérales d’Hamburg.

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