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Laboratories of Image, Signal processing and Acoustics - Ecole polytechnique de Bruxelles / Faculté des Sciences

Master thesis topics

Les sujets de Mémoires de fin d’études suivants sont proposés, à titre principal, aux étudiants de 2e année de Master en Ingénieur civil ou de Master en Sciences physiques. Les thèmes proposés s’intègrent dans les activités de recherche développées par le groupe EHL, en océanographique acoustique, imagerie ultra-sonore et physique des matériaux et des instruments de musique. Ceux-ci ne forment en aucun cas une liste exhaustive et toute proposition suggérée par l'étudiant sera évaluée avec grand intérêt.

 

Conception et applications d'un goniomètre acoustique pour la caractérisation des matériaux acoustiques

Au cours de ce travail, l'étudiant(e) devra aboutir à la réalisation d'un goniomètre acoustique permettant d'effectuer des mesures ultrasonores in-situ des propriétés acoustiques de matériaux sous divers angles d'incidence. Dans un premier temps, l'étudiant(e) devra se familiariser avec les méthodes ultrasonores et la modélisation de matériaux acoustiques. Selon les compétences de l'étudiant(e), le travail évoluera vers la conception (CAO) d'un système portatif composé de transducteurs pouvant varier d'angle d'émission de signal. Une attention particulière sera portée sur le choix de transducteurs et la méthode de traitement de signal (en gardant à l'esprit la propriété d'une large bande passante) pour une mesure optimale. Par des mesures de transmission et de réflexion, ce système permettra de déterminer (directement ou par méthode inverse) les propriétés géométriques, acoustiques et mécaniques des matériaux. Lors de la conception du système, une attention particulière sera mise sur les aspects pratiques (esthétique, légèreté, encombrement,...) du système.

Contacts: rtayongb-AT-ulb.ac.be

 

Caractérisation acoustique de matériaux poreux par de nouvelles méthodes : Application aux matériaux innovants

De nombreux modèles (Biot, Johnson-Champoux-Allard, Pride,...) ont été élaborés pour prédire le comportement acoustique de matériaux poreux. Si certains matériaux se sont révélés moins adaptés aux conditions écologiques, de climat, de contraintes d'espace ou de température, d'autres plus innovants s'avèrent très efficaces dans des milieux hostiles ou extrêmes. Cette étude porte sur la caractérisation de matériaux innovants par des méthodes analytiques, numériques et expérimentales. Une synthèse de modèles analytiques et numériques sera d'abord effectuée. L'étudiant(e) se focalisera ensuite sur l'innovation de certains matériaux en termes de multi-propriétés (mécanique, thermique, acoustique,...). L'objectif de cette étude est de trouver une adaptation de ces méthodes à la caractérisation de matériaux innovants en prenant plus ou moins en compte les aspects précédemment cités.

Contacts: rtayongb-AT-ulb.ac.be

 

Caractérisation acoustique des fabriques perforées par une méthode d'éléments finis

L'étudiant(e) devra dans un premier temps se familiariser avec l'outil COMSOL qu'il utilisera ensuite pour modéliser les fabriques perforées afin de déterminer leur performance acoustique comme absorbants. Il sera utile de commencer l'étude de cas simples tels que les plaques micro-perforées (perforations cylindriques). Une attention particulière sera portée sur les effets d'interaction entre des perforations très rapprochées, sur les effets vibratoires de la fabrique et sur les effets de forme d'embouchure en régime linéaire (faibles niveaux d'excitation). Une deuxième phase de l'étude portera sur le comportement de ces matériaux quand les vitesses sont élevées (régime non-linéaire) en présence des effets précédemment cités. Une extension de cette étude se fera alors aux fabriques minces telles que tissus et voiles et aux systèmes multi-couches.

Contacts: rtayongb-AT-ulb.ac.be

 

Analyse des méthodes inverses et d'optimisation appliquées aux récents modèles acoustiques de matériaux poreux

Les problèmes inverses et d'optimisation se posent très souvent lorsque l'on cherche à identifier, à caractériser ou à recaler le modèle d'un système physique dont on a une connaissance plus ou moins partielle. Plusieurs modèles de prédiction du comportement acoustique de matériaux poreux ont été élaborés. Ces modèles sont plus ou moins précis dépendamment des configurations d'étude. Cette étude porte sur l'analyse de quelques méthodes (récentes ou couramment utilisées) mathématique d'inversion et d'optimisation. Une familiarisation de l'étudiant avec les méthodes générales d'identification et d'optimisation de modèles simples sera effectuée. Après une revue et une présentation concise de méthodes d'optimisation (algorithme génétique, essaim d'abeilles, méthode adjointe,...), une illustration de ces méthodes à travers des applications propres aux matériaux poreux sera réalisée.

Contacts: rtayongb-AT-ulb.ac.be

 

La méthode adjointe pour un problème inverse en océanographie acoustique

L’approche adjointe permet la résolution efficace d’un problème inverse où nous recherchons les propriétés d’un milieu de propagation acoustique, à partir de mesures de transmission entre une source et un récepteur(*). Le modèle de propagation est une équation aux dérivées partielles et des conditions aux limites, bien adaptées à l'environnement marin, que nous approchons numériquement par la méthode d’éléments finis. L’adjoint de cette équation est généré par YAO, un code en C++ qui utilise un graphe modulaire afin de minimiser une fonction coût quadratique. Ce projet nécessitera la prise en main de YAO, la programmation (en C++) d’un solveur éléments finis et la résolution de plusieurs problèmes inverses académiques de type « expérience jumelle » dans des contextes physiques relativement réalistes avec bathymétrie variable et milieux non homogènes.

(*)http://ehl.ulb.ac.be/research_adjoint.html

Références

Contact: jhermand-AT-ulb.ac.be, markasch-AT-ulb.ac.be

 

Inversion géoacoustique par filtrage particulaire

L'inversion géoacoustique consiste à estimer des propriétés des fonds marins des environnements peu profonds par inversion de sons qui se sont propagés dans l'environnement, qu'ils soient générés activement ou recueillis passivement. Ce problème s'accompagne généralement de l'estimation des autres paramètres intervenant dans la propagation du son (position de source, profil de célérité du son de la colonne d'eau, etc.). Les récents développements d'algorithmes séquentiels non linéaires ouvrent des perspectives intéressantes pour aborder de tels problèmes inverses dans un cadre bayésien et séquentiel, permettant une combinaison optimale de la connaissance a priori du milieu et des mesures de champs de pression acoustique. Dans la lignée des recherches effectuées sur le filtrage de Kalman appliqué à l'inversion acoustique des environnements sous-marins(*), ce travail est dédié à l'application des filtres particulaires (ou méthodes de Monte-Carlo séquentielles) au problème d'inversion géoacoustique, permettant la résolution numérique de problèmes séquentiels non linéaires et non gaussiens, typiquement rencontrés en inversion géoacoustique. De nombreuses données expérimentales récoltées par EHL sont disponibles pour tester et démontrer l'efficacité des algorithmes développés.

(*)http://ehl.ulb.ac.be/research_sequential.html

Contact: jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Suivi du front d'Ouessant par surveillance acoustique passive

Le front thermique d'Ouessant, formé par la confrontation de deux masses d'eau de structure thermique différente, apparaît chaque été aux abords des côtes bretonnes. Son étude présente un grand intérêt à la fois pour les océanographes et pour les pêcheurs, de par son interaction avec les autres processus océanographiques et son influence directe sur les concentrations en nutriments. Bien que les images satellites permettent de suivre avec précision l'évolution de ce front, la fréquente couverture nuageuse nécessite de développer d'autres outils de mesure. La tomographie acoustique peut fournir des estimations du champ de célérité du son des masses d'eau, directement lié à leurs distributions de température et de salinité. Etant donnée la proximité de rails de navigation maritime très fréquentés (le rail d'Ouessant, emprunté par une moyenne de 150 navires par jour), ce projet a pour but d'adapter les outils de tomographie séquentielle développé par le groupe EHL à des fins passives, c'est-à-dire, utilisant comme source acoustique le bruit rayonné par les navires. Dans ce cadre, des bruits de bateaux ont été récoltées en 2009 et 2010 sur des hydrophones disposés à proximité du rail. Cet important jeu de donnés va permettre d'évaluer le potentiel du suivi passif du front.

Contact: jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Paramétrisation de la colonne d'eau en tomographie acoustique sous-marine

En tomographie acoustique sous-marine, l'inversion de champs acoustiques mesurés sur des antennes d'hydrophones doit permettre de reconstruire le profil (ou le champ) de célérité du son dans la colonne d'eau qui est insonifiée. A cette fin, ce profil de célérité est typiquement paramétrisé pour réduire la dimensionalité du problème inverse et contraindre les solutions. Traditionnellement, les paramétrisations utilisées sont formulées à partir de profils mesurés à proximité de l'environnement sondé. Malheureusement, ces mesures sont coûteuses et la paramétrisation qui en découle n'est pas toujours optimale pour l'inversion acoustique proprement dite. Dans ce travail, l'étudiant sera amené à développer, tester et comparer d'autres types de paramétrisation (profils géométriques, modèles de structure, transformée en ondelettes, fonctions système-orthogonales, etc.) sur des données simulées et des données réelles de tomographie en environnements côtiers.

Contact: jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Processing of acoustic interference structure for the characterization of shallow water environments

The broad-band, low-frequency sound intensity generated by a sound source moving in a shallow-water acoustic waveguide usually exhibits striations, whose structure is characterized by the environment. The properties of the interference structure have been studied for solving inverse problems, e.g., source localization and characterization of bed sediment. The primary step is to process the structure for extracting useful features, e.g., the striation slope. Image processing methods based on Radon, Hough or two-dimensional fast Fourier transforms (FFT) can estimate the overall slope of the striations. But these methods do not allow extracting local properties of the interference structure, e.g., the location and slope of specific striations, which are closely related to the acoustic properties of the environment. The master thesis project will contribute developing a robust processing method to detect and extract striations from a noisy interference image(*) with the aim to use local detailed information in the inverse problem. Experimental data from a shallow water environment in the Mediterranean are available for the study.

(*)http://ehl.ulb.ac.be/research_interferometry.html

Contact: qunyren-AT-ulb.ac.be, jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Modélisation dynamique de la propagation acoustique sous-marine

La propagation acoustique est un phénomène ondulatoire qui varie dans le temps et dans l'espace. Dans l'océan, des modèles numériques permettent de prédire avec précision les propriétés des champs acoustiques en fonction des propriétés de l'environnement (fonction de Green en amplitude et en phase sur une large bande de fréquences ou réponse impulsionnelle du canal de propagation). L'objectif de ce travail est de développer un outil d'animation à partir des sorties de modèles de propagation utilisés au EHL (théorie des rayons, modes normaux et équation parabolique) pour illustrer la propagation guidée et les variations du champ acoustique qui sont associées à des variations spatiales et temporelles de propriétés physiques de l'environnement. Ce travail est essentiellement un travail de codage numérique qui nécessite une compréhension approfondie des approximations faites pour modéliser la propagation et des problèmes qui y sont liés (mouvement des sources et des récepteurs, paramétrisation de l'environnement, etc.).

Contact: jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Evaluation de la pertinence des descripteurs de timbre dans le cas des musiques non occidentales. Application aux cordophones indiens

Dans le domaine de la Music Information Retrieval (MIR), les descripteurs de bas niveau sont utilisés pour caractériser le timbre des sons musicaux, ainsi que pour la catégorisation selon différents paramètres (instrumentation, genre musical, etc.). Cependant, les descripteurs de timbre ont pour la plupart du temps été conçus dans le but d'analyser des sons produits dans un cadre strictement occidental. L'évaluation de la pertinence des descripteurs appliqués à des sons issus d'un autre contexte culturel est donc nécessaire. Dans le cadre d'une collaboration avec le Musée des Instruments de Musique (Bruxelles), il est proposé de travailler sur un corpus de sons réels collectés en Inde (Calcutta), produits par les cordophones suivants : sitar, sarod, sarangi et tampura. Ces instruments sont équipés d'altérateurs de timbre dont les réglages précis dépendent du musicien, de son appartenance à une école stylistique (gharana) et du contexte de performance.

Contact: s.weisser-AT-mim.be, jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Le chevalet semi-mobile : lorsqu'un instrument à cordes sonne comme une trompette

Le chevalet semi-mobile (parfois appelé « chien ») est présent sur deux cordophones occidentaux: la trompette marine (16ème - 18ème siècles, tradition savante) et la vielle à roue (tradition populaire). Les sons de ces deux instruments sont produits par frottement (via un archet pour la trompette marine, via une roue pour la vielle à roue). Le chevalet semi-mobile a pour effet de modifier radicalement le timbre des sons produits par les instruments. L'objectif de ce mémoire est de caractériser le fonctionnement mécanique et l'effet acoustique et perceptif de ce chevalet spécifique. Ce mémoire sera mené en collaboration avec le Musée des Instruments de Musique, qui possède à la fois des instruments historiques et des reconstitutions actuelles susceptibles d'être utilisées pour des expérimentations.

Contact: s.weisser-AT-mim.be, jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Les cordes sympathiques : des cordes qui sonnent sans être jouées

Les cordes sympathiques sont présentes sur de nombreux instruments, issus de cultures et de périodes variées (Occident « savant », Inde, Norvège, etc.). Leur présence modifie le timbre résultant des sons de l'instrument, dans ses dimensions temporelles et spectrales. L'objectif de ce mémoire est de caractériser le fonctionnement mécanique et l'effet acoustique et perceptif de ces cordes sympathiques, notamment en fonction des différentes méthodes de fixation (sur la tête, le long du manche ou sous ce dernier). Ce mémoire sera mené en collaboration avec le Musée des Instruments de Musique.

Contact: s.weisser-AT-mim.be, jhermand-AT-ulb.ac.be

 

Elaboration d'une méthode expérimentale d'évaluation des qualités musicales des cordes de violon, d'alto et de violoncelle

Un grand nombre de cordes de violon, d'alto et de violoncelle sont disponibles sur le marché, qui sont construits avec différents matériaux et différents diamètres. Cependant, peu d'informations objectives sont disponibles concernant leurs spécificités au niveau sonore. Or, le choix des cordes est de toute première importance pour les musiciens, qui l'effectuent souvent sur base de critères extra-musicaux (phénomène de modes, publicité, imitation d'un joueur célèbre, etc.). L'objectif de ce mémoire est de mettre au point une méthode expérimentale qui permette l'évaluation (objective et subjective) des qualités musicales de ces cordes, en se concentrant plus particulièrement sur les dimensions psychoacoustiques. Ce mémoire sera mené en collaboration avec le Musée des Instruments de Musique et Jessica De Saedeleer, luthier.

Contact: s.weisser-AT-mim.be, jhermand-AT-ulb.ac.be

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