Blind deconvolution via maximum cyclostationarity

Blind deconvolution is an effective tool for the extraction of impulsive components from noisy observations having significant implications on the diagnostic of rotating machines. In this scenario, a general purpose method is proposed based on the eigenvalue decomposition. Furthermore, a cyclostationary criterion is introduced and validated using simulated and real signals. This criterion has turned out to be effective on the identification of early stage gear tooth faults as well as the monitoring of bearing fault development.

Mapping the underworld (Imagerie acoustique des sous-sols)

The problems associated with inaccurate location of buried pipes and cables have been serious for many years and are getting worse as a result of increasing traffic congestion in the major urban areas. In response to this, a large multi-centre programme, Mapping the Underworld (MTU, www.mappingtheunderworld.ac.uk ), is being undertaken in the UK, dating back to 2004, to research a range of technologies that could be combined into a single device to accurately locate buried pipes and cables.
In my presentation I will present an acoustic method which uses seismic wave for the detection of buried object. Directional shear waves are generated at the ground surface and the subsequent reflections arriving at the ground surface detected and analysed. Cross-correlation functions between the measured ground velocities and a reference ground velocity measurement adjacent to the excitation are used to generate a cross-sectional image of the ground using a time domain stacking approach. The shear wave method has been successful at detecting both plastic and metal water pipes and air-filled metal pipes.
Finally I will present other areas of personal interest and some plan for my visit at LVA.

Introduction à l’analyse de sensibilité - Approches Monte Carlo pour l’estimation des indices de Sobol’

L’analyse de sensibilité consiste à examiner comment une quantité d’intérêt (sortie) d’un modèle numérique (ou expérimental) réagit à des variations des paramètres d’entrée du modèle. L’analyse de sensibilité est un outil précieux pour la construction et l’utilisation de tels modèles. Cet outil est principalement utilisé pour déterminer les paramètres d’entrée influant le plus le comportement d’une sortie du modèle ou encore pour détecter de potentielles interactions existantes à l’intérieur du modèle. Les objectifs de l'analyse de sensibilité sont nombreux : compréhension ou validation du fonctionnement d’un modèle, hiérarchisation des paramètres d'entrée, réduction du modèle ...

Parmi le large panel de méthodes disponibles pour effectuer une telle analyse, la méthode dite de Sobol' (1993) permet de calculer des mesures de sensibilité, appelée indices de Sobol’. Ces indices sont des grandeurs scalaires variant entre 0 et 1 quantifiant l'influence d'un ou plusieurs paramètres d'entrée du modèle étudié. En pratique, le calcul numérique de ces indices est très souvent inaccessible. Il devient alors nécessaire d'avoir recours à des méthodes d'estimation de ces indices.

Cet exposé a pour but d’introduire succinctement le concept d’analyse de sensibilité puis de détailler les approches Monte Carlo reposant sur l’estimation des indices de Sobol’. Un exemple illustrant l’utilisation de telles approches est proposé.

Modélisations analytiques du bruit tonal d’interaction rotor / stator par la technique de raccordement modal

Le bruit tonal d’interaction rotor-stator, généré par l’impact des sillages issus des pales d’un rotor sur la grille d’aubes d’un stator redresseur, contribue de manière déterminante au bruit d’origine aérodynamique des turbomachines axiales carénées, qui équipent une large part des systèmes de propulsion aéronautique et de conditionnement d’air. La prédiction du bruit par l’utilisation de simulations numériques demeure onéreuse, notamment dans les premières phases de conception lorsque de nombreuses configurations doivent être testées. Dans cette optique, l’approche analytique choisie dans cette thèse apporte une alternative tout à fait appropriée. Les modèles analytiques basés sur une fonction de réponse aéroacoustique de profil isolé ne permettent pas de reproduire l’effet de grille engendré par le nombre important d’aubes de stator. Inversement, de fortes approximations sont nécessaires pour décliner les fonctions de réponse de grilles d’aubes existantes dans des configurations tridimensionnelles. Le formalisme proposé, basé sur la méthode de raccordement modal, permet d’introduire simplement l’effet de grille dans une géométrie annulaire d’étage rotor-stator. Un modèle de réponse de grille rectilinéaire bidimensionnel est tout d’abord présenté pour la transmission d’ondes acoustiques à travers le stator ainsi que pour la génération de bruit par l’impact de rafales hydrodynamiques. Les résultats issus de ces modélisations sont comparés à ceux des fonctions de réponse de grilles d’aubes rectilinéaires issues de la littérature, montrant un très bon accord avec les modèles basés sur la technique de Wiener-Hopf. Le formalisme est par la suite étendu aux grilles annulaires par l’ajout de fonctions de Bessel comme fonctions de forme radiale exprimant les effets tridimensionnels. Finalement, une procédure est présentée pour rendre compte de l’hétérogénéité des aubes de stator, caractéristique des nouvelles architectures de turbomachines. Cette méthodologie est basée sur l’emploi conjoint du principe du dipôle de bord d’attaque et de la fonction de réponse aéracoustique de la grille de stator à l’aide de la technique de raccordement modal. Le principe de dipôle de bord identifie le chargement instationnaire des aubes induit par l’impact de rafales hydrodynamiques, calculé par le formalisme d’Amiet, avec la trace du champ de pression acoustique produit par un dipôle placé au voisinage du bord de l’aube. Les prédictions issues de ce modèle, appliqué dans un cadre bidimensionnel, sont ensuite comparées à des mesures obtenues pendant la campagne d’essais du projet SEMAFOR.

Mise en oeuvre et applicabilité des réseaux à grand nombre de microphones

L'apparition récente de microphones numériques MEMS a ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de systèmes d'acquisition acoustiques massivement multi-canaux de grande envergure. De tels systèmes permettent de localiser des sources acoustiques avec de bonnes performances. En revanche, de nouvelles contraintes se posent. La première est le flux élevé de données issues de l'antenne, devant être traité en un temps raisonnable. La deuxième contrainte est de connaître la position des nombreux microphones déployés in situ. On propose des méthodes répondant à ces deux contraintes :- une méthode de localisation de sources est implémenté de manière parallèle sur GPU. Cette stratégie est une réponse possible au problème de flux de données, car les signaux acquis sont traités à la volée. On dispose ainsi d'un outil d'imagerie temps réel de sources large bande, permettant d'établir un diagnostic dynamique de la scène sonore ;- deuxièmement, différentes méthodes de calibration géométrique pour la détermination de la position des microphones sont exposées. Dans des conditions réelles d'utilisation, les méthodes actuelles sont inefficaces pour des antennes étendues et à grand nombre de microphones. Ce manuscrit propose des techniques privilégiant la robustesse du processus de calibration. Les méthodes proposées couvrent différents environnements acoustiques réels, du champ libre au champ réverbérant. Leur efficacité est prouvée sur différentes configurations expérimentales.

Synthèse de champs sonores par la méthode ambisonique d'ordre élevé

La synthèse de champs sonores est un domaine de recherche actif trouvant de nombreuses applications musicales, multimédias ou encore industrielles. Dans ce dernier cas, la reconstruction précise du champ sonore est souhaitée. À l'aide de réseaux de microphones et de haut-parleurs, la captation, la synthèse et la reconstruction précise de champs sonores sont théoriquement possibles. Seulement, pour des applications pratiques, la disposition des haut-parleurs, leur nombre et l'influence acoustique du lieu de restitution sont des facteurs cruciaux à prendre en compte pour s'assurer de la bonne reconstruction du champ sonore. Dans ce contexte, les travaux de recherches présentés proposent des méthodes et des techniques pour la captation, la transformation et la reconstruction précise de champs sonores en trois dimensions en se basant sur la méthode ambisonique d'ordre élevé. Une configuration sphérique pour le réseau de microphones et de haut-parleurs est proposée. Elle suit un maillage de Lebedev à cinquante points qui permet la captation et la reconstruction du champ sonore jusqu'à l'ordre 5 avec le formalisme ambisonique. Une opération de transformation du champ sonore est présentée. Elle est établie dans le domaine des harmoniques sphériques et permet d'effectuer un filtrage directionnel avant le décodage pour privilégier certaines directions dans le champ sonore, suivant une fonction de directivité choisie. Finalement, pour la reconstruction, une compensation des défauts du système de restitution est établie dans le domaine des harmoniques sphériques. Ce traitement permet alors d'adapter la synthèse de champs sonores au lieu de restitution, en conservant le formalisme théorique établi en champ libre. Les méthodes et algorithmes sont implémentés sous forme d'une suite logicielle de synthèse et traitement en temps-réel des champs sonore. 

De l'acoustique et de la psychoacoustique pour la personnalisation des instruments de musique

Chaque musicien est unique et est à la recherche d'un son qui lui est propre, or les instruments de musique sont majoritairement standardisés et fabriqués à la chaîne. Alors qu'il est maintenant possible de personnaliser ses chaussures ou sa voiture, est-il possible de personnaliser un son ? Afin de proposer un service innovant et personnalisé au musicien, il faut redéfinir le système de conception depuis les phases les plus en amont. Il est ainsi nécessaire de comprendre comment relier des critères purement subjectifs qu’utilise le musicien pour définir le son et le comportement de l’instrument en situation de jeu à des paramètres liés à la facture de l’instrument.  C’est ce que nous développons chez SYOS (http://www.syos.co) en travaillant sur les becs de saxophone.

Fast multipole boundary element method for acoustic problems and its applications

Boundary element method (BEM), a numerical method based on integral equation, can reduce the dimension of the model, and only requires the boundary to be discretized. It is easy to handle the far field boundary condition with the BEM since the integral equation automatically satisfies the radiation condition. Although dimension is reduced, the coefficient matrix generated by the BEM is full, non-symmetrical and even singular, which results in huge memory cost and computational complexity. Those features prevent BEM from the analyses of large scale acoustic problems. Currently, the analyses and studies for acoustic problems tend to large scale and multi-physics models, such as simulations for scattering and radiation of submarine, taking off and landing noise of airplane, acoustic characteristics of organs and tissues and the optimization of coupled structure-acoustics. Those models will generate DOFs at the level of hundreds of thousands or even several millions and thus urgently demand the BEM can solve such large scale acoustic problems within reasonable time. The fast multipole method (FMM) can reduce the memory and improve the computational efficiency dramatically. It presents a potential way to solve the large scale acoustic problems.

The present talk introduces the recent development BEM in our group for free space, multi-domain and half space acoustic problems based on the FMM. New theories and algorithms were proposed to solve the two bottlenecks, large memory and huge computational complexity, of BEM. The FMBEM were applied to predict the acoustic radiation and structure-acoustic optimization for large scale engineering problems. Those successful applications demonstrated the super computational capability of the FMBEM for large scale acoustic problems and the potential in the acoustic optimization.

Speaker Biography: Dr. Haijun Wu is an assistant professor in the School of Mechanical Engineering (ME), Shanghai Jiao Tong University (SJTU). He obtained his PhD degree at Shanghai Jiao Tong University in 2013. Prior to join the ME department, he conducted two years of joint-postdoc research, one year at SJTU and one year at Hon Kong University of Science and Technology. His current research interests include High Performance Computing of Structure, Fluid and Acoustics; Advanced Theory of Acoustic Radiation Modes and its Applications; Acoustic Inverse Problems and its Applications; Isogeometric Analysis.

Reference
[1] Haijun Wu, Weikang Jiang,Haibin Zhang. A mapping relationship based near-field acoustic holography with spherical fundamental solutions for Helmholtz equation[J]. Journal of Sound & Vibration, 2016, 373:66-88.
[2] Haijun Wu, Wenjing Ye, Weikang Jiang, Isogeometric finite element analysis of interior acoustic problems, Applied Acoustics, doi:10.1016/j.apacoust.2015.07.002
[3] Haijun Wu, Weikang Jiang, Yilin Zhang, Wenbo Lu, A method to compute the sound power based on mapped acoustic radiation modes, The Journal of the Acoustical Society of America, 135(2), 679-692, 2014.
[4] Haijun Wu, Yijun Liu, Weikang Jiang, A fast multipole boundary element method for three-dimensional half-space acoustic wave problems over an impedance plane, International Journal of Computational Methods, 12(1), 1350090-25, 2015.
[5] Haijun Wu, Weikang Jiang, Yijun Liu, Analyzing Acoustic Radiation Modes of Baffled Plates with A Fast Multipole Boundary Element Method," ASME: Journal of vibration and acoustics, 135(1), 011007-7, 2013.
[6] Haijun Wu, Yijun Liu, Weikang Jiang, A low frequency fast multipole boundary element method based on analytical integration of the hypersingular integral for 3D acoustic problems, Engineering Analysis with Boundary Elements, 37(2), 309-318, 2012.
[7] Haijun Wu, Yijun Liu, Weikang Jiang, A fast multipole boundary element method for 3D multi-domain acoustic scattering problems based on the Burton-Miller formulation, Engineering Analysis with Boundary Elements, 36(5), 779-788, 2012.
[8] Haijun Wu, Yijun Liu, Weikang Jiang, Analytical integration of the moments in the diagonal form fast multipole boundary element method for 3-D acoustic wave problems, Engineering Analysis with Boundary Elements, 36(2), 248-254, 2012.
[9] Haijun Wu, Weikang Jiang, Yijun Liu, Diagonal form fast multipole boundary element method for 2D acoustic problems based on Burton-Miller boundary integral equation formulation and its applications, Applied Mathematics and Mechanics, 32(8), 981-996, 2011.
[10] Haijun Wu, Weikang Jiang, Wenbo Lu, Analytical moment expression for linear element in diagonal form fast multipole boundary element method, Journal of Mechanical Science and Technology, 25(7), 1711-1715, 2011.

Investigation on Fluid-Induced Vibration and Blade Crack Early Classification for Centrifugal Compressor

The fluid-induced vibration has great effect on centrifugal compressor normal working condition. It could lead to blade crack and even failure for centrifugal compressor. How to effectively monitor blade crack and avoid blade failure for centrifugal compressor become more and more important with modern machine development. Different monitored methods for blade vibration are investigated in detail, such as pressure pulsation, blade tip timing, and strain signal. For improving design and avoiding blade breakdown, blade failure mechanism of centrifugal compressor are investigated, such as acoustic resonance, unsteady flow, rotor-stator interference. In the end, different methods for blade crack weak information determination are investigated to avoid blade failure.

Hongkun Li received doctor degree in Mechanical Electronics Engineering from Dalian University of Technology, Dalian, China, in 2003. From 2003-2005, he was research fellow in Universities of Glasgow and Strathclyde, UK. After that, he joins Dalian University of Technology as a teacher. He becomes a professor in Dalian University of Technology since 2014. His current research interests include incipient feature extraction, condition monitoring and fault diagnosis, reliability analysis, vibration control.

Caractérisation d'un champ de pression pariétale induit par une matrice de haut-parleurs

Certaines sources de nuisance sonore dans l'environnement sont d'origine aérodynamique et doivent être caractérisées afin de les réduire efficacement. Cette étude porte principalement sur la caractérisation du champ de pression pariétale induit par une matrice de haut-parleurs proche d'une excitation aérodynamique.La démarche scientifique est basée sur la comparaison de données de corrélation théoriques, simulées et expérimentales. Un banc d'essai a été développé afin de réaliser des mesures de longueurs de corrélation et de transparence.La décroissance spatiale et fréquentielle de la corrélation a été mise en évidence au travers de simulations et de mesures grâce à deux antennes microphoniques pariétales. Les longueurs de corrélation simulées et mesurées montrent des phénomènes de résonance propres à la géométrie. L'espace des nombres d'onde assure une reconstruction fidèle de la partie acoustique. Les mesures de transparence ne sont pas concluantes et la méthode expérimentale mérite d'être améliorée.L'étude de la corrélation permet de mettre en évidence sa décroissance en fonction de la fréquence et de l'espace. Ces travaux ont permis de montrer que la matrice de haut-parleurs est un outil satisfaisant dans la reconstruction de champs de pression pariétale.