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Theses Year : 2014

Modeling of sound propagation in forests using the Transmission Line Matrix method

Simulation de la propagation du son en présence de forêt par la méthode temporelle des lignes de transmission

Pierre Chobeau
  • Function : Author
  • PersonId : 768937
  • IdRef : 184558980

Abstract

The prediction of sound propagation in presence of forest remains a major challenge for the outdoor sound propagation community. The investigation of forest as sound propagation medium is motivated by the propensity of a forest to mitigate noise, the protection of existing "green" quite area (Environmental Noise Directive 2002/49/EC) and the preservation of biodiversity. Absorption from forest ground at low frequencies, multiple scattering caused by tree trunks and the modification of temperature and wind gradients are the three main phenomena that directly impact sound propagation in significant forested areas. Reference numerical models such as the Transmission Line Matrix (TLM) method can be developed in order to accurately predict each acoustical phenomenon that takes place inside forest. This time domain method has already been used to model long range sound propagation and is well suited for the prediction of transient phenomena. The first need for the TLM method is an efficient theory-based absorbing layer formulation that enables the truncation of the numerical domain. This aims at lowering the computational cost of the method. The two proposed absorbing layer formulations are based on the approximation of the perfectly matched layer theory. The most efficient proposed formulation is shown to be equivalent to wave propagation in a lossy media, which, in the TLM method formulation, is introduced using an additional dissipation term. In comparison to the existing empirical one-way approach, the proposed absorbing matched layer, after optimization, presents lower reflection errors for large angle span. The ability of the TLM method for the simulation of scattering is studied comparing the numerical results to both analytical solutions and measurements on scale models. It is shown that both single and multiple scattering predicted with the TLM method are in good agreement with the theory. Moreover, the measurements of scattering above either reflecting or impedance grounds show that the TLM method predictions are in correct agreement with the measured data. Lastly, the attenuation of acoustic levels by a simplified forest is numerically studied using several arrangements of cylinders placed normal to either reflecting or absorbing ground. It is observed that randomly spaced arrangements are more inclined to attenuate acoustic waves than periodic arrangements. Moreover, the sensitivity to the density, the length of the array and the ground absorption is tested. The main trend shows that the density and the distribution are two important parameters for the attenuation. In future work, it can be interesting to look at the sensitivity of each parameter. This study could then be used to relate the morphology (i.e. distribution, density, length) of a forest to the acoustical properties of the forest.
Prévoir l'impact d'une forêt sur les niveaux acoustiques reste actuellement un enjeu majeur pour la communauté de l'acoustique environnementale. Les méthodes d'ingénierie en place, notamment utilisées pour la cartographie acoustique, ne permettent pas actuellement de prévoir les niveaux propagés au travers d'espaces végétalisés tels qu'une forêt. Ces espaces sont pourtant souvent garants d'une certaine biodiversité, et ils peuvent également prétendre au statut de zone calme telle que défini par la directive européenne 2002/49/EC. Les trois principaux phénomènes acoustiques propres au milieu forestier sont l'absorption due à la présence d'un sol multi-couche typique en forêt (litière et humus) ; la diffusion multiple due à la présence d'obstacles tels que les troncs, branches ou feuilles ; et les effets micro-météorologiques rattachés aux variations des gradients de vitesse de vent et de température en présence de forêt. Parmi les méthodes numériques de référence, la méthode des lignes de transmission (TLM) est une méthode temporelle déjà éprouvée dans le cadre de simulations de propagation acoustique sur de grandes distances. De plus, le principe de la méthode TLM pour l'étude de la propagation acoustique en présence de forêt semble particulièrement adapté, notamment pour la modélisation de phénomènes acoustiques tels que la diffusion. La première nécessité pour l'adaptation de la méthode TLM aux simulations acoustiques sur de grandes distances est la définition de couches absorbantes permettant de tronquer efficacement le domaine d'étude sans introduire de réflexions parasites. Les couches absorbantes existantes sont basées sur une approche empirique visant à atténuer progressivement l'onde sortante entre chaque nœud du maillage TLM jusqu'à extinction de l'onde. Cette solution reste numériquement coûteuse car elle requiert des épaisseurs de couche significatives. \`A partir de l'étude théorique des couches absorbantes parfaitement adaptées (PML), deux formulations approchées ont été proposées. La formulation retenue est rigoureusement équivalente à l'équation de propagation des ondes amorties, et se traduit dans la méthode TLM par l'introduction et l'optimisation d'un terme de dissipation. Il est montré qu'après optimisation la formulation proposée est plus performante que la meilleure des solutions actuelles sur une large gamme d'angles d'incidences. L'étape suivante consiste à vérifier la capacité de la méthode TLM à modéliser les phénomènes de diffusion. L'observation de la diffusion simple par un obstacle circulaire en 2D, puis par un cylindre placé perpendiculairement à un sol impédant (3D) montre que la méthode TLM est en bon accord à la fois avec les solutions analytiques et des mesures réalisées sur maquette. La diffusion multiple est également validée en 2D par comparaison avec les solutions analytiques, puis par comparaison avec des mesures effectuées sur maquette pour le cas 3D. Dans l'ensemble les résultats confirment la capacité de la méthode TLM à modéliser les phénomènes de diffusion. Par ailleurs, l'une des originalités introduite dans cette thèse réside dans le placement des éléments diffuseurs, à partir de lois de distribution aléatoire et de Gibbs, permettant ainsi de définir des répartitions proches de celles rencontrées en forêt. Dans un premier temps, l'étude paramétrique de la propagation d'ondes acoustiques à travers plusieurs distributions de cylindres a permis d'étudier l'influence de la densité des arbres, de la longueur de la forêt, de la répartition des cylindres et de l'absorption du sol sur la propagation acoustique. Il est ainsi montré que les répartitions aléatoire et en grappe (agrégats de diffuseur sur longueur déterminée) donnent des atténuations globales supérieures (2.5 à 3.0 dB supplémentaires) à celles obtenues avec des répartitions périodiques. Comme attendu, une augmentation de la densité ou de la longueur de la forêt tend à augmenter l'atténuation globale. Par ailleurs, l'absorption due à l'effet de sol (introduite à partir des coefficients de réflexion) permet d'obtenir un gain d'atténuation d'environ 2 dB. Une étude de sensibilité des paramètres étudiés permettrait à l'avenir d'identifier clairement les paramètres morphologiques d'une forêt déterminants pour l'atténuation acoustique.
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Dates and versions

tel-01137915 , version 1 (31-03-2015)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01137915 , version 1

Cite

Pierre Chobeau. Modeling of sound propagation in forests using the Transmission Line Matrix method: Study of multiple scattering and ground effects related to forests. Acoustics [physics.class-ph]. Université du Maine, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01137915⟩
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