Noise source identification: an innovative approach of the selective intensity method

Noise control research field has grown widely in the last thirty years. That has led to the development of several noise source identification techniques. Unfortunately, even though they perform very well when applied in free field conditions, they still lack of accuracy when applied in reverberant/really noisy environments. This thesis deals with a new approach of the noise source identification method named Selective Intensity (SI), appositely developed to operate in highly reverberant environments like aircraft cabins. The Selective Intensity is a vibro-acoustic correlation technique capable of locating the strongest structural sources that mostly radiate to the acoustic field. Correlation is obtained calculating vibroacoustic transfer functions got representing the physical system as a Multiple Input Multiple Output model: structural vibrations are the inputs while acoustic pressures are the outputs of that model. The evaluated FRFs let to establish a linear relation between each structural source (cause) and the corresponding acoustic pressure (effect), and that reduces the influence of extraneous noise sources that are not coherent to vibration. The Selective Intensity component is therefore the one that the microphones (outputs) would “hear” if only the corresponding source (input) would act and radiate the acoustic field, not considering the complexity of the whole sound field produced by all the sources emitting simultaneously. By mapping those contributions the main noise sources can be identified. The innovation behind the proposed approach consists in involving, for the very first time, the usage of a Scanning Laser Doppler Vibrometer (LDV) and a Sound Intensity p-p probe. The optical non-contact nature of the LDV lets to collect information with a very fine spatial resolution and not modifying the dynamic behaviour of the analyzed structure. That has two main consequences: accurately characterizing the structural sources that radiate to the sound field and locating noise sources with fine spatial resolution. For the first time a comprehensive analysis of the numerical aspects lying behind the SI is performed. The calculation of the above mentioned transfer functions requires the solution of an inverse problem. That often leads to numerical instabilities, the worse the bigger the size of the problem; the increasing of the number of structural references therefore results in calculation issues. One way of limiting these side effects is represented by numerical regularization and the usage of that approach is discussed throughout the thesis. Algorithms for the automatic selection of the regularization parameter are described, also linking the method choice to the measurement conditions. Moreover a deep sensitivity analysis is undertaken, focusing on those parameters that mostly influence the SI outcomes (e.g. sources coherence). Results from real applications of the technique are widely presented, but particular attention is given to those obtained on an Alenia Aeronautica ATR42 ground test facility. The development of a smart tool able to face the early approach of a noise control problem is an interesting task to fulfill. The possibility of further separate structural and acoustic sources contributions from data measured for the Selective Intensity calculation would therefore represent a useful goal to achieve. Based on these considerations, the exploitation of the Independent Component Analysis (ICA)technique for vibro-acoustic purposes is also handled throughout the thesis. A debate about ICA merits and limits is presented; moreover, performances of that approach in achieving source contributions reconstruction are described regarding both simulated and real test cases, those last referring to a measuring campaign at the Brüel & Kjær Sound & Vibration (DK base). Results obtained so far demonstrate the technique is worth of attention and it deserves further studies, even though it suffers of some drawbacks. The most relevant issues are nowadays linked to the available algorithms and to the lack of objective metrics to assess accuracy in source contribution reconstruction. The research activity has been carried out within the European project CREDO (Cabin noise Reduction by Experimental and numerical Design Optimization, 2006-2009) focused on the development of innovative numerical and experimental techniques, able to improve the efficiency of aircrafts and helicopters cabins vibro-acoustic design, in order to increase the on-board comfort.

Negli ultimi trent’anni il settore del controllo dell’emissione acustica dei sistemi meccanici ha acquisito un’importanza sempre maggiore e ciò ha contribuito allo sviluppo di molte tecniche di misura per la localizzazione delle sorgenti di rumore. Sfortunatamente, pur offrendo delle ottime prestazioni quando applicate in condizioni di campo libero, le tecniche fino ad oggi utilizzate manifestano un’accuratezza inferiore se applicate in ambienti fortemente riverberanti e/o caratterizzati da un elevato rumore di fondo. In questa tesi viene sviluppato un nuovo approccio della tecnica di individuazione di sorgenti di rumore chiamata Selective Intensity (SI). Nel presente lavoro si è cercato di rendere tale metodo adatto ad applicazioni in ambienti altamente riverberanti come le cabine degli aerei. La Selective Intensity è una tecnica di correlazione vibro-acustica che permette di localizzare quelle sorgenti strutturali che maggiormente influenzano il campo acustico totale emesso da un corpo vibrante. La correlazione avviene per mezzo del calcolo di funzioni di trasferimento vibro-acustiche ottenute rappresentando il sistema fisico come un modello matematico Multiple Input Multiple Output (MIMO) di cui la vibrazione costituisce l’ingresso e la pressione acustica l’uscita; si riesce così a definire una relazione lineare tra ogni sorgente strutturale (causa) e la corrispondente pressione acustica misurata (effetto), riducendo il peso del contributo acustico di quelle sorgenti esterne che non sono correlate alla vibrazione della struttura in esame. L’Intensità Selettiva che se ne ricava, output della tecnica, rappresenta quindi il contributo che ogni monopolo acustico sulla superficie del sistema in analisi fornirebbe qualora fossero idealmente spenti gli altri che, a loro volta, contribuiscono a determinare il campo acustico totale emesso: osservando la distribuzione dei vari monopoli si possono localizzare le aree a maggiore emissione. L’innovatività del lavoro proposto è costituita innanzitutto dall’utilizzo combinato di un Vibrometro Laser Doppler a Scansione e di una sonda intensimetrica. Uno strumento ottico non a contatto come il Vibrometro permette di ricavare informazioni con una notevole risoluzione spaziale e senza influenzare il comportamento dinamico della struttura osservata. Ciò porta ad un duplice beneficio, offrendo da un lato la possibilità di caratterizzare meglio le cause strutturali che contribuiscono a determinare un certo campo acustico e dall’ altro il vantaggio di poter localizzare le sorgenti di rumore con una migliore risoluzione spaziale. Per la prima volta la SI viene analizzata dal punto di vista numerico. La tecnica, infatti, implica la soluzione di un problema inverso per la determinazione delle funzioni vibro-acustiche di cui sopra e ciò può portare a notevoli instabilità numeriche. Tali instabilità, inoltre, sono tanto più marcate quanto maggiori sono le dimensioni del problema in esame; ne segue che il vantaggio fisico di avere più riferimenti di vibrazione si traduce in uno svantaggio dal punto di vista del calcolo. Una possibile soluzione, indagata in questo lavoro, consiste nel ricorrere a metodi di regolarizzazione. A tal proposito, nella tesi viene discusso l’effetto legato all’utilizzo di tali procedure; vengono inoltre presentati degli algoritmi per la scelta automatica del parametro di regolarizzazione, nonché discusse le motivazioni che portano alla selezione dell’uno rispetto ad un altro, in funzione delle condizioni in cui viene effettuata la misura. Oltre a ciò, è presente anche un’analisi relativa a quelli che sono i principali parametri a cui la tecnica risulta essere sensibile, come ad esempio il grado di coerenza tra le sorgenti in esame. Per la prima volta, infine, vengono presentati risultati ottenuti non solo da test di laboratorio, ma soprattutto da applicazioni reali della tecnica. In particolare si discutono i risultati ottenuti da una campagna di misure effettuata su un mock-up di un ATR42 dell’Alenia Aeronautica. Ulteriore obbiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare uno strumento che sia da supporto nella prima fase di indagine in un problema di controllo del rumore. In quest’ottica, la possibilità di separare i contributi strutturali e acustici delle principali sorgenti di rumore, una volta localizzate,costituisce pertanto una forte attrattiva. Si è quindi effettuato uno studio atto a comprendere la possibilità di applicare una tecnica computazionale come l’Independent Component Analysis (ICA) alle informazioni vibrazionali e acustiche misurate dalla Selective Intensity. La sezione riguardante la tecnica ICA, tecnica nata per l’individuazione di fattori nascosti da un insieme di dati, ha principalmente scopo esplorativo, l’obiettivo è infatti descriverne pregi e difetti quando la tecnica viene applicata in questo tipo di problemi ingegneristici. Nel presente lavoro vengono pertanto discusse le principali difficoltà legate all’applicazione della ICA in campo vibro-acustico; in più vengono valutate le prestazioni di tale metodo sia su dati simulati che su dati reali, questi ultimi misurati presso la sede danese della Brüel & Kjær Sound & Vibration, dove l’autore ha trascorso un periodo di studio della durata di otto mesi. I risultati ottenuti dimostrano che la tecnica merita attenzione, ma necessita di ulteriori approfondimenti, essendo ancora affetta da forti limiti. Tali limiti sono legati soprattutto agli algoritmi a tutt’oggi disponibili e all’assenza di metriche oggettive per la valutazione della sua accuratezza. Il lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto Europeo CREDO (Cabin noise Reduction by Experimental and numerical Design Optimization, 2006-2009) focalizzato sullo sviluppo di nuove tecniche numeriche e di misura per il miglioramento dell’efficienza della progettazione vibro-acustica delle cabine di aerei e di elicotteri così da aumentare il confort acustico a bordo.