Reconstruire la directivité en champ lointain d'une source sonore à des ordres élevés à l'aide d'antennes de microphones de géométrie arbitraire - Application à la mesure de la directivité 3D de la voix humaine

La directivité d'une source sonore caractérise la dépendance angulaire du champ rayonné. Au cours des vingt dernières années, de nombreux projets de recherche se sont intéressé à la directivité de sources sonores naturelles. En particulier, la directivité de la voix humain présente des patterns spatiaux complexes dus aux particularités du visage et du corps humain. La plupart des travaux sur le sujet sont affectés par les limites suivantes. Les directivités mesurées peuvent être restreintes à des plans horizontaux ou verticaux, alors que la plupart des sources rayonnent intrinsèquement dans les trois dimensions de l'espace. On peut échantillonner la sphère de manière séquentielle, en effectuant des rotations successives de la source, ou d'un microphone ou plusieurs microphones. Cette approche est particulièrement adaptée lors de l'étude d'une source répétable tel qu'un haut-parleur, mais est limitée lors de l'étude du rayonnement des sources naturelles. Enfin, quelques travaux font état de l'utilisation d'antennes sphériques de microphones englobant la source. Cette approche demande le placement précis de microphones sur la sphère, ainsi que l'acquisition synchrone de signaux échantillonnés aux fréquences audios. En pratique, le nombre de microphones, et donc la résolution angulaire de la mesure, est donc limité. Ces dix dernières années, le système d'acquisition Megamicros a fait l'objet d'un travail de développement au sein de l'Institut Jean Le Rond d'Alembert (Sorbonne Univ., CNRS, Paris, France). Le système permet le déploiement d'antennes comprennent jusque 1024 microphones MEMS. En pratique, travailler avec un grand nombre de capteurs ne permet pas de construire des antennes parfaitement sphériques dont les positions de microphone sont précisément pré-définies. Il est donc préférable d'utiliser des méthodes indirectes qui permettent d'estimer la directivité d'une source sonore à partir de mesures faites avec une antenne de géométrie et distribution arbitraire. Dans cette thèse, une technique d'imagerie acoustique originellement développée pour l'holographie acoustique de champ proche (NAH, pour NAH en anglais) est utilisée pour reconstruire la directivité en champ lointain des sources naturelles. La méthode HELS (HELS en anglais) est basée sur l'identification des coefficients de la décomposition en ondes sphériques du champ mesuré autour de la source. L'objet principal de la thèse est de démontrer la capacité de la méthode HELS de reconstruire le champ autour de la source en utilisant des antennes de géométrie arbitraire composées d'un grand nombre de microphones. Ce manuscrit est organisé en trois parties. La première partie présente l'étalonnage acoustique (Chap. 1) et géométrique (Chap. 2) d'antennes composées de plusieurs centaines de microphones. La deuxième partie rappelle et illustre les concepts mathématiques et physiques nécessaires pour l'analyse en ondes sphériques (Chap. 3), et construit la méthode HELS à partir de ces concepts (Chap. 4). La dernière partie se concentre sur la validation pratique de la méthode HELS pour la reconstruction de la directivité des sources sonores. Des simulations numériques présentées au sein du Chap. 5 évaluent l'impact relatif des différentes sources d'incertitude dont le niveau auront été mesurées en Partie 1, et permettent de discuter des problématiques pratiques rencontrées, notamment lors du design de l'antenne et du choix d'un ordre de troncature pour la base des ondes sphériques. Enfin, Chap. 6 présente des campagnes de mesures s'intéressant au rayonnement d'une source contrôlée de référence ainsi que de la voix humain. Les résultats de ces campagnes permettent de conclure ce manuscrit.