Description du poste

Le travail s’inscrit dans la thématique « confort urbain » mise en avant lors du Grenelle de l’Environnement et concerne l’élaboration d’un cadre méthodologique pour la simulation du trafic routier en milieu urbain et son évaluation par l’écoute.

Les domaines d’application couvrent l’étude perceptive de la gêne sonore liés au trafic routier.

Le travail de recherche se basera sur les techniques de modélisation microscopique du trafic routier et la restitution sonore individuelle des véhicules.
Dans le contexte induit par le Grenelle de l’Environnement, la simulation numérique doit aider à comprendre, maîtriser et soutenir un développement durable à l’échelle du quartier. Or le trafic routier est un élément primordial lors de l’établissement d’un bilan global (énergie, environnement, confort), car il est situé à la source des impacts (ex : pollution), et y ajoute une dimension d’inconfort, notamment à cause de la gêne sonore occasionnée.

Le sujet de thèse proposé trouve donc une pertinence très actuelle, au cœur de la notion sensible de « quartier durable » : il devra permettre une évaluation innovante de l’impact sonore d’un trafic urbain, grâce à des techniques d’écoute directe des véhicules en déplacement. L’évaluation perceptive d’environnements sonores intérieurs et extérieurs constitue en effet un axe de recherche important au CSTB. Il a été démontré que l’analyse des phénomènes de gêne sonore ou encore l’étude des performances d’un produit peut être considérablement enrichie par une simulation sonore de l’environnement dans différentes configurations.
Les travaux de recherche dans le domaine de la psycho-acoustique ont montré la difficulté d’évaluer précisément la qualité acoustique d’un local ou bien l’efficacité d’un système de réduction de bruit à partir des seules données de niveaux sonores. Qu’elles soient issues de mesures ou encore de simulations numériques, ces données sont parfois délicates à interpréter en terme de gêne ou de confort acoustique de part la complexité des phénomènes en jeu.
Ces phénomènes incluent par exemple le masquage fréquentiel ou encore la répartition spatiale des contributions sonores au point d’écoute.

Dans ces conditions, la simulation auditive permet une évaluation par l’écoute, accessible à l’acousticien comme au non-spécialiste pour qui les valeurs en décibels des niveaux sonores par bandes de fréquences restent souvent abstraits.

Dans les deux cas, l’objectif est de disposer d’un outil de simulation et de restitution permettant une reproduction de l’environnement sonore réel la plus fidèle possible. Pour répondre à la demande croissante à la fois des industriels désirant communiquer sur les performances d’un produit ou bien des collectivités territoriales soucieuses d’évaluer l’impact de différents types d’aménagements urbains, le CSTB conduit depuis plusieurs années une action de recherche importante dans le domaine de l’acoustique virtuelle et de son couplage au trafic urbain.

L’objectif principal de ces travaux est de fournir des outils de simulation sonore basés sur les modèles physiques d’émission et de propagation acoustique. En d’autres termes, les calculs et algorithmes utilisés sont pilotés par les seuls paramètres physiques de l’environnement simulé. Ce n’est pas le cas des simulateurs utilisés dans d’autres domaines de la réalité augmentée comme les jeux vidéos : le pilotage contient quelques paramètres physiques mais également un nombre important de paramètres perceptifs qui ne sont pas nécessairement liés à la géométrie ou aux propriétés acoustiques des matériaux. L’environnement simulé n’est donc plus dans ce cas une reproduction fidèle d’un système réel.

Les travaux du CSTB en matière de simulation auditive entrent dans le cadre plus large de l’action de recherche « Simulation Numérique » (thématique « Communication et systèmes d’information ») dont l’objectif est de fournir des outils d’évaluation et de présentation d’un projet dans le contexte du bâtiment, des transports ou de l’urbain. Les domaines couverts par les outils développés incluent l’éclairage, l’acoustique, la thermique ou encore la pollution, mais également plus en amont le trafic routier, ou les mouvements de foules. En particulier, ces outils de réalité augmentée doivent permettre l’évaluation de projets à l’échelle d’une pièce, d’un bâtiment ou bien d’une ville.

Le projet de recherche EVE (Environnements Virtuels Enrichis) du CSTB a pour objectif l’intégration des divers outils de simulation au sein d’une plateforme informatique commune. Cette plateforme, utilisée notamment dans la salle immersive « Le Corbusier » du CSTB, permet d’ores et déjà la visite interactive de sites et de bâtiments combinant au rendu visuel une restitution réaliste de l’environnement sonore basée sur une modélisation simplifiée des phénomènes de propagation [1].
Une des principales causes de gêne sonore en milieu urbain demeure le bruit du trafic routier. Des études récentes ont montré que le caractère dynamique de ce type de bruit rendait l’utilisation d’indicateurs classiques de niveaux sonores peu adaptés à une description précise de la gêne sonore. En effet, les niveaux moyens de bruit n‘illustrent pas les nombreuses variations et émergences sonores liées à un trafic très faiblement stationnaire en milieu urbain. Parallèlement au développement de nouveaux indicateurs de bruit dynamique qui doivent permettre de mieux représenter la gêne sonore du trafic routier, la simulation auditive apporte un nouvel outil d’analyse basé sur l’écoute.

La recherche proposée dans le cadre de cette thèse doit permettre au CSTB de disposer de méthode et d’outils de simulation auditive capables de restituer finement la dynamique du bruit de circulation en environnement urbain. Il s’agit de pouvoir assurer le couplage entre une modélisation adaptée du trafic urbain, à l’échelle du véhicule, et le moteur de rendu sonore basé sur la technologie dite de « synthèse fine » afin de modéliser la propagation acoustique de chaque véhicule en déplacement jusqu’au point d’écoute.

Une analyse perceptive pertinente de la nuisance sonore à l’échelle d’un quartier ou d’une ville sera alors possible et permettra de comparer dynamiquement différents scenarii de trafics : changement de la nature du trafic, des vitesses des véhicules, des voies de circulation, etc. Ces travaux s’intègrent par conséquent également dans le champ transversal « Ville durable » de la stratégie de recherche du CSTB.

Concernant les modèles de trafic, des travaux préparatoires innovants ont déjà été effectués par le CSTB dans le cadre du projet OPERA [9] (trafic temps réel couplé au rendu sonore au sein de la maquette numérique de la ville de Cannes). Ils utilisent un modèle de trafic microscopique simple, dit « de poursuite », dans lequel chaque véhicule gère son propre comportement sur une seule voie, en fonction de l’environnement (obstacles et autres véhicules). Dans le cas d’un trafic stationnaire, les caractéristiques du mouvement de chaque véhicule (position, vitesse, accélération) sont ensuite envoyées sur le réseau et récupérées par un serveur exploitant l’ancien moteur Mithra pour déduire la restitution acoustique de chaque véhicule au point d’écoute (Synthèse fine [11]).

Des partenariats récemment engagés avec l’INRETS ont également abouti à l’élaboration d’un nouveau prototype, basé sur leur modèle de trafic dit « macroscopique à résolution microscopique » [10]. Ce prototype est appelé à s’interfacer avec un rendu sonore notamment dans le cadre du projet TERRA MAGNA [12].

La recherche proposée dans cette thèse doit donc couvrir la meilleure façon d’interfacer directement ou indirectement le modèle de véhicule en mouvement stationnaire et non stationnaire (accélérations, arrêts…) à son équivalent « source sonore », le tout au sein d’une représentation 3D temps réel réaliste. Concernant le rendu sonore, le CSTB a développé plusieurs modules spécifiques destinés à la simulation de l’acoustique d’un local ou d’un environnement extérieur [4-5]. Dans les deux cas, la simulation est dynamique pour l’auditeur, ce dernier pouvant se déplacer à l’intérieur de l’environnement simulé. Les caractéristiques acoustiques du modèle sont évaluées en temps réel dans certains cas comme pour l’atténuation géométrique et la spatialisation des trajets directs lorsque ces trajets existent, les sources pouvant être fixes ou mobiles. Dans le cas d’un véhicule en déplacement dans un milieu urbain, le modèle acoustique doit également intégrer les réflexions et diffractions sur les bâtiments. Ces caractéristiques fines de la réponse entre un véhicule et le point d’écoute peuvent être évaluées lors d’un pré-calcul puis stockées. Le moteur de rendu sonore doit alors accéder à ces données lors de la restitution.

Parallèlement, les méthodes géométriques de lancer de faisceaux ou rayons également développées au CSTB permettent d’estimer les contributions acoustiques entre une source et un point d’écoute [6-7]. Ces contributions ou chemins acoustiques représentent une donnée essentielle d’un moteur de rendu sonore puisqu’elle permet de restituer fidèlement l’image spatiale et temporelle d’une source, caractéristiques non disponibles directement avec d’autres techniques de simulation comme les méthodes intégrales par éléments finis. Les contributions acoustiques sont ainsi pré-calculées puis triées en fonction de leur importance perceptive afin de ne stocker que les contributions prépondérantes pour la restitution. Une thèse actuellement en cours au CSTB vise à développer des algorithmes et techniques informatiques permettant un calcul temps réel de la totalité de la réponse afin de réduire les besoins en stockage de données pré-calculées et ainsi d’augmenter les dimensions de l’environnement simulé. En effet les besoins mémoires augmentent de façon exponentielle avec le nombre de sources considérées, et plus généralement la complexité géométrique de l’environnement simulé.
Les travaux de recherche antérieurs à la fois dans le domaine des méthodes géométriques et de la restitution sonore ont récemment abouti au développement d’un outil de simulation auditive des bruits de chantier en partenariat avec Bouygues Travaux Publics. Cet outil permet en particulier la restitution sonore de sources ponctuelles, linéiques et en mouvement en intégrant l’ensemble des paramètres influant sur la propagation du son en milieu extérieur (topologie, bâtiments, écrans, type de sol, et conditions météorologiques). En particulier, l’outil permet la restitution sonore de source en déplacement à vitesse constante le long d’une trajectoire. Ces techniques de simulation doivent être ici étendues à la gestion d’un grand nombre de véhicules en déplacement à vitesse variable sur plusieurs voies de circulation, la position individuelle de chaque véhicule étant calculée à partir du modèle de trafic. Outre le facteur d’échelle qui demande une gestion intelligente des ressources mémoire et processeur, les déplacements à vitesse variable ajoutent une complexité supplémentaire en termes de traitement du signal, car le bruit source d’un véhicule est non stationnaire.

Démarche

Le travail pourrait s’articuler autour des points suivants :
- Etat de l’art des techniques permettant la restitution sonore dynamique du bruit émis par un véhicule en mouvement.
- Etude théorique du modèle d’émission sonore d’un véhicule en mouvement
- Etude d’un couplage efficace entre moteur de trafic et moteur de rendu sonore Local (DLL) et Distant (Interface réseau efficace)
- Implémentation d’un démonstrateur : a. Deux modules communicant entre eux pour réaliser une simulation d’un trafic non stationnaire avec restitution sonore en temps réel. b. Géométrie utilisée comportant un modèle de terrain numérique complexe. c. Evolution d’une carte de bruit en temps réel.
- Adaptation aux recherches en cours sur le lancer de faisceaux temps réel. Objectifs / Résultats attendus : Le travail proposé dans le cadre de cette thèse concerne le développement de méthodes et d’outils permettant la restitution visuelle, sonore et interactive de trafics routiers au sein d’un environnement complexe, typiquement urbain. Un démonstrateur sera développé pour démontrer la faisabilité de l’approche. Ce démonstrateur se compose de deux modules communicant ensemble, soit en local par librairies dynamiques, soit en distant par un protocole réseau, soit idéalement via les deux méthodes.
- Le module de trafic est alimenté par les caractéristiques du trafic sur les voies de circulation : réseaux routiers, débits, etc. Il permet essentiellement le calcul de la position individuelle des véhicules au cours du temps.
- Le module acoustique est alimenté par les données de modélisation acoustique du site. Il utilise le noyau de calcul de la propagation acoustique entre les sources et le point d’écoute. Ces deux modules pourront être modifiés selon l’évolution et les besoins de la recherche. Le démonstrateur sera autonome et permettra le simulation auditive temps réel d’un trafic de véhicules mobiles. Une interface simplifiée permettra le contrôle dynamique de la position de l’auditeur en mode subjectif ou non, et des sources dans un environnement 3D donné (typiquement une géométrie urbaine). A terme, les développements acoustiques pourront être intégrés aux logiciels existants sous la forme de modules de rendu sonore dynamiques (DLL ou application serveur autonome). Les développements concernant le trafic pourront également influencer et améliorer la chaîne existante entre les bibliothèques INRETS [10] et la simulation CSTB [8]. Les développements informatiques effectués devront s’appuyer sur une compréhension fine des phénomènes physiques modélisés afin d’optimiser les ressources utilisées. Par conséquent, le travail demandé ne se limite pas à l’implémentation informatique de modèles et de techniques existantes.

La recherche s’effectuera en relation avec deux départements du CSTB au sein d’une équipe projet pluridisciplinaire :
- Côté DAE (site de Grenoble) : spécialistes de la modélisation physique des phénomènes de propagation acoustique, des spécialistes des méthodes géométriques de lancers de rayons / faisceaux, des spécialistes d’outils de navigation hiérarchique et des spécialistes de la restitution audio 3D.
- Côté TIDS (site de Sophia-Antipolis) : spécialistes de la maquette numérique et de son implantation au sein d’environnements virtuels (équipe EVE). Utilisation du grand équipement « Salle Immersive Le Corbusier » [1] situé sur place et permettant la restitution immersive visuelle et sonore de ces environnements. Lieu : GRENOBLE