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SYSTEME ET MÉTHODE ACOUSTIQUE D'ÉVALUATION RAPIDE
D'OBSTRUCTIONS DE TUYAUX
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] Le domaine technique de l'invention est relatif à un système et à une
méthode
pour détecter des obstructions dans des tuyaux. Plus spécifiquement,
l'invention décrit
un système pour émettre et recevoir des ondes acoustiques permettant de
déterminer la
position, la quantité et l'ampleur des obstructions dans des tuyaux, tels des
drains de
barrages hydroélectriques.
ÉTAT DE L'ART
[0002] Les tuyaux remplis d'air, de gaz ou de liquide peuvent avec le temps se
boucher
à cause de dépôts, tels que des dépôts calcites. Par exemple, les structures
de barrages
hydroélectriques peuvent comprendre des drains pour assurer le drainage des
barrages.
Pour un bon fonctionnement, ces tuyaux ou drains doivent être nettoyés
régulièrement.
Il est donc nécessaire de déterminer l'emplacement et le degré des
obstructions le long
des drains. La méthode couramment utilisée consiste à inspecter le drain à
l'aide d'une
caméra, d'analyser ensuite les images et enfin déterminer les obstructions le
long du
drain. Cette méthode est toutefois fastidieuse et longue.
[0003] Il existe un besoin pour une méthode plus rapide qui permet d'obtenir
des résultats
similaires à ceux obtenus par l'inspection à l'aide de caméras, à savoir la
détection du
nombre d'obstructions, de leurs positions respectives et de l'ampleur des
obstructions
dans les tuyaux.
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
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SOMMAIRE
[0004] Selon un premier aspect, une méthode pour localiser et quantifier des
obstructions
dans un tuyau est décrite. La méthode comprend émettre à une extrémité du
tuyau, au
moyen d'un haut-parleur, un signal émis comprenant un train d'ondes, les ondes
étant
acoustiques; capter à la même extrémité du tuyau, au moyen d'un microphone, un
signal
réfléchi, résultant de la réflexion du train d'ondes sur les obstructions dans
le tuyau;
déterminer une position de chacune des obstructions selon un délai mesuré
entre un train
d'ondes du signal émis et le train d'ondes du signal réfléchi capté par le
microphone.
La méthode comprend aussi de déterminer, pour l'obstruction la plus en amont,
son degré
d'obstruction en réalisant les étapes de:
a) extrapoler une énergie du signal émis et une énergie du signal réfléchi à
la position de
l'obstruction;
b) calculer un coefficient de réflexion CD = Er/Ei, 0Ü E correspond à
l'énergie du signal
émis extrapolée et Er correspond à l'énergie du signal réfléchi extrapolée;
c) calculer un rapport a/A entre une section bloquée (a) et une section totale
(A) du tuyau,
le rapport a/A étant déterminé par une fonction du coefficient de réflexion
CD.
Enfin, la méthode comprend de déterminer, pour des obstructions subséquentes,
leur
degré d'obstruction respectif en répétant les étapes a) à c) pour chacune
d'elles et en
remplaçant l'énergie du signal émis extrapolée El par une énergie transmise Et
une fois
l'obstruction en amont passée.
[0005] Selon une réalisation possible, l'étape d'émettre le signal émis
comprend une
étape de former le train d'ondes avec un nombre n de cycles, où n 3.
[0006] Selon une réalisation possible, la méthode comprend une étape de
déterminer un
nombre d'obstructions rapprochées m en évaluant, à partir du signal réfléchi,
un nombre
de cycles chevauchés nt supérieur au nombre de cycles émis n dans le train
d'ondes, tel
que m est un nombre entier arrondi supérieur du rapport nt / n.
Date Reçue/Date Received 2023-06-30
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[0007] Selon une réalisation possible, le train d'ondes est un premier train
d'ondes émis
à une première fréquence, cette première fréquence correspondant à une
première
longueur d'onde de 3 fois le diamètre du tuyau.
[0008] Selon une réalisation possible, le signal émis comprend un deuxième
train d'ondes
émis à une deuxième fréquence correspondant à une deuxième longueur d'onde de
10
fois le diamètre du tuyau, le premier et le deuxième train d'ondes permettant
de détecter
des obstructions de différents types. La méthode comprend aussi une étape de
corroborer la position des obstructions et leur degré d'obstruction entre les
résultats
obtenus avec les premier et deuxième trains d'ondes.
[0009] Selon une réalisation possible, le signal réfléchi comprend un premier
signal
réfléchi par les obstructions du tuyau, en aval du microphone, et un deuxième
signal
réfléchi par le haut-parleur, en amont du microphone, la méthode comprenant
une étape
d'éliminer le deuxième signal réfléchi en émettant au moyen du haut-parleur,
un train
d'ondes égal mais en opposition de phase par rapport au deuxième signal
réfléchi par le
haut-parleur.
[0010] Selon une réalisation possible, la fonction qui détermine le rapport
a/A par rapport
au coefficient de réflexion CD est donnée par a/A = Pi x CD + P2, Pi étant une
première
constante comprise entre 0.1 et 2 et P2 étant une deuxième constante comprise
entre -1
et 1, selon la fréquence utilisée.
[0011] Selon une réalisation possible, Pi est égal à 1 et P2 est égal à 0.
[0012] Selon une réalisation possible, l'énergie transmise Et correspond à
l'énergie du
signal émis extrapolée Ei multipliée par [1- Cpctrans], où Ctrans est un
coefficient de
transmissibilité dont la valeur est comprise entre 1 et 6, selon un élément
détecté.
[0013] Selon une réalisation possible, la valeur de n ¨trans est égale à 2.55
quand l'élément
détecté est une obstruction distincte.
[0014] Selon une réalisation possible, la valeur de n ¨trans est égale à 1
quand l'élément
détecté est une obstruction rapprochée.
Date Reçue/Date Received 2023-06-30
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[0015] Selon une réalisation possible, la valeur de r ¨trans est égale à 6
quand l'élément
détecté est une cavité.
[0016] Selon une réalisation possible, l'étape d'extrapoler comprend une étape
d'appliquer un facteur d'atténuation sur les signaux émis et réfléchis, en
fonction de la
distance d'une obstruction donnée par rapport à l'extrémité du tuyau.
[0017] Selon une réalisation possible, la méthode comprend une étape de
simuler un
blocage complet du tuyau à une distance prédéterminée de l'extrémité du tuyau,
pour
déterminer le facteur d'atténuation à appliquer à l'étape d'extrapoler une
énergie du signal
émis et une énergie du signal réfléchi à la position des obstructions
[0018] Selon une réalisation possible, la méthode comprend une étape de
détecter une
cavité dans le tuyau en identifiant, dans le signal réfléchi, un train d'ondes
en opposition
de phase par rapport au train d'ondes du signal émis.
[0019] Selon une réalisation possible, la méthode comprend une étape
d'identifier un
coude dans le tuyau lorsque le microphone capte le signal réfléchi du premier
train
d'ondes mais ne capte pas de signal réfléchi du deuxième train d'onde.
[0020] Selon un second aspect, un système portatif pour localiser et
quantifier des
obstructions dans un tuyau est décrit. Le système comprend un haut-parleur,
configuré
pour émettre à une extrémité du tuyau un signal émis comprenant un train
d'ondes, les
ondes étant acoustiques; un microphone, configuré pour capter à la même
extrémité du
tuyau un signal réfléchi, résultant de la réflexion du train d'ondes sur les
obstructions dans
le tuyau; un processeur et une mémoire en communication avec le processeur, le
processeur et la mémoire étant opérationnellement connectés au microphone et
au haut-
parleur.
La mémoire comprend des instructions exécutables par le processeur pour
déterminer
une position de chacune des obstructions selon un délai mesuré entre le train
d'ondes du
signal émis et un train d'ondes du signal réfléchi capté par le microphone; et
déterminer,
pour l'obstruction la plus en amont, son degré d'obstruction en réalisant les
étapes de:
Date Reçue/Date Received 2023-06-30
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a) extrapoler une énergie du signal émis et une énergie du signal réfléchi à
la position de
l'obstruction;
b) calculer un coefficient de réflexion CD = Er/Ei, CR) Ei correspond à
l'énergie du signal
émis extrapolée et Er correspond à l'énergie du signal réfléchi extrapolée; et
c) calculer un rapport a/A entre une section bloquée (a) et une section totale
(A) du tuyau,
le rapport a/A étant déterminé par une fonction du coefficient de réflexion
CD.
Le processeur est aussi apte à déterminer, pour des obstructions subséquentes,
leur
degré d'obstruction respectif en répétant les étapes a) à c) pour chacune
d'elles et en
remplaçant l'énergie du signal émis extrapolée Ei par une énergie transmise Et
une fois
l'obstruction en amont passée.
[0021] Selon une réalisation possible, le haut-parleur et le microphone sont
disposés
dans un logement, et dans lequel le processeur et la mémoire sont déportés du
logement.
[0022] Selon une réalisation possible, le logement est positionné à
l'extrémité du tuyau,
le haut-parleur et le microphone étant alignés sur un axe central du tuyau.
[0023] Selon une réalisation possible, le haut-parleur est situé à une
distance comprise
entre 2cm et 4cm en amont du microphone par rapport à l'extrémité du tuyau.
[0024] Selon une réalisation possible, le signal émis est formé du train
d'ondes avec un
nombre n de cycles, où n 3.
[0025] Selon une réalisation possible, le processeur est apte à déterminer un
nombre
d'obstructions rapprochées m en évaluant, à partir du signal réfléchi, un
nombre de cycles
chevauchés nt supérieur au nombre de cycles émis n dans le train d'ondes, tel
que m est
un nombre entier arrondi supérieur du rapport (nt / n).
[0026] Selon une réalisation possible, le train d'ondes est un premier train
d'ondes émis
à une première fréquence, la première fréquence correspondant
approximativement à
une première longueur d'onde de 3 fois le diamètre du tuyau.
Date Reçue/Date Received 2023-06-30
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[0027] Selon une réalisation possible, le signal émis comprend un deuxième
train d'ondes
à une deuxième fréquence correspondant approximativement à une deuxième
longueur
d'onde de 10 fois le diamètre du tuyau, le premier et le second train d'ondes
permettant
de détecter des obstructions de différents types; le processeur étant apte à
corroborer la
position des obstructions et leur degré d'obstruction entre les résultats
obtenus avec les
premier et deuxième trains d'ondes.
[0028] Selon une réalisation possible, le signal réfléchi comprend un premier
signal
réfléchi par les obstructions du tuyau, en aval du microphone, et un deuxième
signal
réfléchi par le haut-parleur, en amont du microphone, le processeur étant apte
à éliminer
le deuxième signal réfléchi en contrôlant le haut-parleur pour émettre un
train d'ondes
égal mais en opposition de phase par rapport au deuxième signal réfléchi par
le haut-
parleur.
[0029] Selon une réalisation possible, la fonction qui détermine le rapport
a/A par rapport
au coefficient de réflexion CD est donnée par a/A = Pi x CD + P2, P1 étant une
première
constante comprise entre 0.1 et 2 et P2 étant une deuxième constante comprise
entre -1
et 1, selon la fréquence utilisée.
[0030] Selon une réalisation possible, Pi est égal à 1 et P2 est égal à 0.
[0031] Selon une réalisation possible, l'énergie transmise Et correspond à
l'énergie du
signal émis extrapolée Ei multipliée par [1- Cpctrans], où Ctrans est un
coefficient de
transmissibilité dont la valeur est comprise entre 1 et 6, selon un élément
détecté.
[0032] Selon une réalisation possible, la valeur de Ctrans est égale à 2.55
quand l'élément
détecté est une obstruction distincte.
[0033] Selon une réalisation possible, la valeur de Ctrans est égale à 1 quand
l'élément
détecté est une obstruction rapprochée.
[0034] Selon une réalisation possible, la valeur de r ¨trans est égale à 6
quand l'élément
détecté est une cavité.
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
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[0035] Selon une réalisation possible, l'étape d'extrapoler comprend une étape
d'appliquer un facteur d'atténuation sur les signaux émis et réfléchis, en
fonction de la
distance par rapport à l'extrémité du tuyau.
[0036] D'autres objets, avantages, aspects et caractéristiques de l'invention
deviendront
plus clairs et seront mieux compris au vu de la description non limitative de
l'invention, et
grâce aux figures présentes dans la demande.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
[0037] Une description détaillée de l'invention sera donnée ci-après en
référence avec les
dessins suivants :
La FIG. 1 est une coupe transversale du système portatif pour localiser et
quantifier des
obstructions dans un tuyau, comprenant un haut-parleur et un microphone, selon
un
mode de réalisation.
La FIG. 2 est une vue schématique du système de la figure 1, connecté à un
ordinateur
via une carte d'acquisition du signal et un amplificateur audio, et positionné
à une
extrémité proximale du tuyau, selon un mode de réalisation.
La FIG. 3 est une photographie du système illustré à la figure 2, le système
étant
positionné à côté du tuyau, le tuyau étant un drain de barrage, selon un mode
de
réalisation.
La FIG.4A est une représentation schématique de la propagation des ondes dans
le
tuyau présentant une obstruction, et la FIG.4B est un graphique représentant
la mesure
des ondes captées par le système, dans un mode de réalisation.
La FIG. 5 est une représentation schématique de la propagation des ondes dans
le
tuyau présentant une obstruction complète, à des fins de calibration, selon un
mode de
réalisation.
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La FIG. 6 est un graphique montrant une atténuation possible du phénomène de
réflexion des ondes sur le système portatif, dans un mode de réalisation.
La FIG. 7 est une représentation schématique du phénomène d'enchaînement
d'ondes
acoustiques sur des obstructions rapprochées dans le tuyau, selon un mode de
réalisation.
La FIG. 8 est une représentation schématique de la propagation des ondes dans
le
tuyau présentant deux obstructions partielles distinctes, ainsi qu'un
graphique
représentant la mesure des ondes captées par le système portatif, selon un
mode de
réalisation.
La FIG. 9 est une représentation schématique de la propagation des ondes dans
le
tuyau présentant une cavité, ainsi qu'un graphique représentant la mesure des
ondes
captées par le système portatif, selon un mode de réalisation.
La FIG. 10 est une représentation schématique de la propagation des ondes dans
le
tuyau présentant un coude, ainsi qu'un graphique représentant la mesure des
ondes
captées par le système portatif, selon un mode de réalisation.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0038] Dans la description et les figures qui suivent, les mêmes numéros de
référence
réfèrent à des éléments similaires de l'invention. De plus, pour ne pas
encombrer
indûment les figures, il est possible qu'une figure ne contienne pas tous les
numéros de
référence des éléments qui s'y trouvent. Ainsi, il est aussi possible que
certains éléments
ou composantes ne soient référencés que dans une seule figure. Les éléments
ainsi
référencés peuvent être facilement inférés dans les autres figures présentées.
Les
réalisations, configurations géométriques, matériaux et/ou dimensions
présentés dans
les figures ou décrits dans la présente divulgation ne sont qu'indicatifs, et
montrent des
réalisations possibles, présentées à titre d'exemples, et ne devraient pas
être interprétés
comme des limitations de l'invention.
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
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[0039] En se référant à la figure 1, un système portatif 10 pour localiser et
quantifier des
obstructions dans un tuyau est montré. Le système portatif 10 peut être adapté
pour
différents types de tuyaux, remplis d'un milieu homogène, comme de l'air ou de
l'eau.
Dans les modes de réalisations présentés ci-dessous, le système portatif est
particulièrement adapté pour localiser et quantifier le degré d'obstruction
dans des drains
de béton, pour drainer l'eau des barrages hydroélectriques. Au moment de
l'inspection
des drains par le présent système, l'eau a été évacuée par les drains, et les
drains
comprennent de l'air. Les obstructions, quant à elles, comprennent des amas de
calcaire
s'attachant à la paroi interne des drains.
[0040] Le système 10 comprend un moyen pour émettre des signaux, tel un haut-
parleur
100 et un moyen pour capter des signaux, tel un microphone 110. Le haut-
parleur 100
est configuré pour émettre un signal émis comprenant un train d'ondes, les
ondes étant
de type acoustique. Le haut-parleur utilisé peut être un haut-parleur
miniature, résistant
aux utilisations extérieures grâce à des propriétés de protection contre
l'humidité. Il peut
également être utilisé dans une gamme de températures extérieures, par exemple
entre
-40 C et +80 C. Selon un mode de réalisation possible, le haut-parleur est
dimensionné
de sorte que son cône ou que le pourtour de sa membrane soit égal ou plus
petit de que
le diamètre du tuyau à inspecter.
[0041] Le microphone 110 est configuré pour capter un signal réfléchi,
résultant de la
réflexion du train d'ondes émis par le haut-parleur sur les obstructions dans
le tuyau. Le
microphone utilisé peut être du type microphone de mesure pré-polarisé faible
bruit. Dans
certains cas, le microphone peut contenir un préamplificateur intégré. Le
microphone est
également préférablement dimensionné de façon à pouvoir être inséré, en tout
ou en
partie, à l'extrémité du tuyau où se trouve le haut-parleur.
[0042] La figure 2 illustre la connexion opérationnelle entre le haut-parleur
100, le
microphone 110, et un ordinateur 130. L'ordinateur 130 est composé au moins
d'un
processeur et d'une mémoire, la mémoire comprenant des instructions
exécutables par
le processeur. L'ordinateur 130, au travers d'une carte audio de l'ordinateur,
peut générer
le signal émis. Une application logicielle, par exemple de type Labview , peut
être utilisée
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pour générer le signal émis comprenant un train d'ondes acoustiques planes de
n cycles
à une fréquence donnée. Le signal émis par la carte audio de l'ordinateur peut
ensuite
être transmis à un amplificateur audio 136 afin d'être amplifié. Une fois
amplifié, le signal
émis est alors propagé au travers du haut-parleur 100. Le système portatif 10,
positionné
à une extrémité proximale 200 du tuyau 20, permet ainsi de propager le signal
émis dans
le tuyau. Le signal émis se propageant dans le tuyau est en partie réfléchi et
en partie
transmis lorsqu'il rencontre une section partiellement obstruée. Un signal
réfléchi revient
des obstructions à différentes distances et est enregistré par le microphone
110 avec un
retard ou délai respectif, associé à chacune des obstructions. Le signal
réfléchi est
identifié par une impulsion acoustique composée d'un train d'ondes. Le signal
réfléchi
mesuré par le microphone 110 est ensuite transmis à une carte d'acquisition du
signal
138, pour enfin être transmis à l'ordinateur 130. L'ordinateur peut héberger
un logiciel
d'acquisition de type SimCenter TestLab afin d'analyser les signaux émis et
réfléchis.
[0043] Le signal émis ainsi que le signal réfléchi sont numérisés par le
logiciel
d'acquisition. Les signaux sont enregistrés à une fréquence d'échantillonnage,
par
exemple de 51,2kHz. Les données peuvent être enregistrées et conservées dans
la
mémoire de l'ordinateur 130 pour l'analyse. Selon un mode de réalisation
possible, les
signaux analysés peuvent correspondre au résultat d'un nombre donné de
moyennes
temporelles, par exemple 5 moyennes temporelles, synchronisées à partir du
signal émis
via la carte audio. La moyenne temporelle a pour but de débruiter le signal
mesuré par le
microphone.
[0044] Dans un mode de réalisation, le haut-parleur 100 et le microphone 110
peuvent
être insérés dans un logement 112. Ce logement 112 peut être en PVC,
caoutchouc,
plastique, ou n'importe quel matériau relativement rigide. Le logement permet
de
maintenir le haut-parleur 100 et le microphone 110 dans une position alignée,
à une
distance donnée l'un par rapport à l'autre. Dans un mode de réalisation
possible, la
distance entre le haut-parleur et le microphone est entre 1 et 10 cm, et
préférablement
d'environ 3 cm. Dans un mode de réalisation, le logement peut être composé
d'un tube
122 en PVC d'environ 5cm de diamètre et 30 cm de longueur, et d'un adaptateur
124 en
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caoutchouc, fixé au tube 122, l'adaptateur 124 ayant un diamètre élargi par
rapport au
tube 122, afin de s'adapter exactement au diamètre du tuyau 20. Le tube 122
permet une
meilleure manipulation et prise en main du système portatif 10. Lors de son
utilisation, le
système portatif 10 est positionné à une extrémité proximale 200 du tuyau 20,
de telle
sorte que le haut-parleur 100 et le microphone 110 soient alignés
respectivement avec
l'axe central 210 du tuyau. La configuration du logement est donnée à titre
indicatif
seulement, et d'autres configurations sont possibles. Le logement peut
permettre
d'augmenter la portabilité du système, de sorte que le système puisse être
installé et
désinstallé facilement et rapidement à l'extrémité proximale du tuyau à
inspecter.
[0045] La figure 3 montre le logement 120 du système 10 ainsi que des câbles
de
connexions permettant la connexion opérationnelle entre le microphone, le haut-
parleur
et l'ordinateur, le logement 120 étant positionné à côté de l'extrémité
proximale 200 du
tuyau 20 à analyser. Dans ce mode de réalisation, le tuyau à analyser est une
bouche de
drain en crête de barrage, dont les parois sont faites de béton.
[0046] Les figures 4A à 10 illustrent plus en détail la méthode pour localiser
et quantifier
des obstructions dans un tuyau rempli d'un médium ou milieu homogène, tel un
drain de
barrage, avec le système portatif 10. Par milieu homogène on entend un
milieu dont
les caractéristiques de propagation des ondes acoustiques ont sensiblement les
mêmes
propriétés en tout point. Par exemple, un tuyau rempli d'eau, d'air, de gaz ou
de tout autre
liquide oléominéral sera considéré comme un milieu homogène. Bien que le
principe
théorique de la méthode décrite ci-dessous soit similaire dans n'importe quel
milieu
homogène, le mode de réalisation décrit ci-dessous et les valeurs des
constantes
déterminées correspondent au milieu homogène de l'air, et le tuyau est un
drain de
barrage hydroélectrique, en béton ou en PVC, ayant un diamètre compris
préférablement
entre 5 et 20 cm, et généralement autour de 10 cm.
[0047] La méthode consiste à émettre un signal acoustique comprenant au moins
un
nombre de cycles n à une fréquence f La fréquence test déterminée par le
rapport d'une
vitesse de propagation Vde l'onde dans le milieu homogène déterminé par une
longueur
d'onde A du signal.
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y
f =
Dans le mode de réalisation illustré, le milieu homogène dans lequel le signal
se propage
est l'air, pour lequel la vitesse de propagation V de l'onde est égale à 340
m/s. La
longueur d'onde X est déterminée par rapport au diamètre d du tuyau. Afin
d'assurer que
l'onde qui se propage à l'intérieur du tuyau soit relativement plane, i.e.,
une onde dont les
fronts d'onde sont relativement perpendiculaires à une direction de
propagation de l'onde,
sa longueur d'onde X doit être au moins 2 fois supérieure au diamètre d du
tuyau.
[0048] Afin d'appliquer les modèles développés pour la prédiction du degré
d'obstruction,
deux fréquences fi et t2 ont été sélectionnées. Considérant par exemple un
tuyau de 10
cm de diamètre (d = 10cm), une première longueur d'onde XI d'environ 2 à 4
fois le
diamètre, et préférablement 3 fois le diamètre du tuyau (XI = 3d= 30 cm) et
une deuxième
longueur d'onde X2 d'environ 8 à 12 fois le diamètre, et préférablement 10
fois le diamètre
du tuyau (A2 = 10d = 100 cm = 1 m) peuvent être sélectionnées. Dans ce cas,
les
fréquences correspondantes fi et f2 sont calculées telles que:
f 1 = 21L= 30.3 = 1100Hz et
V 340
f 2 = = ¨1 = 340Hz
[0049] La valeur de la première longueur d'onde XI, correspondant à environ 3
fois le
diamètre du tuyau, permet plus de résolution spatiale des obstructions,
notamment dans
le cas de tuyaux lisses tels que des tuyaux en PVC. Par résolution spatiale,
on entend
que la localisation et la distinction des différentes obstructions est
meilleure qu'avec
d'autres longueurs d'onde. En outre, la valeur de X/ permet d'identifier une
succession
d'obstructions rapprochées jusqu'à une distance critique dcr de dõ-11.2/1 .
[0050] La valeur de la seconde longueur d'onde A2, correspondant à environ 10
fois le
diamètre du tuyau, se révèle plus performante dans le cas de tuyaux à parois
rugueuses,
fissurées ou irrégulières et dans le cas où l'énergie dissipée à travers la
paroi est plus
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importante, telle que des parois en béton. La valeur de la seconde longueur
d'onde X2
permet aussi de détecter certaines déformations dans le tuyau, telles qu'un
coude ou une
cavité.
[0051] Ainsi, selon un mode de réalisation, le signal émis par le haut-parleur
100
comprend au moins un premier train d'ondes à une première fréquence fi. Comme
expliqué ci-dessus, cette fréquence fi peut être comprise entre 850 et 1700
Hz, et
préférablement correspondre à environ 1100Hz, lors que le tuyau à inspecter a
un
diamètre d'environ 10cm et comprend de l'air. Dans un mode de réalisation
possible, le
signal émis par le haut-parleur 100 comprend un deuxième train d'ondes à une
deuxième
fréquence f2. Cette fréquence f2 peut être comprise entre 283 et 425 Hz, et
préférablement correspondre à environ 340Hz, pour le tuyau décrit ci-dessus.
Le signal
émis comprenant les deux trains d'ondes aux fréquences fi et f2 sera réfléchis
par les
différentes obstructions encrassant le tuyau, résultants en des premier et
deuxième
signaux réfléchis, enregistrés par le microphone 110. Ces premier et deuxième
signaux
réfléchis peuvent ensuite être corroborés, par exemple en les comparant, afin
de
confirmer la position des obstructions et leur degré d'obstruction. Par degré
d'obstruction,
on entend le rapport des sections obstruée vs section totale du drain. Par
exemple, il peut
s'agir, selon une coupe transversale du drain à une distance x de l'extrémité
proximale,
du ratio de l'aire occupée par un amas de calcaire sur l'aire totale du drain.
Il a été mis
en évidence que l'utilisation de deux trains d'ondes à deux fréquences
différentes
permettait de mieux détecter l'ensemble des irrégularités du tuyau,
comparativement à
lorsqu'un train d'ondes d'une seule fréquence est utilisé. En effet, l'une ou
l'autre des
deux fréquences peut être plus ou moins sensible à la composition des parois
du tuyau,
à la répartition spatiale des obstructions, ou à la présence de coudes dans le
tuyau. Dans
d'autres modes de réalisation, il est possible d'utiliser un signal comprenant
plus de deux
trains d'ondes, à des fréquences différentes des deux fréquences sélectionnées
ci-
dessus. Pour la détection d'obstructions calcaires dans des drains de
barrages,
l'émission de deux trains d'ondes à des longueurs d'onde d'environ 3 et 10
fois le
diamètre du drain, s'est avérée avantageuse pour localiser et déterminer le
degré des
obstructions calcaires avec plus de précision que lorsqu'une seule longueur
d'ondes est
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utilisée, sans augmenter significativement la complexité du système ou le
temps
d'analyse.
[0052] Le nombre de cycles n de chaque train d'ondes émis peut être déterminé
comme
étant un compromis entre 0 un nombre suffisant de crêtes pour tenir compte de
l'atténuation de la première et dernière crête par le temps de réaction du
haut-parleur, et
ii) un nombre limité de cycles pour optimiser la détection des obstructions
rapprochées
dont la distance critique minimale dcr pour identifier deux obstructions
consécutives est
d,. -11.2
donnée par 2
. Dans le mode de réalisation décrit, la valeur optimisée du nombre
de cycles n est égale ou supérieure à 3.
[0053] II est à noter que les valeurs sélectionnées pour d, XI, A2 et n sont
des exemples
donnés à titre indicatif seulement, et d'autres valeurs peuvent être
sélectionnées, selon
les applications pour lesquelles le système doit être utilisé.
[0054] Dans le mode de réalisation représenté aux figures 4A et 4B, la méthode
comprend une première étape d'émettre à une première extrémité (ou extrémité
proximale) 200 du tuyau 20, au moyen du haut-parleur 100, un signal émis 102
comprenant un train d'ondes acoustiques à la première fréquence fi. A la même
extrémité proximale 200 du tuyau 20, le microphone 110 capte un signal
réfléchi 112,
résultant de la réflexion du train d'ondes sur l'obstruction 220 dans le
tuyau. La position
x de la première obstruction, à partir de l'extrémité proximale du tuyau (ou
de la position
du microphone), est déterminée selon un délai mesuré O entre le train d'ondes
du signal
émis 102 et le train d'ondes du signal réfléchi 112 capté par le microphone.
Afin de
considérer l'aller-retour de l'onde selon la distance x parcourue, x est
déterminé par:
V * 6
x E ¨
2
[0055] Afin de déterminer un degré d'obstruction de la première obstruction
220
rencontrée par le signal émis (obstruction la plus en amont ou la plus proche
de
l'extrémité proximale du tuyau 200), l'énergie des signaux émis et réfléchi
doit être
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extrapolée. L'énergie Ey du train d'ondes acoustique d'un signal est
déterminée par le
produit d'une amplitude efficace du train d'ondes acoustique sur n cycles en
Pascals ARMS
et de la durée de l'impulsion T en secondes :
Ey = ARms * T
[0056] L'indice y désigne le signal qui est mesuré. En référence à la figure
4A:
Eo est l'énergie mesurée du signal émis à l'extrémité proximale du tuyau 200,
Er0 est l'énergie mesurée du signal réfléchi par l'obstruction à l'extrémité
proximale du
tuyau 200.
[0057] La valeur de cette énergie peut aussi être extrapolée au seuil de
l'obstruction 220:
Ei est l'énergie extrapolée du signal émis au seuil de l'obstruction 220,
E est l'énergie extrapolée du signal réfléchi par l'obstruction au seuil de
l'obstruction 220,
Et est l'énergie extrapolée du signal transmis au travers de l'obstruction
220, dans le cas
d'une obstruction partielle.
[0058] L'énergie extrapolée au seuil de l'obstruction peut être évaluée en
simulant
l'atténuation a de l'onde au fur et à mesure que l'impulsion acoustique se
propage le long
du tuyau. L'atténuation a est générée par la friction, l'amortissement et les
fuites à travers
les parois du tuyau 20. Le calcul est basé sur le principe que l'énergie
dissipée eF est
proportionnelle à l'amplitude de son énergie E par le coefficient
d'atténuation a.
Ainsi, l'énergie du signal à une distance x de l'extrémité proximale du tuyau
E(x) est
donnée par:
E(x) = E0 * e-ax
[0059] Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, afin de déterminer
le coefficient
d'atténuation a, une calibration peut être effectuée. Cette calibration peut
être réalisée
sur un tuyau de calibration 20' ayant des propriétés similaires (rugosité des
parois,
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diamètre, matériau) au tuyau à analyser, et ne doit pas contenir d'obstruction
majeure.
Le tuyau de calibration comporte une extrémité distale 205, à l'opposé de
l'extrémité
proximale 200. Pour la calibration, cette extrémité distale 205 doit être
complètement
bouchée. Le bouchon de l'extrémité distale 205 peut être réalisé à l'aide d'un
réceptacle
situé à la fin du tuyau ou de tout autre moyen pour forcer la réflexion totale
du signal émis.
Par conséquent, il est raisonnable d'assumer une réflexion totale à
l'extrémité distale 205
et de considérer un coefficient de réflexion CD égal à un (CD = 1).
L'atténuation mesurée
entre le signal émis 102 et le signal réfléchi 112 est constituée
principalement par
l'atténuation a de l'onde par les parois du tuyau 20 lors de son aller-retour.
Une fois ce
coefficient d'atténuation a déterminé, il pourra être utilisé dans toutes les
mesures
effectuées dans des tuyaux de caractéristiques similaires, et à une fréquence
similaire à
la fréquence utilisée lors de la calibration.
[0060] Dans un mode de réalisation, la calibration du coefficient
d'atténuation a a donné
les valeurs suivantes :
Matériau Diamètre Fréquence Atténuation
(cm) (Hz)
PVC 7.6 1100 0.026
PVC 7.6 340 0.016
Fibro-ciment 10 1100 0.033
Fibro-ciment 10 340 0.037
[0061] De retour aux figures 4A et 4B, dans le cas où une obstruction n'est
que partielle,
comme l'obstruction 220, un coefficient de réflexion CD et un coefficient de
transmission
Cr peuvent être formulés pour l'onde acoustique se propageant à travers des
obstructions.
[0062] Le coefficient de réflexion CD peut être calculé en effectuant le
rapport de l'énergie
extrapolée du signal réfléchi par l'obstruction au seuil de l'obstruction Er
sur l'énergie
extrapolée du signal émis au seuil de l'obstruction El:
,, Er
L 'D ¨ E
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[0063] Le coefficient de transmission Cr peut être calculé en effectuant le
rapport de
l'énergie extrapolée du signal transmis au travers de l'obstruction Et sur
l'énergie
extrapolée du signal émis au seuil de l'obstruction El:
E
[0064] Ce coefficient de transmission CT permet d'extrapoler les ondes
incidentes et
réfléchies à l'obstruction suivante. La formule suivante peut être utilisée
pour déterminer
Cr en fonction de CD:
Cr = (1
Où Ctrans est un coefficient de transmissibilité obtenu par un algorithme de
convergence
basé sur des données des essais réalisés en laboratoire (calibration). La
valeur de Ctrans
est comprise entre 1 et 6, selon le type d'élément détecté. Par élément
détecté, on entend
un élément parmi des obstructions rapprochées, des obstructions distinctes, un
coude
dans le tuyau, ou encore une cavité ou un élargissement et/ou un
rétrécissement de la
section du tuyau.
[0065] Ce coefficient de transmissibilité Ctrans est déterminé par une
calibration réalisée
lors de différents tests en laboratoire, avec des obstructions positionnées à
des distances
connues, sur un tuyau de calibration ayant des propriétés similaires (rugosité
des parois,
diamètre, matériau) à celles du tuyau à analyser. Les différentes valeurs de
Cfrans seront
détaillées dans la suite de la description.
[0066] Ainsi, lorsqu'une obstruction a été identifiée, c'est à dire que sa
position a été
déterminée par le délai mesuré entre le train d'ondes du signal émis et le
train d'ondes
du signal réfléchi, son degré d'obstruction peut être déterminé. Ce degré
d'obstruction
peut être identifié par un rapport a/A, où a représente la surface obstruée et
A représente
la surface totale de la section transversale du tuyau. Ce degré d'obstruction
est donc un
nombre compris entre 0 et 1, où 0 représente une absence d'obstruction dans le
tuyau et
1 représente une obstruction totale du tuyau.
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[0067] Le degré d'obstruction a/A peut être déterminé à partir d'une fonction
du coefficient
de réflexion CD. Cette fonction peut être une fonction polynomiale ou toute
autre fonction
qui lie la valeur de a/A à celle de CD. Pour l'obstruction la plus en amont du
tuyau, c'est
à dire l'obstruction la plus près de l'extrémité proximale, le rapport a/A
peut être déterminé
par une fonction du coefficient de réflexion CD. Pour les obstructions
subséquentes, leur
degré d'obstruction respectif est déterminé en répétant les étapes décrites ci-
dessous,
c'est à dire a) en extrapolant énergie du signal émis et une énergie du signal
réfléchi à la
position de l'obstruction; b) en calculant le degré de réflexion CD, mais en
remplaçant
l'énergie du signal émis extrapolée S par l'énergie transmise Et une fois
l'obstruction en
amont passée, comme décrit ci-dessus; et enfin c) en calculant le rapport a/A
est
déterminé par une fonction du coefficient de réflexion CD.
[0068] Selon un mode de réalisation possible, où le tuyau est un drain de
barrage empli
d'air, cette fonction est une fonction polynomiale du 1 er degré, ou fonction
linéaire,
exprimée par:
a/A = Pi x CD + P2, où
Pi est une première constante comprise entre 0.1 et 2; et
P2 est une deuxième constante comprise entre -1 et 1.
Les valeurs de Pi et P2 dépendent principalement de la fréquence du signal
émis. Les
différents essais réalisés montrent que ces constantes sont peu sensibles au
diamètre
du tuyau ou aux conditions de surface, puisque ces paramètres sont déjà pris
en compte
dans la détermination du coefficient de réflexion CD.
Ainsi, selon ce mode de réalisation, Pi = 1 et P2 = 0, de sorte que le degré
d'obstruction
a/A correspond au coefficient de réflexion CD.
[0069] Dans certains cas, tel que présenté dans la figure 6, un effet de
superposition des
trains d'ondes peut être observé. Les quatre graphiques A à D présentés à la
figure 6
montrent le signal émis 102 par le haut-parleur (graphiques 6-A et 6-C)
comprenant un
train d'ondes à la fréquence fi et où n = 3 cycles, ainsi que le signal
réfléchi 112 capté
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par le microphone (graphiques 6-B et 6-C). Il est à noter que le signal émis
102 par le
haut-parleur est également mesuré lors de son passage par le microphone, comme
le
montrent les graphiques 6-B et 6-C, avec un délai par rapport au signal émis
du
microphone correspondant à la distance qui sépare le haut-parleur du
microphone. En
effet, lorsque le signal réfléchi 112 revient vers le microphone, il est
enregistré par le
microphone mais le signal réfléchi 112 continue sa propagation en dépassant le
microphone jusqu'à atteindre le haut-parleur, situé en amont du microphone. Ce
signal
réfléchi 112 peut alors rebondir sur le haut-parleur et repartir vers
l'obstruction en se
faisant à nouveau enregistrer par le microphone comme un signal réfléchi
parasite 114.
Ce va-et-vient peut se poursuivre jusqu'à ce que l'onde s'amortisse. Ces
réflexions
multiples peuvent masquer des réflexions réelles provenant d'obstructions plus
éloignées. Il est donc préférable d'empêcher ces rebonds.
[0070] Un des moyens pour supprimer ce signal réfléchi parasite 114 consiste à
émettre
au moyen du haut-parleur, un train d'ondes égal mais en opposition de phase
par rapport
au signal réfléchi parasite, dit train d'ondes d'annulation 115. Entre autres,
un délai pourra
être appliqué avant d'émettre ce train d'ondes, afin de refléter la distance
entre le
microphone et le haut-parleur. Ainsi, quand la réflexion rebondit sur le haut-
parleur, celui-
ci réagit par une onde miroir de cette réflexion en opposition de phase pour
que le signal
réfléchi parasite soit annulé, comme le montre le graphique 6-D.
[0071] Tel que montré à la figure 7, un phénomène de réflexions enchaînées
provenant
d'obstructions multiples rapprochées peut être détecté quand le signal
réfléchi 112
comporte un nombre de cycles plus grand que le nombre de cycles émis n par le
haut-
parleur 100. Ce phénomène est caractérisé par un effet de chevauchement de
plusieurs
réflexions. Ce chevauchement est décrit de la façon suivante : l'onde
incidente à la
première obstruction 221 est en partie réfléchie; sa partie transmise (pour
une obstruction
partielle) est réfléchie en partie sur la deuxième obstruction 222 rapprochée
de la
précédente, celle-ci étant située suffisamment proche de la première
obstruction 221
alors le premier signal réfléchi 116 n'a pas le temps de dégager tous ses
cycles de la
première obstruction 221 que le deuxième signal réfléchi 117 provenant de la
réflexion
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sur la deuxième obstruction 222 chevauche une partie des cycles du premier
signal
réfléchi 116. De même, un troisième signal réfléchi 118 provenant de la
réflexion sur la
troisième obstruction 223 chevauche une partie des cycles du deuxième signal
réfléchi
117.
[0072] Le phénomène est causé par le rapprochement d'obstructions dont la
distance
critique dcr entre deux obstructions consécutives est trop courte par rapport
au nombre
de cycles n émis fois la longueur d'onde A du signal émis.
[0073] Sachant que dõ =n __________________________________________________ 2-
2 , le critère de réflexions enchaînées se produit lorsqu'une
distance Llx qui sépare deux obstructions consécutives est inférieure à dcr.
On parle
d'obstructions rapprochées.
[0074] Par exemple, pour un signal émis dont la longueur d'onde 2t. = 340 Hz
et un
nombre de cycles n = 3, l'enchaînement des réflexions se produira si les
obstructions
consécutives sont distantes de moins de 1.5m.
[0075] Le calcul du nombre d'obstructions m dans une zone de réflexions
enchaînées
peut être établi à partir d'un nombre total de cycles du signal réfléchi nt et
du nombre de
cycles du signal émis n, tel que m correspond au nombre entier arrondi
supérieur du
rapport (nt / n), avec nt > n.
[0076] Dans un mode de réalisation et tel qu'illustré à la figure 7, Ctrans =
1 pour toutes
les obstructions rapprochées, à l'exception de la dernière obstruction avant
la fin du tuyau
pour laquelle Ctrans = 2,55.
[0077] A contrario, si la distance IL qui sépare deux obstructions
consécutives est
supérieure à dcr, les obstructions seront dites distinctes.
[0078] La figure 8 illustre un mode de réalisation comprenant deux
obstructions distinctes
(m = 2). Dans un mode de réalisation et tel qu'illustré à la figure 8, Ctrans
= 2.55 pour une
obstruction distincte.
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[0079] Ainsi, pour pouvoir déterminer le degré d'obstruction aet de plusieurs
obstructions
distinctes consécutives, il est préférable de déterminer le coefficient de
transmissibilité
Ctrans pour chaque obstruction. Pour ce faire, il est possible de commencer en
séquence
à partir de la première obstruction. Ensuite, les coefficients de réflexion CD
et de
transmission CT peuvent être calculés pour chaque obstruction précédente afin
de
pouvoir extrapoler les énergies incidentes et réfléchies à l'obstruction
suivante. Cette
procédure peut être appliquée à toutes les mième obstructions identifiées,
comme suit :
rm Er()
E,õ, E0
Où:
CD/il est le coefficient de réflexion de la mième obstruction,
Erm est l'énergie extrapolée du signal réfléchi par la mième obstruction au
seuil
de la mième obstruction,
Sm est l'énergie extrapolée du signal émis au seuil de la mième obstruction,
Er est l'énergie mesurée du signal réfléchi par la mième obstruction à
l'extrémité proximale du tuyau,
x est la distance de l'extrémité proximale du tuyau à la première obstruction,
a est le coefficient d'atténuation du tuyau,
Oixk est la distance entre deux obstructions consécutives, et
Ctrans est le coefficient de transmissibilité.
[0080] Par exemple, dans le cas illustré dans la figure 8, où m = 2:
CD1= EH/EH et CD2 = EI21Er2.
[0081] Dans certains cas, tel que représenté dans la figure 9, le tuyau 20
peut présenter
une cavité 240 ou un renflement. La caractéristique d'une cavité 240 le long
du tuyau 20
est un volume dont le diamètre est plus de 1,5 fois le diamètre du tuyau en
largeur et est
limité en distance généralement à une longueur inférieure à 1 longueur d'onde
A du
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signal émis et à travers de laquelle le tuyau se poursuit. Cette cavité peut
être la
résultante d'une érosion du tuyau avec le temps par exemple.
[0082] Lorsque le signal émis rencontre une cavité 240, le signal réfléchi
capté par le
haut-parleur 100 présente un changement de phase de 180 degrés. Cette
antiphase 119
est illustrée à la figure 9, où l'on observe que le signal émis 102 par le
haut-parleur débute
par une valeur de surpression par rapport à l'atmosphérique (cycle partant
vers le bas),
alors que le signal réfléchi 112 présente une valeur de sous-pression par
rapport à
l'atmosphérique (cycle partant le haut). Cette antiphase est caractéristique
d'une cavité
240 et ne doit par conséquent pas être interprétée comme une obstruction dans
le tuyau.
[0083] Dans un mode de réalisation et tel qu'illustré à la figure 9, r ¨tains
= 6 pour une
cavité. Cette valeur peut être obtenue par un algorithme de convergence basé
sur des
données des essais réalisés en laboratoire.
[0084] Dans d'autres cas, tel que représenté dans la figure 10, le tuyau 20
peut présenter
un coude 230. Les coudes dans les tuyaux sont généralement de faible
amplitude, de
l'ordre d'une trentaine de degrés par exemple.
[0085] Les trois graphiques présentés à la figure 10 montrent respectivement :
- un signal mesuré par le microphone d'une onde acoustique émise à une
fréquence
fi = 1100 Hz et n = 10 cycles, sans aucun coude dans le tuyau, mais présentant
une obstruction de 3 cm placée à 15.6 m de la source (graphique 10-A),
- un signal mesuré par le microphone d'une onde acoustique émise à une
fréquence
fi = 1100 Hz n =10 cycles, dont le tuyau présente un coude de 30 degrés à une
distance de 3.6 m de l'extrémité proximale du tuyau, ainsi qu'une obstruction
de 3
cm d'épaisseur sous forme de dépôt à 15.6 m de l'extrémité proximale du tuyau
(graphique 1043), et
- un signal mesuré par le microphone d'une onde acoustique émise à une
fréquence
f2 = 340 Hz et n =3 cycles, dont le tuyau présente un coude de 30 degrés à une
distance de 3.6 m de l'extrémité proximale du tuyau, ainsi qu'une obstruction
de 3
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cm d'épaisseur sous forme de dépôt à 15.6 m de l'extrémité proximale du tuyau
(graphique 10-C).
[0086] Il est à noter que les graphiques 10-8 et 10-C présentent une disparité
231. En
effet, l'onde acoustique du signal émis à la fréquence fi = 1100 Hz (graphique
10-6)
détecte le coude 230 alors que l'onde acoustique du signal émis à la fréquence
f2 = 340
Hz (graphique 10-C) ne détecte pas le coude.
[0087] Ainsi, un coude 230 dans un tuyau pourra être identifié en corroborant
le signal
réfléchi du premier train d'ondes émis à une fréquence fi avec le signal
réfléchi du
deuxième train d'ondes émis à une fréquence f2. Par exemple, cette
corroboration
pourrait consister à superposer les signaux réfléchis du premier et deuxième
trains
d'ondes émis à des fréquences respectives de fi et f2 afin d'identifier la
disparité 231,
puisque le signal réfléchi du premier train d'onde montre une série de pulses,
alors que
le signal réfléchi du deuxième train d'onde ne présente aucun pulse
significatif.
[0088] Dans un certain mode de réalisation, le processeur de l'ordinateur 130
peut
automatiser toutes les étapes de la méthode décrite ci-dessus. Un algorithme
développé
dans le cadre d'un logiciel de traitement de signal et de prédiction
d'obstruction peut
permettre d'identifier et caractériser la réflexion, en identifiant dans le
signal mesuré par
le microphone :
- Un début et une fin d'un pulse du signal émis et du signal réfléchi,
- la position de la première obstruction x,
- Une amplitude efficace ARMS, et
- Une durée de l'impulsion T.
[0089] Une fois ces caractéristiques identifiées, le logiciel peut permettre
d'identifier
chaque signal réfléchi selon 4 catégories pour un signal émis à une fréquence
f2:
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1. Obstructions distinctes si le nombre de cycles du signal réfléchi est
inférieur
ou égal au nombre de cycles du signal émis,
2. Obstructions rapprochées et enchaînées si le nombre de cycles du signal
réfléchi est supérieur ou égal au nombre de cycles du signal émis + 1 cycle,
3. Cavité, ou
4. Débouché du tuyau
[0090] Dans une étape subséquente, le logiciel peut aussi permettre de
déterminer le
degré d'obstruction et le coefficient de transmissibilité de chaque
obstruction.
[0091] Bien que certains avantages aient été décrits, la personne versée dans
l'art peut
découvrir d'autres avantages et/ou caractéristiques inhérents à l'invention
qui n'ont pas
explicitement été décrits. En outre, bien que certaines configurations et
certains modes
de réalisations aient été décrits ici, il est apprécié qu'ils soient à titre
d'exemple
uniquement et ne doivent pas être pris de manière à limiter la portée de
l'invention.
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
