Brevet FR2414723A1 — publié le 19790810

L'invention est, d'une façon générale, relative aux mesures de bruits, notamment en vue de repérer à l'aide de capteurs de vibrations mécaniques une source sonore délivrant un bruit déterminé parmi un ensemble de sources disposées dans un espace bruyant et de mesurer la contribution de ladite source à l'intensité du champ sonore ambiant dans des régions déterminées dudit espace. Plus préci- sément, l'invention concerne un appareil du genre dit "corrélateur acoustique" destiné à évaluer la corrélation de deux signaux acoustiques.Ces deux signaux peuvent autre, l'un, un signal dit "de mesu rew capté par un microphone placé dans la région où l'on désire dé terminer la contribution d'une source au bruit ambiant, et l'autre par un signal dit "de référence" délivré /un capteur de vibrations mécaniques, par exemple, un microphone disposé à proximité de ladite source ou un accéléromètre disposé contre elle, de telle sorte que ledit signal de référence dépende le plus possible du bruit de ladite source et le moins possible du bruit des autres sources. Celles-ci, dites "sources parasites" peuvent autre des émetteurs de bruits (moteurs, machines-outils, etc...) ou des réverbérateurs (parois de bâtiments, etc...). Dans ces conditions, l'appareil re çoit respectivement par deux entrées les signaux des deux capteurs et permet d'évaluer leur intercorrélation. Cependant, afin de faciliter l'interprétation des résultats des mesures d'intercorrélation, on peut en outre, en vue par-exemple dsidentifier une source en tenant compte de la réponse de l'appareil, procéder à des mesures d'autocorrélation en connectant un même microphone aux deux entrées. L'évaluation de la corrélation acoustique est en principe l'un des moyens les plus sûrs et les plus précis de rechercher ur.e source émettant un bruit déterminé dans un espace bruyant et d'éva luer sa contribution au bruit ambiant, mais les appareillages que l'on a Jusqu'ici utilisés pour faire des mesures en temps réel sont complexes, encombrants et coûteux et ne peuvent guère être confiés qu'à des spécialistes. Leur emploi est donc le plus souvent réservé au laboratoire. L'appareil de l'invention est relativement peu coûteux et peu encombrant.Son maniement est assez simple pour qu'il puisse être utilise par un technicien qui n'est pas spécialiste des mesures de bruit. Il est portable et se prête donc aux mesures sur chantier ou en atelier. Ledit appareil comprend, de même que les appareillages du genre connu déjà utilisés pour le même genre de mesures - deux voies de traitement de signal dont chacune comporte une entrée de voie cennectable à un capteur de vibrations mécaniques et suivie de circuits d'adaptation et de filtrage du signal délivré à ladite entrée - un corrélateur analogique ayant deux entrées respectivement connectées à la sortie de l'une et de l'autre voie de mesure et comprenant des moyens pour élaborer et délivrer un signal caractérisant l'intercorrélation des signaux de voies respectivement reçus par ces deux entrées - enfin des moyens d'affichage et/ou de visualisation du signal délivré par le corrélateur analogique. On sait qu'un corrélateur analogique comprend lui-même, d'une façon générale, les organes suivants - une ligne à retard multiple admettant le signal de 1 'une des voies de mesure (que l'on appellera première voie) et le redélivrant par une pluralité de sorties parallèles avec des retard echelonnés prédéterminés, ces retards étant en général à pas de retard constant - une pluralité de multiplieurs dont chacun a une première entrée connectée à une sortie de la ligne à retard et une deuxième entrée connectée à la sortie de la deuxième voie demesure et délivre un signal caractérisant le produit du signal de ladite deuxième voie par le signal plus ou moins retardé de la première voie - une pluralité de cellules intégratrices dont chacune est con bectée à la sortie d'un multiplieur pour réaliser l'échantillonnage du signal délivré par celui-ci - un multiplexeirdélivrant la succession des eomi7les d'échantillons de signaux délivrés aux mêmes instants par les cellules intégratrices, la séquence de signaux de ladite succession constituant une séquence d'échantillons de la fonction de corrélation recherchée. En raison d'une part de l'étendue de l'échelle des fréquences acoustiques à capter, d'autre part de la nécessité d'étendre la mesure de la corrélation sur une période relativement longue pour caractériser une source de bruit et pour tenir compte des durées de propagation et de réverbération, la ligne de retard doit avoir une longueur acoustique" importante et un pas de retard faible. Une telle ligne est encombrante et sa réalisation est délicate et coûteuse. On pourrait évidemment songer à mettre en oeuvre, pour réaliser un corrélateur acoustique, des circuits numériques effectu ant le codage des signaux des deux voies et les opérations de retard, de multiplication et d'intégration. Nais les microprocesseurs actuellement disponibles sont trop lents pour permettre d'effectuer ces opérations en temps réel à des intervalles de mesure suffisamment rapprochés. L'invention repose sur la constatation qu'il est possible, dans la quasi-totalité des mesures industrielles de corrélation acoustiques, de quantifier le signal de l'une des voies avec un très petit nombre de niveaux discrets sans que l'allure de la fonction de corrélation obtenue en soit sensiblement altérée, à condition toutefois que certaines précautions soient prises. L'appareil de l'invention comporte donc, outre les organes précités, un circuit quantificateur à trois niveaux inséré dans l'une des voies. Ce nombre de trois niveaux est déterminé en tenant capte des considérations suivantes - les amplitudes des fréquences harmoniques parasites engendrées par la quantification sont appréciables mais beaucoup moins accusées qu'avec une quantification à deux niveaux, - l'allure de la fonction de corrélation n'est pas sensiblement affectée, - la réalisation du corrélateur est considérablement simplifiée car, comme on le verra dans la suite de la présente description, il devient possible d'utiliser un corrélateur du genre dit "à détection de signe sur une voie", dans lequel la ligne à retard est constituée par des registres numériques et les multiplieurs sont des portes analogiques commandées par des registres. L'inconvénient d'un petit nombre d'échelons de quantification est que, outre l'apparition d'harmoniques parasites, l'appareil devient insensible aux faibles niveaux de bruit. L'invention y remédie en prévoyant la sommation algébrique du signal à quantifier avec un signal de linéarisation délivré par un générateur. Ce signal pourrait être un bruit blanc mais, outre qu'un tel bruit blanc ne permet pas une linéarisation optimale, le générateur nécessaire est peu stable et sensible aux parasites ou sinon compliqué et coûteux. On pourrait aussi utiliser un générateur de signal triangulaire ou en dents de scie. Un tel signal permettrait une meilleure linéarisation si celle-ci n'était pas affectée notablement par les variations d'amplitude et par les dérives. Dans l'appareil de l'invention, le circuit linéarisateur est constitué par un générateur de signal en créneaux carrés suivi d'un circuit de dérivation de caractéristiques convenables. On sait qu' il est aisé de réaliser un générateur de signaux carrés qui soit précis et stable. On obtient ainsi à l'aide de circuits simples et peu onéreux une linéarisation pratiquement insensible aux diverses causes de dérives. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un diagramme de blocs de l'appareil réalisé conformément audit exemple, - la figure 2 est un diagramme de blocs des organes de quantification et de linéarisation de la figure I, - la figure 3 est un schéma du corrélateur de la figure 1. Ces figures ne montrent que les organes ou composants dont la représentation est nécessaire à la compréhension de la description. On a omis en particulier d'y représenter les circuits d'alimentation, ainsi que certains amplificateurs, commutateurs et potentiomètres dont l'utilisation serait évidente pour un spécialiste. On considère d'abord la figure 1. De même que les appareillages de corrélation acoustique du genre connu, l'appareillage de l'invention comprend - une première voie de traitement de signal, que l'on conviendra d'appeler "voie de référence"-, et dont on a seulement représenté l'entrée 10, une pluralité de filtres 11 connectés en parallèle à ladite entrée et un sélecteur de filtre 12; - une deuxième voie de traitement de signal, que l'on conviendra d'appeler "voie de mesure", et dont on a seulement représenté l'en- trée 20, une pluralité de filtres 21 connectés en parallèle à ladite entrée et un sélecteur de filtre 22;; - un corrélateur 30 dont les entrées sont respectivement connectées au sélecteur 12 par l'intermédiaire de liaisons 3G1 et au sélecteur 22 par l'intermédiaire de liaisons 302, ce corrélateur délivrant par une liaison de sortie 303 les signaux de corrélation qu'il élabore à partir des signaux de référence qu'il reçoit par lesdites liaisons 301 et des signaux de mesure qu'il reçoit par les dites liaisons 302; - un oscilloscope 60 affichant les signaux de corrélation qu'il reçoit du corrélateur 30 par la liaison 303 et des signaux de marquage qutil reçoit d'un marqueur~70 par une liaison 701; - enfin une base de temps 80 délivrant des signaux d'horloge et de synchronisation au corrélateur 30, à l'oscilloscope 60 et au marqueur 70 respectivement par des liaisons 801, 802 et 803. Conformément à l'invention, l'appareil de la figure 1 comporte en outre - un quantificateur 40 et un linéarisateur 50. Le quantificateur a dieux entrées respectivement connectées à la liaison 401 de sortie du sélecteur 12 de la voie de référence et à la liaison 402 de sortie du linéarisateur 50. Ses liaisons de sortie 301 sont au nombre de deux. L'une d'elles délivre un signal continu positif lorsque le niveau du signal d'entrée transmis par la liaison 401 dépasse un seuil déterminé et un signal nul dans le cas contraire. L'autre délivre un signal continu négatif lorsque le niveau dudit signal d'entrée est inférieur à un seuil prédéterminé algébriquement inférièur au précédent, et un signal nul dans le cas contraire. Quant à la sortie du sélecteur 22 elle est connectée aux entrées d'un amplificateur 304 et d'un amplificateur 305. Le premier transmet le signal du sélecteur 22 sans changement de signe. Le deuxième est inverseur. Il y a donc deux liaisons 302 reliant respectivement les amplificateurs 304 et 305 aux entrées correspondantes du corrélateur 30. Avantageusement, au moins l'une des voies peut inclure une liaison hertzienne entre le microphone et les circuits d'adaptation et de filtrage. Par exemple, dans le schéma de la figure 1, la voie de référence comporte un microphone }R dont la sortie est connectée à l'entrée d'un commutateur 91 qui permet d'aiguiller les signaux microphoniques soit vers un émetteur à fréquence modulée 92, soit vers un cible de liaison 97.Un commutateur 96 permet de connecter à l'en- tree de la voie 10, soit le cible 97, soit la sortie d'un récepteur FM 95 qui reçoit par son antenne 94 les signaux de l'antenne 93 de l'metteur 92. L'o érateur peut ainsi se passer du câble/97 et dé- placer 1'appareil ainsi que le microphone de mesure !2 dans diverses régions de l'espace bruyant en disposant d'une mande liberté de mouvements. Lorsque les distances entre les deux micropholles sont courtes et que les fréquences acoustiques a capter ne sont pas trop élevées, il peut être avantageux de remplacer la troesriission hertzienre par une transmission acoustique. A cet effet, l'émetteur 92 est constitué par un émetteur d'ondes ultra-sonores modulées par le signal du microphone 91 et le récepteur 95 comporte un capteur à ultra-sons et des circuits de détection du signal dudit capteur. La fréquence acoustique porteuse est ainsi sensible à certaines des fluctuations imposées au signal acoustique BF, ce qui peut faciliter l'interprétation des indications de l'appareil. On considère maintenant la figure 2, relative à la constitution du quantificateur 40 et du linéarisateur 50. Le linéarisateur 50 comprend un générateur de signal alternatif carré 51, une cellule de dérivation 52 élaborant un signal alternatif dérivé du signal de sortie du générateur 51 et un potentiomètre 53 destiné à régler le niveau du signal dérivé. On sait que l'adjonction de ce signal aux tensions de seuil délivrées aux détecteurs 41 et 42 permet de rendre la probabilité de déclenchement de ceux-ci approximativement proportionnelle à l'amplitude du signal acheminé par la liaison 401. Quant au quantificateur 40, il comporte deux détecteurs à seuil 41 et 42. La liaison 401 est connectée à l'entrée (+) du détecteur 41 et à l'entrée (-) du détecteur 42. L'entrée (-) du détecteur 41 est connectée d'une part à la liaison 402 de sortie du linéarisateur 50 par l'intermédiaire d'un condensateur de filtrage 411 et d'autre part à une source de tension positive constante (U) par l'intermédiaire d'un affaiblisseur à potentiomètre 412 et résistance 413. L'entrée (+) du détecteur 42 est connectée d'une part à la liaison 402 par l'intermédiaire d'un condensateur de filtrage 421 et d'autre part à une source de tension négative constante (-U), de valeur absolue égale à U, par l'intermédiaire d'un affaiblisseur à potentiomètre 422 et résistance 423. A un instant donné, des tensions de seuil V1 et V2 dont le niveau est réglé par le jeu des potentiomètres 53, 412 et 413 sont donc respectivement appliquées à l'entrée (-) du détecteur 41 et à l'entrée (+) du détecteur 42. Si la valeur algébrique de V1 est plus élevée que celle de V2, R étant le signal de la liaison 401 - un signal R(+) au niveau logique +1 apparaît sur la liaison de sortie 301a du détecteur 41 lorsque R > V1 > V2 - un signal R(-) au niveau logique -1 apparait sur la liaison de sortie 301b du détecteur 42 lorsque RV2V1 aucun signal n'apparaît sur les liaisons 301a et 301b lorsque V (R(VI' 2 On considère maintenant la figure 3 relative au schéma du corrélateur 30. Celui-ci comporte deux registres à décalage sérieparallèle 31 et 32 ayant le même nombre d'étages et tous deux synchronisés par des signaux de la base de temps 80 qui leur parvien nent par des liaisons 801a et 801 b; l'entrée du registre 31 est connectée à la liaison 301a qui lui délivre le signal R(+) tandis que l'entrée du registre 32 est connectée à la liaison 301b qui lui délivre le signal R(-). A chaque impulsion d'horloge délivrée par les liaisons 80ira et 801 b, la valeur logique d'un étage quelconque de registre est transférée à l'étage suivant. L'apparition du niveau logique "1" dans un étage de registre 31 commande la fermeture d' une porte analogique 33; l'apparition du niveau logique "1" dans un étage du registre 32 provoque la fermeture d'une porte analogique 34. Les entrées des portes 33 sont connectées en parallèle à la liaison 302a porteuse du signal h délivré par l'amplificateur 304 (fiv.1). Les entrées des portes 34 sont connectées en parallèle à la liaison 302b porteuse du signal (-M) délivré par l'amplificateur 305. La sortie de chaque porte 33 est connectée à une entrée d' un multiplexeur 35 par une cellule intégratrice constituée par des résistances 36 et par un condensateur 37. La sortie de la porte 34 de même rang que ladite porte 33 est connectée à la même entrée du multiplexeur 35 par une cellule intégratrice constituée par des ré- sistances 38 et par le même condensateur 37. On sait que la fonction de corrélation de deux signaux M et R échantillonnés est définie par la relation R(=m(t)r(t-T )dt (1) dans laquelle m(t) est la valeur d'un échantillon du signal M au temps t et r(t-T) la valeur d'un échantillon du signal R au temps (t-t). Si l'on distingue dans les échantillons r ceux de valeur positive r(+) et ceux de valeur négative r(-), la relation R(t devient R(b) = m(t).r(*)(t-t).dt * S-m(t).r(-)(t-t).dt (2) (2) On voit que le multiplexeur 35 reçoit des portes 33 les produits constituant le premier terme du second membre de cette relation et reçoit des portes 34 les produits constituant le deuxième terme. On donne maintenant quelques indications non limitatives sur les caractéristiques des divers organes constituant l'appareil conforme à l'exemple de réalisation que l'on vient de décrire. Ledit appareil est conçu pour couvrir une gamme de fréquences sonores allant de 20 Hz à 10 kHz. L'organe de filtrage 11 est constitué par trois filtres actifs qui sont - un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est de 250 Hz; - un filtre de bande dont les fréquences de coupure sont respectivement de 200 Hz et de 2kiiz - enfin un filtre passe-haut dont la fréquence de coupure est de 1 kHz La constitution de l'organe de filtrage 21 est identique. En ce qui concerne le linéarisateur 50, la fréquence du signal carré délivré par le générateur 51 est de 100 kHz. Pour réaliser une bonne linéarité de quantification, les tensions de seuil étant gales en valeur absolue mais de signes opposés, la constante de temps de la cellule de dérivation 52 est d'environ le quart de la période dudit signal carré, soit d'environ 2,5 microsecondes. La fréquence de l'horloge qui rythme les signaux de la base de temps 80 est de 40 kHz. Des moyens de commutation, non représentés sur la figure 1, permettent dtadresser aux registres 31 et 32 (fig. 3), au moyen des liaisons 801a et 801b, des impulsions de décalage résultant de la division de la fréquence d'horloge et dont la fréquence de récurrence est en rapport avec a position des sélecteurs 12 et 22. Cette fréquence de récurrence est déterminée ainsi que le nombre d' étages de chaque registre de telle sorte que l'on puisse visualiser 4 points de corrélation pour la fréquence la plus élevée de la gamne transmise par le filtre mis en service par les sélecteurs, et une alternance complète de la fréquence la plus basse. Si les deux registres 31 et 32 (fig. 3) contiennent 40 étages - lorsque le filtre mis en service par les sélecteurs 12 et 22 dans les organes de filtrages 11 et 21 est le filtre passe-bas (fréquence de coupure 250 Hz), la fréquence des impulsions délivrées par la base de temps aux deux registres est de 1kHz, le pas de retard est donc de 1 milliseconde et le retard maximal obtenu est de 40 millisecondes ; - lorsque le filtre mis en service est le filtre passe-bande (fréquences de coupure 200 Hz et 2 kHz), la fréquence des impulsions est de 8 kHz, le pas de retard de 125 microsecondes et le retard maximum de 5 millisecondes ;; - lorsque le filtre mis en service est le filtre passe-haut (fréquence de coupure 1kHz), ladite fréquence est de 40 kHz, le pas de retard de 25 microsecondes et le retard maximum de 1 milliseconde. Par contre, la fréquence de lecture délivrée par la base de temps 80 au multiplexeur 35 (fig. 3) par l'intermédiaire de la liaison 801c est indépendante de la position des sélecteurs 12 et 22 et fixée à 1 kHz. On remarquera, pour terminer la présente description que, dans une version de l'appareil de l'invention réalisée industriel leient - la plupart des organes peuvent être réalisés sous forme de circuits imprimés comportant des composants intégrés, l'appareil étant ainsi compact, léger et portable - les potentiomètres 53, 412 et 422 (fig. 2) peuvent être supprimés ou remplacés par des résistances fixes ; il est alors possible de conférer au signal de linéarisation une amplitude déterminée optimale, par exemple 1,15 fois le pas de quantification du quantificateur 40 -ctest à dire la moitié de la différence des tensions de seuil appliquées par les sources (U) et (-U) aux détecteurs 41 et 42- afin de permettre la mesure de la corrélation de signaux de brait de faible niveau. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour évaluer l'intercorrélation du signal délivré à une première entrée de signaux par un capteur de vibrations mécaniques disposé à proximité d'une source sonore et du signal dé livré à unejenMXrieèe de signaux par un microphone, comportant d'une part une première voie de traitement du signal transmis par la première entrée et une deuxième voie de traitement du signal transmis par la deuxième entrée, d'autre part un corrélateur analogique ayant des entrées recevant les signaux acheminés par la première voie et par la deuxième voie, enfin des moyens de visualisation du signal de corrélation élaboré par le corrélateur, caractérisé en ce que a) la première voie de traitement inclut un quantificateur comportant des moyens d'élaborer une première tension de seuil et une deuxième tension de seuil, celle-ci étant algébriquement inférieure à la première, un premier détecteur de seuil délivrant par une première liaison un premier signal logique lorsque le niveau du signal reçu par ledit quantificateur est supérieur au premier seuil et un deuxième détecteur de seuil délivrant par une deuxième liaison un deuxième signal logique lorsque le niveau du signal reçu par ledit quantificateur est inférieur au deuxième seuil b) la deuxième voie de traitement inclut une première liaison transmettant le signal de ladite deuxième voie sans changement de signe et une deuxième liaison transmettant ledit signal avec changement de signe ;; c) le corrélateur comprend un premier registre à décalage série-parallèle dont l'entrée est connectée à la première liaison de sortie du quantificateur, un deuxième registre à décalage strie- parallèle dont 11 entrée est connectée à la deuxieme liaison de sortie du quantificateur, une pluralité de première portes analogiques dont chacune est commandée par une sortie du premier registre, une pluralité de deuxièms portes analogiriues dont chacune est commandée par une sortie du deuxième registre, une pluralité de cellules intégratrices dont chacune est connectée à la sortie de l'une des premières portes et/ou à la sortie correspondante de l'une des deuxièmes portes, enfin un multiplexearayant une pluralité d'entrées dont chacune est connectée à la sortie de l'une des cellules intégratrices, et une sortie délivrant aux moyens de visualisation le multiplex des signaux délivrés par lesdites cellules, ledit corrélateur comprenant en outre une liaison connectée à la première liaison de la deuxième voie par l'intermédiaire d'une troisième entrée dudit corrélateur pour délivrer le signal de ladite première liaison à toutes les entrées des premières portes et une liaison con bectée à la deuxième liaison de la deuxième voie par l'intermédiaire d'une quatrième entrée dudit corrélateur pour délivrer le signal de ladite deuxième liaison à toutes les entrées des deuxièmes portes, ledit appareil étant en outre caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un générateur de signal en créneaux carrés et un circuit délivrant un signal de dérivation desdits créneaux, d'autre part des moyens d'additionner ledit signal de dérivation à la première tension de seuil et à la deuxième tension de seuil du quanti ficateur. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux tensions de seuil sont égales en valeur absolue et de signes opposés et en ce que la constante de temps du circuit de dérivation est approximativement égale au quart de la période du signal en créneaux carrés. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'-amplitude du signal délivré par le circuit de dérivation est égale à 1,15 fois le pas de quantification imposé par le quantificateur. 4 - Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé eq ce qu'il comporte en outre un émetteur de fréquence hertzienne modulée dont l'entrée est co-llnectée à l'un des capteurs et un récepteur de fréquence hertzienne modulée dont la sortie est connectée à l'entrée de signas correspondznte. 5 - Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un metteur de signal ultrasonore modulé par le signal de l'un des capteurs et un détecteur de signal ultrasonore dont la sortie est connectée à l'entrée de signaux correspondante. 6 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une première et deuxième pluralités de filtres de fréquences, un premier sélecteur permettant d'insérer un filtre déterminé de la première pluralité dans la première voie et un deuxième sélecteur permettant d'insérer un filtre déterminé de la deuxième pluralité dans la deuxième voie et en ce que, les impulsions de décalage des deux registres étant élaborées par division de fréquence du signal impulsionnel d'une horloge, il comporte des moyens pour lier le facteur de division de fréquence à la position des sélecteurs.