Brevet FR2507849A1 — publié le 19821217

la présente invention concerne les réseaux acous- tiques et elle porte plus particulièrement sur des réseaux de microphones ou de haut-parleurs à diagramme longitudinal. Il est apparu souhaitable de parvenir à une répon- se améliorée sur une gamme de fréquences étendue, comme cel- le qu'on rencontre dans la transmission de la parole ou de la musique Un appareil qu'on a utilisé pour parvenir à ce but emploie un dispositif à impédance qui comprend un ensem- ble de tubes de diamètres pratiquement égaux, ayant des lon- gueurs qui varient uniformément, qui sont groupés en un fais- ceau Un autreappareil utilise un seul tube avec des ouver- tures uniformément espacées ayant pratiquement les mêmes di- mensions De tels dispositifs à impédance sont de façon ca- ractéristique couplés à un microphone ou à un haut-parleur et ils constituent ce qu'on appelle des réseaux acoustiques à diagramme longitudinal. Dans chacun des dispositifs décrits ci-dessus, le diagramme de réponse comprend un lobe principal et un ensem- ble de lobes secondaires plus petits et décroissant progres- sivement Ces lobes secondaires représentent une réponse pa- rasite à des signaux provenant de directions autres qu'une direction désirée. Conformément à un mode de réalisation de l'inven- tion considéré à titre d'exemple, l'énergie émise par une source est dirigée vers un transducteur par un ensemble de chemins de couplage qui présentent entre eux une relation non linéaire, et le diagramme de réponse fourni par les moyens de couplage comprend un lobe principal et un ensemble de lobes secondaires de niveau inférieur ou égal à une va- leur de seuil désirée. Dans un mode de réalisation, les chemins de cou- plage comprennent un tube ayant un ensemble d'ouvertures colinéaires pratiquement identiques Les ouvertures sont disposées par paires de façon que les ouvertures conjuguées soient équidistantes d'une ligne médiane tracée perpendicu- lairement à la longueur du tube, et situées de part et d'autre de cette ligne médiane la relation des distances entre les paires d'ouvertures est non linéaire et elle est déterminée conformément à la méthode de diminution avec la plus forte pente Les distances entre les ouvertures sont telles que le diagramme de réponse comprend un lobe princi- pal et un ensemble de lobes secondaires de niveau pratique- ment inférieur ou égal à la valeur de seuil désirée. Dans un autre mode de réalisation, les chemins de couplage comprennent un ensemble de tubes ayant des diamè- tres pratiquement identiques et groupés en un faisceau, de façon qu'une extrémité de chaque tube soit couplée à un transducteur commun En outre, les tubes ont des longueurs variables, de façon que pour chaque tube dont l'extrémité libre se trouve en deçà d'une ligne médiane, tracée perpen- diculairement à la longueur de la structure, il y ait un tu- be dont l'extrémité se trouve au-delà de la ligne médiane à une distance égale, ce qui définit un réseau symétrique De plus, la relation entre les longueurs des tubes est détermi- née par la méthode de diminution avec la plus forte pente mentionnée précédemment, de façon que la réponse de la struc- ture comprenne un lobe principal et un ensemble de lobes se- condaires pratiquement inférieurs ou égaux à une valeur de seuil désirée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un réseau acoustique à dia- gramme transversal; La figure 2 représente un diagramme de réponse pour le réseau à diagramme transversal de la figure 1, dans lequel les éléments sont uniformément espacés; la figure 3 représente un réseau acoustique à dia- gramme longitudinal; La figure 4 représente un diagramme de réponse pour le réseau à diagramme longitudinal de la figure 3, dans lequel les éléments sont uniformément espacés; la figure 5 représente un dispositif à impédance acoustique comprenant un ensemble de tubes ayant des longueurs qui varient uniformément, dans un réseau à diagramme longi- tudinal; La figure 6 représente une coupe, dans le plan 6-6, des tubes de la figure 5; La figure 7 représente un dispositif à impédance acoustique comprenant un seul tube ayant un ensemble d'ouver- tures uniformément espacées, dans un réseau à diagramme lon- gitudinal; la figure 8 représente un diagramme de réponse pour la structure de la figure 7; lia figure 9 est un schéma synoptique d'un système acoustique; La figure 10 montre des moyens de couplage qui com- prennent un réseau à diagramme longitudinal, avec un ensemble de tubes ayant des longueurs qui varient de façon non unifor- me, conformément à l'invention; La figure 11 représente un réseau acoustique à dia- gramme longitudinal comprenant un ensemble d'ouvertures mu- tuellement espacées de façon non linéaire dans un tube, con- formément à l'invention; la figure 12 représente le diagramme de réponse pour un réseau de microphones à diagramme longitudinal ou un réseau de haut-parleurs à diagramme longitudinal utilisant les structures des figures 10 ou 11; et Ies figures 13, 14 et 15 représentent des diagram- mes de réponse pour des réseaux à diagramme longitudinal du type de la figure 11 i, obtenus en faisant varier la taille des ouvertures. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquel- le on voit un réseau à diagramme transversal, 10, comprenant un ensemble de paires d'éléments, consistant en microphones ou en haut-parleurs, 12, 22; 14, 20; 16, 18;, et les éléments de chaque paire sont équidistants d'une ligne mé- diane 24. On définit la longueur du réseau comme étant la distance entre la paire d'éléments les plus éloignés de la ligne médiane 24 Ainsi, si on choisit la longueur du réseau égale à 8 longueurs d'onde et si les performances doivent être optimales à 3521 Hz, par exemple, l'utilisation des principes de la physique permet de trouver que la longueur du réseau doit être: 34381 x 8 = 78,12 cm Dans cette relation, 34 381 représente la vitesse du son dans l'air en centimètres par seconde, à 210 C. Si une source 26 est suffisamment éloignée du ré- seau 10, on peut considérer que le son émis par la source 26 arrive au réseau 10 dans un plan 28 Ainsi, le plan 28 at- teint l'élément 14 avant d'atteindre l'élément conjugué 20 de la paire 14, 20, chaque élément étant à une distance de Di longueurs d'onde de la ligne médiane 24 Si le plan 28 fait un angle de 90 o-S avec la ligne médiane 24, le plan 28 parcourt la distance entre l'élément 24 et le point médian du réseau 10 pendant le temps nécessaire pour le passage de Disin S longueurs d'onde De façon similaire, le plan 28 parcourt la distance du point médian 30 à l'élément 20 pen- dant le temps nécessaire pour le passage de Disin S longueurs d'onde. Si les signaux de sortie des éléments doivent 4 tre en phase, le signal de sortie de l'élément 14 doit dtre re- tardé d'un facteur de ej 2 Disin et le signal de sortie e j 21 Dsin S de l'élément 20 doit 4 tre avancé d'un facteur de e l De façon similaire, on doit également ajusterle signal de sortie de tous les autres éléments Du fait que les éléments peuvent être des microphones ou des haut-parleurs, on peut utiliser des retards électriques En outre, du fait qu'il n'est pas possible d'obtenir des retards négatifs pour les éléments qui se trouvent au-dessous de la ligne médiane 24, il est nécessaire d'introduire des retards pour tous les élé- ments par rapport à l'élément 22 Il est alors possible de construire un réseau de façon qu'il ait des performances op- timales lorsqu'un plan sonore incident fait un angle S par rapport à la ligne médiane 24 du réseau 10, avec des retards incorporés, c'est-à-dire qu'il est possible d'orienter le lobe principal de la réponse dans la direction -qui corres- pond à l'angle S. Lorsque le son arrive sur un tel réseau sous un angle différent e, la réponse provenant des éléments oupé- -j 2 D sin O rieurs est affectée par un facteur égal à e 1 N De façon similaire, la réponse provenant des éléments inférieurs j 2 TD sin E L De, , C e ^ ^ ir,v __A; - -, esu af ectede la uanie L sei UL î a: réponse est affectée de la manière suivante: a) pour les éléments supérieurs: e et b) pour les éléments inférieurs: e À Allll, la +j 2 tr Di(sine-sin S) () j.ii) ( 1) - j 21 r Di (sine-sin S) ( 2) On peut combiner les expressions ( 1) et ( 2) pour obtenir un facteur par lequel on doit ajuster la réponse d'une paire d'éléments, c'est-à-dire: 2 cos t 2 w Di(sine-sin S)jl S'il y a N paires d'éléments, c'est-àdire 2 N éléments, Ji réponse normalisée du réseau 10 sera: N 2 c as t 2 Ir D(sin O-sin S)J i 1 cos :1 = ( 3) R = À =( 4) 2 N Du fait que le réseau 10 est un réseau à diagramme transversal, S=O et l'équation ( 4) devient: N 2 2 cos( 2 W Disin E) i' 1 R = i-1 2 N la figure 2 montre la réponse pour un réseau à dia- gramme transversal, avec des éléments uniformément espacés les uns par rapport aux autreso Si le réseau 10 est orienté à 90 , c'est-à-dire S= 1 radiansl'équation ( 4) devient:2 radia-nsl'équation ( 4) devient: N i 2 1 i-1 cos r 2-D (sin G 41)l ( 6) ( 5) Au lieu d'utiliser un réseau à diagramme transver- sal orienté à 900, il est possible d'obtenir la même réponse en utilisant un réseau acoustique à diagramme longitudinal. En considérant la figure 3, on voit qu'un réseau acoustique à diagramme longitudinal, 40, comprend des paires d'ouver- tures de taille pratiquement identique, 42, 52; 44, 50; 46, 48 perforées dans untube de diamètre uniforme, et les éléments de chaque paire sont équidistants d'une ligne média- ne 24 et situés de part et d'autre de cette ligne, tandis que les distances entre des ouvertures adjacentes sont iden- tiques Un bouchon acoustique absorbant le son, 32, est pla- cé à une extrémité du réseau 40, et un dispositif d'utilisa- tion 34 qui peut 4 tre un microphone ou un haut-parleur est placé à l'autre extrémité. Alors que dans le réseau à diagramme transversal les éléments étaient des microphones ou des haut-parleurs, dans le réseau à diagramme longitudinal les éléments peuvent être des ouvertures Dans le réseau acoustique à diagramme longitudinal 40, le retard correspondant à chaque ouverture est le temps que met le son pour se propager dans le tube 40 entre l'ouverture considérée et le dispositif d'utilisation 34 Le son qui entre par les différentes ouvertures ne sera en phase au niveau du dispositif d'utilisation 34 que s'il arrive de 900, c'est-à-dire d'une source placée dans une di- rection parallèle à la longueur du réseau Pour des angles autres que 900, les signaux n'arrivent pas en phase au dis- positif d'utilisation 34, ce qui donne des lobes secondaires de niveau réduit. La figure 4 représente la réponse d'un réseau à diagramme longitudinal dans lequel les éléments sont unifor- mément espacés Le lobe principal est orienté à 900 ou r ra- dcis Deux grands lobes secondaires indésirables apparaissent 3 n I près de -2 radians, ou 2700 On a trouvé qu'il est possi- ble d'éliminer les deux grands lobes secondaires en augmentant la fréquence nominale par un facteur de deux Ainsi, dans le cas o la fréquence nominale est de 3521 Hz, le fait de con- cevoir le réseau pour le fonctionnement à 7042 Hz élimine les deux grands lobes secondaires Autrement dit, le fait de multiplier Di par un facteur de deux dans l'équation ( 6) permet d'éliminer les deux grands lobes secondaires Pour des réseaux à diagramme longitudinal, l'équation ( 6) devient donc: N 2 c cos l 4 i WD (sine-1)3 R =i= 1 13 ( 7) 2 N On va maintenant considérer la figure 5 sur laquel- le on voit un dispositif à impédance qui comprend un ensemble de tubes ayant des longueurs qui varient progressivement, par incréments uniformes Le brevet US 1 795 874 décrit une struc- ture de ce type Ce dispositif, à impédance améliore notable- ment les diagrammes de réponse par rapport a O Edispositifs connus antérieurement la figure 6 montre une coupe, dans le plan 6-6, du dispositif à impédance représenté sur la figure 5. la figure 7 représente un tube qui comprend un en- semble d'ouvertures uniformément espacées Le tube est fermé à une extrémité par un bouchon acoustique 72, absorbant le son, et il est couplé à l'autre extrémité à un transducteur 74 Un tel dispositif est décrit dans l'ouvrage intitulé "Microphones" par A E Robertson, 2 ème édition, Hayden, 1963. Un tel dispositif est utile pour améliorer la réponse et on peut l'utiliser dans les domaines de la radiodiffusion et du spectacle. Comme on l'a indiqué précédemment en relation avec la figure 4, deux grands lobes secondaires apparaissent près de i = radians Pour éliminer les deux lobes secondaires, on a utilisé un facteur de deux dans les calculs pour l'écar- tement dans l'équation ( 7) La figure 8 montre le diagramme de réponse résultant qu'on peut obtenir pour des réseaux à diagramme longitudinal, comme ceux représentés sur la figure ou la figure 7, avec 48 éléments et une longueur égale à 8 longueurs d'onde Comme le montre la figure 8, lorsqu'on utilise un facteur de deux, les deux lobes secondaires dis- paraissent Bien que les deux grands lobes secondaires aient été éliminés, les lobes secondaires restants varient en in- tensité, dégradent la fidélité et sont donc g 9 nants. On peut réduire notablement l'effet des lobes se- condaires gênants en ajustant l'écartement entre les ouver- tures dans le tube de la figure 7 ou en faisant varier les longueurs des tubes sur la figure 5 conformément à la métho- de de diminution avec la plus forte pente La figure 9 re- présente un système de transmission qui correspond à l'in- vention Une source de son 80 est connectée par une ligne 81 à un chemin de couplage 82 Le chemin de couplage 82 est connecté par une ligne 83 à des moyens d'utilisation 84 Dans une application particulière, la source 80 peut 4 tre un locu- teur, la ligne 81 peut être l'atmosphère, et les chemins de couplage 82 peuvent 4 tre des moyens physiques reliés direc- tement aux moyens d'utilisation 84 i lesquels peuvent 9 tre un émetteur de téléphone connecté à un système de télécom- munications pour la transmission de signaux vocaux Dans une autre configuration, la source 80 peut correspondre au son provenant d'un hautparleur relié directement au chemins de couplage 82, la ligne 83 peut 4 tre l'atmosphère et les moyens d'utilisation 84 peuvent être un auditeur. La figure 10 représente un mode de réalisation du chemin de couplage 82 de la figure 9 Le chemin de couplage comprend un ensemble de tubes 90 disposés par paires de façon que l'extrémité d'un tube de chaque paire et l'extrémité de l'autre tube de chaque paire soient placées symétriquement au-dessus et au-dessous d'une ligne médiane 91, et de façon que la relation des différences des longueurs entre les pai- res varie de manière non linéaire, conformément au procédé de diminution avec la plus forte pente. Les tubes 90 sont fixés ensemble en un faisceau de façon qu'une extrémité de chaque tube soit-couplée à un transducteur 92 L'autre extrémité de chaque tube est ouver- te Lorsque le transducteur 92 est un microphone et que la structure de microphone est pointée dans la direction d'une source de son, ce son est capté et la structure assure une discrimination vis-à-vis du bruit, c'està-dire vis-à-vis des sons qui proviennent de sources autres que la source visée. la figure 11 représente un autre mode de réalisa- tion du chemin de couplage 82 qui est représenté sur la fi- gure 9 Le chemin de couplage comprend un tube creux 100 dont une extrémité est obturée par un bouchon acoustique 104, absorbant le son, et dont l'autre extrémité est cou- plée à un transducteur 106 le tube 100 comporte un ensem- ble d'ouvertures colin-aires disposées par paires: 110, 111; 112, 113; 114, 115;, de façon que les ouvertures de chaque paire soient équidistantes d'une ligne médiane 102 tracée perpendiculairement à la longueur du tube 100 En outre, conformément à l'invention, la distance entre les paires varie conformément à la méthode de diminution avec la plus forte pente. La figure 12 représente la réponse que fournit le réseau à diagramme longitudinal de la figure 11, c'est-à- dire un réseau orienté selon un angle de 2 radians ou 900. On voit un lobe principal 140 à 900 et un ensemble de lobes secondaires notablement plus petits, conformément au but de l'invention On obtient également un tel diagramme de répon- se pour la structure représentée sur la figure 10. le facteur de directivité d'un réseau acoustique à diagramme longitudinal du type représenté sur les figures ou 11 présente une amélioration de 3 d B par rapport à ce- lui d'un réseau à diagramme transversal de la figure 1 qui est orienté à 900 Ceci signifie qu'un réseau à diagramme longitudinal d'une longueur de 91,4 cm est aussi efficace pour réduire le bruit parasite qu'un réseau à diagramme transversal d'une longueur de 182,8 cm. Le tableau ci-dessous montre l'écartement pour un réseau de 48 éléments, d'une longueur de 8 longueurs d'onde et conçu pour avoir des performances optimales à 3521 Hz. TABLEAU Numéros des éléments ,111 112,113 114,115 116,117 118,119 ,121 122,123 124,125 126,127 128,129 ,131 132,133 134,135 136,137 138,139 ,141 142,143 144,145 146,147 148,149 ,151 152,153 154,155 156,157 Distances par rapport à la ligne médiane En longueurs d'onde En centimètres 0,0566 0,1703 0,2851 0,4012 0,5184 0,6362 0,7547 0,8747 0,9973 1,1236 1,2537 1,3875 1,5251 1,6672 1,8154 1,9722 2,1399 - 2,3206 2,5159 2,7296 2,9720 3,2668 3,6390 4,0000 0,554 1,664 2,784 3,919 ,062 6,213 7,369 8,542 9,738 ,970 12,243 13,548 14,892 16,279 17,727 19,258 ,897 22,659 24,567 26,652 29,020 31,900 ,532 39,058 Bien qu'on ait déterminé les écartements entre éléments en se basant sur les critères de réponse en champ lointain, on peut tout aussi bien utiliser les structures des figures 10 et 11 dans les conditions de champ proche, sans changer les écartements. En considérant à nouveau le réseau à diagramme longitudinal 100 de la figure 11, on note que lorsque le transducteur 106 est un haut-parleur, le signal qu'il rayonne 1 1 s'affaiblit progressivement au fur et à mesure qu'il avance dans le tube 100, à cause du rayonnement par les ouvertures 157, 113, 111 156 Le rayonnement sera d'autant plus grand que les ouvertures sont grandes Le rayonnement mesuré à chaque ouverture correspond à la pression ou à l'ex- citation au niveau de cette ouverture. Lorsque les ouvertures sont relativement petites, l'excitation est pratiquement la même à chaque ouverture, comme il est indiqué en 130 sur la figure 13 la figure 13 montre également la réponse désirée pour le réseau à diagram- me longitudinal de la figure 11 On notera que, comme indiqué ci-dessus, toutes les ouvertures de la figure Il ont la m 4 me taille. Lorsqu'on augmente uniformément la taille des ou- vertures de la figure 11, l'excitation au niveau de l'ouver- ture la plus proche du haut-parleur 106, c'est-à-dire l'ou- verture 157, devient supérieure à l'excitation au niveau de * l'ouverture la plus éloignée du haut-parleur 106, c'est-à- dire l'ouverture 156 la figure 14 montre la réponse pour un mode de réalisation du réseau à diagramme longitudinal de la figure 11 et l'excitation 144 L'excitation 146 au niveau de l'ouverture 157 est deux fois plus grande que l'excitation 148 au niveau de l'ouverture 156 l'enveloppe des lobes se- condaires de la réponse est aussi basse que celle représentée sur la figure 13 En outre, il n'y a aucune dégradation du diagramme de réponse directionnel, sauf un léger élargisse- ment du lobe principal. Lorsqu'on a agrandit les ouvertures de la figure 1 au point qu'il n'y ait pas d'excitation à l'ouverture 156, la plus éloignée du haut-parleur 106, le diagramme d'excita- tion se présente de la manière désignée par la référence 54 sur la figure 15 Ici encore, l'enveloppe des lobes secondai- res de la réponse est aussi basse que celle des figures 13 et 14, et il n'y a pas de dégradation du diagramme de réponse directionnel, sauf un léger élargissement du lobe principal. Ainsi, la variation d'excitation au niveau des ou- vertures, par augmentation de la taille de ces dernières, n'entraîne aucune dégradation du diagramme de réponse, à con- dition que l'excitation diminue linéairement d'une extrémité du tube jusqu'à l'autre Cependant, les relations des écar- tements entre les ouvertures ne sont pas uniformes ou liné- aires, de la manière définie ci-dessus Une partie importan- te du son généré par le haut-parleur 106 de la figure 11 est ainsi rayonnée par les ouvertures sans dégrader le diagramme de réponse du haut-parleur. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil acoustique destiné à produire un dia- gramme de réponse directionnel, comprenant une source, des moyens d'utilisation et un ensemble de chemins de couplage entre la source et les moyens d'utilisation, caractérisé en ce que la relation entre les chemins de couplage ( 82) est non linéaire. 2 Appareil selon la revendication 1 i dans lequel les chemins de couplage comprennent un ensemble de tubes, caractérisé en ce que les longueurs des tubes ( 90) varient de façon non uniforme, de telle manière que pour chaque tube plus court que la distance entre une extrémité commune et une ligne médiane ( 91), il existe un tube plus long que cet- te distance, avec un écart égal, et la relation entre les distances est déterminée par la formule récursive: N 2 cos l 41 WD (sin G-1)3 R = t 1 2 N dans laquelle: R est la réponse de l'appareil, 2 N est le nombre de tubes, D est la distance de l'extrémité du tube de rang i jusqu'à la ligne médiane ( 131), et G est l'angle d'incidence d'un front d'onde sonore par rapport à la ligne médiane. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes ont pratiquement le m&me diamètre. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'utilisation consistent en -un haut-parleur couplé à une extrémité des tu- bes. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 2 ou 3, caractérisé en ce que la-source est un micro- phone qui est couplé à une extrémité des tubes. 6 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chemins de couplage comprennent en outre un tube (figure 11, 100) comportant un absorbeur acoustique ( 104) fixé à une première extrémité du tube, et un ensemble de paires d'ouvertures ( 110, 111; 112, 113; 156, 157) les ouvertures de chacune des paires étant placées de façon équidistante d'une ligne médiane ( 102) du tube, et de part et d'autre de cette ligne, et la relation entre les paires varie conformément à la formule récursive: N 2 cos l 4-r Di(sin O-1)3 i R = i= 1 2 N dans laquelle: R est la réponse de l'appareil, O est l'angle d'incidence d'un front d'onde sonore par rapport à la ligne médiane, 2 N est le nombre d'ouvertures, et Diest la distance de l'extrémité de la paire de rang i par rapport à la ligne médiane. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures ont pratiquement la même taille. 8 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens d'utilisation consistent en un haut-parleur qui est couplé à une seconde extrémité du tube. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 6 ou 7, caractérisé en ce que la source est un micro- phone qui est couplé à la seconde extrémité du tube. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chemin de couplage comprend un tube ( 100) ayant un ensemble d'éléments disposés par paires ( 110, 111; 112, 113; 156, 157) de façon que les éléments dans chacune des paires soient équidistants d'une ligne médiane ( 102) en étant situés de part et d'autre de cette ligne, et les distances des éléments par rapport à la ligne médiane, en longueurs d'onde, sont les suivantes: + 0,0566, + 0,1703, + 0,2851, + 0,4012, + 0,5184, + 0,6362, + 0,7547, + 0,8747, + 0,9973, + 1,1236, + 1,2537, + 1,3875, + 125251 s, + 1,6672, + i,8154, + 1,972, + 2,1399, + 2,3206, f 2 o,5159, + 2,7296, + 2,9720, 35,2668, + 3,6390, et + 4 e 0000.