Brevet FR2550903A1 — publié le 19850222

Procédé et dispositif de commande et de régulation de chaîne électroacoustique L'invention concerne la commande et la régulation de chaînes électroacoustique et elle trouve une application importante dans la constitution d'installations d'écoute, restituant un programme enregistré. Elle comporte néanmoins de nombreuses autres applications, et en particulier la réalisation d'installations d'absorption acoustique active permettant de réduire le niveau de bruit dans une zone protégée. Pour atteindre ce résultat, l'invention propose de constituer une chaîne telle que la pression acoustique en un point donné de l'espace d'action (espace d'écoute ou zone protégée par exemple) soit approximativement proportionnelle à une tension électrique d'entrée, à un retard près, qui sera généralement de l'ordre de quelques millisecondes Diverses tentatives ont déjà été faites pour approcher ce résultat.En particulier, on a proposé d'asservir le signal de la source électroacoustique au niveau sonore en un emplacement d'une zone d'écoute. Cette solution est très loin diêtre satisfaisante. Un tel asservissement de niveau respecte en effet très mal la phase du signal. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de commande et de régulation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent d'arriver à une proportionnalité satisfaisante dans une large plage de fréquence.Dans ce but, I'invention associe un asservissement de vitesse ou d'accélération de l'organe mobile de la source (bobine dans le cas d'un haut-parleur) et la transformation du signal électrique appliqué à la source par une fonction de transfert inverse de la fonction de transfert préalablement mesurée entre la tension d'entrée de la source et la pression acoustique en un point de la zone d'écoute ou de la zone protégée. De façon plus précise, I'invention propose un procédé de commande et de régulation de chaîne électroacoustique caractérisé en ce qu'on applique un signal électrique impulsionnel à une source appartenant à ladite chaîne, on mesure la pression acoustique en un point d'écoute, on détermine la fonction de transfert entre le signal électrique appliqué et la pression acoustique et on fait subir ensuite, aux signaux électriques appliqués a la source, une transformation par la fonction de transfert inverse de celle qui a été mesurée. La transformation peut être réalisée à l'aide d'un appareil de convolution fonctionnant en temps réel, associé à un circuit à retard. Le noyau de la convolution est constitué par une approximation de la réponse impulsionnelle antérieurement déterminée. Ce noyau de convolution peut être réalisé une fois pour toutes ou périodiquement rafraîchi par applications périodiques d'un signal impulsionnel, exploité par un organe de calcul intégré à la chaîne. Dans le cas de l'application de I'invention à une chaîne électroacoustique de reproduction utilisant un ou plusieurs haut-parleurs, le signal électrique impulsionnel est appliqué aux haut-parleurs, qui constituent la source. Dans le cas d'une installation d'absorption active dans une zone protégée, qui sera généralement un tronçon d'un guide, la source est constituée par un ou plusieurs haut-parleurs dont l'action est destinée à équilibrer celle d'un bruit amont se propageant dans le guide, dé-tecté en amont de la zone protégée par un capteur tel qu'un microphone. L'invention propose également un dispositif de commande et de régulation de chaîne électroacoustique permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. Elle sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes d'exécution particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs.La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'une chaîne électroacoustique de restitution et d'écoute conforme a un premier mode d'exécution de l'invention, dont le prix est très peu supérieur à celui d'une chaîne traditionnelle - la Figure 2, similaire à la figure 1, est un schéma de principe montrant le mode de détermination des caractéristiques du filtre appartenant à la chaîne de la Figure 1 - la Figure 3 est un schéma de principe montrant une variante de la chaîne de la Figure- 1, plus complexe mais permettant un rafraîchissement régulier - la Figure 4 est un schéma de principe d'une chaîne de contrôle et de régulation destinee à réaliser une insonorisation par absorption acoustique active dans un guide. La chaîne électroacoustique dont la constitution de principe est montré en Figure 1 est destinée à fournir dans une zone 10 une restitution satisfaisante d'un programme sonore enregistré sur un support. La chaîne représentée comporte un organe de lecture 12 qui attaque une ou plusieurs enceintes 14, une seule étant représentée. Conformément à l'invention, un filtre 16 est interposé entre l'organe de reproduction 12, qui fournit des signaux électriques analogiques, et les enceintes 14. Ce filtre doit avoir une fonction de transfert inverse de la fonction de transfert de l'ensemble constitué par les enceintes 14 et le local d'écoute. L'élément essentiel du filtre 16 sera généralement un filtre numérique programmable. non récursif. du type convolueur,muni dun échantillonneur d'entrée. On sait qu:un tel filtre est essentiellement constitué par une chaîne d'éléments à retard permettant de disposer simultanément d'une série d'échantillons successifs, d'éléments multiplieurs pour faire le produit de chacun de ces échantillons par un coefficient prédéterminé, et d'un sommateur fournissant un signal de sortie constitué par la somme des produits. Les échantillons yi du signal de sortie aux instants iat d'un tel filtre sont reliés aux échantillons x(jat) du signal d'entrée et aux coefficients h. du filtre par J la formule Il existe dans le commerce des circuits intégrés sous forme de "puces" réalisant cette fonction dans le cas de h. fixes. Pour des coefficients susceptibles d'être modifiés, ce filtre pourra être réalisé à l'aide d'un multiplieur-sommateur associé à des mémoires vives ou des registres à décalage. Ce filtre numérique programmable doit avoir une réponse impulsionnelle hf(t) qui est inverse de la fonction de transfert de l'ensemble à corriger. Il est donc nécessaire de mesurer cette dernière. Pour cela, on peut utiliser, avant mise en service de la chaîne, le dispositif montré en figure 2. I1 comprend un générateur d'impulsions 18 permettant d'appliquer aux enceintes 14 un signal électrique impulsionnel. Un traducteur électroacoustique 20, placé dans !a zone d'écoute 50 et présentant une grande dynamique de réponse dans la gamme de fréquences audibles, fournit une tenson de sortie représentative de la variation de la pression acoustique en fonction du temps. A partir du signal impulsionnel et(t) de test et de la tension électrique représentative de la pression acoustique p,(t), on peut déterminer. la réponse impulsionnelle h(t) de l'ensemble constitué par les enceintes 14 et par le local d'écoute. Le signal représentatif de la pression acoustique est appliqué à un ensemble de calcul qui comporte un analyseur 22 associé à un calculateur numérique 24. L'analyseur reçoit également le signal impulsionnel de test et(t) et fournit au calculateur 24, par l'intermédiaire d'une ligne bus 26, des signaux d'entrée à partir desquels le calculateur détermine les coefficients à donner au filtre 16 pour que ce dernier ait une réponse impulsionnelle hf(t) représentée par Dans cette formule, h (t) désigne la réponse impulsionnelle recherchée entre la tension d'attaque e(t) et la pression produite p(t), qui est en général l'unité. désigne la transformée de Fourier. On ne décrira pas ici le mode de calcul des coefficients, qui peut être entièrement classique. On indiquera simplement que, pour une installation d'écoute du type dit à haute fidélité", il suffira généralement d'utiliser un filtre ayant un nombre de coefficients compris entre 64 et 512. La mise en oeuvre du procédé suivant l'invention dans le cas du mode d'exécution des figures 1 et 2 apparaît immédiatement : au cours d'une première étape, les caractéristiques de l'ensemble constitué par le haut-parleur et par le local d'écoute sont déterminées à l'aide de l'appareillage montré en figure 2. Puis le filtre est programmé en mémorisant les coefficients définis au cours de cette première étape et l'installation montrée en figure 1 est constituée. La variante de réalisation montrée en figure 3 se différencie de la précédente en ce qu'elle incorpore des moyens permettant de rafraîchir périodiquement les coefficients du filtre, qui constitue dispositif de convolution. Pour cela, I'installation comporte de façon permanente un ensemble de calcul et de programmation du filtre, constitué en général par un microprocesseur 28 associé à un convertisseur analogique/numérique d'entrée 30. Le microprocesseur est programme de façon à pouvoir provoquer, soit à intervalles réguliers au cours de l'écoute, soit en réponse à une commande manuelle (par exemple en cas de changement de natre de l'enregistrement à reproduire) un signal impulsionnel qui est appliqué au haut-parleur 14.En réponse à chacun de ces signaux impulsionnels, le microprocesseur détermine les nouveaux coefficients à affecter au filtre et reprogramme ce dernier. Cette solution permet de suivre les modifications de l'espace de propagation acoustique ou de nature de l'enregistrement à reproduire. Des moyens différents de ceux décrits ci-dessiis peuvent être utilisés : par exemple la réponse h; (t), peut être déterminée en utilisant, à la place d'un générateur d'impulsions 18, un signal test de type "bruit blanc" issu de l'organe de lecture 12. La chaîne de commande et de régulation montrée en figure 4 n'a pas pour rôle d'assurer la fidélité d'une reproduction sonore. Elle constitue une installation d'absorption acoustique active dans un guide 32 comprenant une Dartie aval 34 qui doit être insonorisée, formant par exemple zone d'ambulation,et une Dartie amont par laquelle arrive le bruit à absorber. comme indiqué par la flèche f. La compensation s'effectue en commandant les signaux fournis à des haut-parleurs, tels que 35 et 36, par des signaux de commande obtenus à partir d'un traducteur électroacoustique 38 placé en amont, constitué par exemple par un microphone. Les deux haut-parleurs 35 et 36 ainsi que toute l'électronique comprise entre la sortie du filtre convolueur 44 et ces haut-parleurs constituent un système de sources directif. Ce système est susceptible de rayonner en aval, c'est-à-dire vers la zone 34, un champ. identique à celui d'un seul haut-parleur alors que dans la direction amont, une atténuation d'une vingtaine de dB est obtenue. Un tel dispositif permet d'éviter un "accrochage" ou effet Larsen entre le microphone de commande 38 et le contrebruit injecté. Le microphone, qui remplace la source 12 de la figure 3, attaque, par l'intermédiaire d'un préamplificateur 40 et d'un filtre passe-bas 42, un filtre convolueur 44 constitué d'un convertisseur analogiquo/numérique d'entrée, d'un dispositif de convolution et d'un convertisseur numérique/analogique de sortie. L dispositif de convolution est programmable et comporte un nombre de coefficients hi qui dépendra de la nature du bruit à absorber. Le signal analogique de sortie du filtre 44 attaque l'une des entrées d'un amplificateur 46 comportant ljne boucle ds réaction dont le rôle apparaîtra plus loin.Cet amplificateur attaque à son tour un amplificateur de puissance 48 alimentant le haut-parleur 36 placé le plus en aval et, par l'intermédiaire d'une ligne à retard T 50 et d'un inverseur, un amplificateur 52 alimentant le haut-parleur 35 placé en amont. La boucle de réaction comporte une ligne fournissant un retard 2 T et un filtre passe-bas 53 de caractéristiques comparables à celles du filtre 42. Un commutateur 54 à deux positions permet de relier la chaîne de commande des haut-parleurs 35 et 36 qui vient d'être décrite soit à la sortie du préamplificateur 40, soit à la sortie d'un générateur 58 (générateur d'impulsions ou, mieux, de bruit blanc) d'un ensemble d'analyse de la fonction de transfert à compenser et de programmation des coefficients du dispositif de convolution du filtre convolueur 44. Cet ensemble comporte un capteur 20 (microDhone en général) situé dans la zone d'ambulation 34 à proténer, relié par un préamplificateur 56 à une des entrées (entrée B) d'un analyseur 22 lors du fontionnement. L'autre entrée (entrée A) de l'analyseur peut être reliée à différents points de l'installation.L'analyseur 22 est également relié par une ligne bus 26 à un calculateur numérique 24 muni d'un convertisseur numérique/analogique 58 de sortie, relié au commutateur 54. Une sortie de données 60 du calculateur est reliée à l'entrée de programmation du dispositif de convolution du filtre 44. Ce dispositif de convolution peut être constitué par un circuit intégré existant dans le commerce, de coût faible. Les circuits 22, 24, 26 et 60 peuvent être intégrés dans un ensemble microprocesseur. La mise en oeuvre de l'invention s'effectue de façon similaire à celle décrite en faisant référence à la figure 3. La détermination des coefficients hi du convolueur se fait de la façon suivante 1) le dispositif anti-bruit étant déconnecté à l'aide du commutateur 54, on mesure avec l'analyseur 22 la fonction de transfert H(f) entre les microphones 20 et 38 à partir du bruit se propageant dans le tuyau. 2) la source de bruit étant coupée, le générateur de bruit blanc 58 injecte à l'entrée du, filtre 42 un signal électrique et on mesure les deux fonctions de transfert Hd(f) et Hg(f) obtenues respectivement entre les sorties g de microphones 20 et 38 et le signal électrique. Le calculateur 24 lit, par l'intermédiaire du bus 26, les trois fonctions de transfert et en déduit la réponse impulsionnelle, h(t) du convolueur par la formule N valeurs de cette réponse impulsionnelle échantillonnée sont envoyées dans le convolueur par l'intermédiaire de la liaison numérique 60. En refermant alors l'interrupteur 54 sur l'amplificateur 40 la fonction anti-bruit est réalisée. A partir de ce premier état d'atténuation il est possible, sans aucune intervention extérieure, d'améliorer l'efficacité ou de rattraper une éventuelle variation due à des changements de température ou de vitesse d'écoulement dans le tuyau. Pour cela l'ensemble calculateur-analyseur mesure périodiquement (typiquement à intervalles de quelques dizaines de secondes) la fonction de transfert résiduelle entre les microphones 20 et 38. La connaissance de cette fonction de transfert permet à un algorithme de minimisation de rafraîchir les coefficients du filtre afin de mieux les adapter à la nouvelle configuration. Au cours des différentes phases de l'opération, les branchements de l'analyseur 22 sont modifiés pour permettre la mesure des fonctions de transfert qui interviennent - pour la mesure de H, la voie A est reliée à la sortie de 40 et la voie B à celle de 56 ; - pour la mesure d Hd, la voie A est reliée à la sortie de 58 et la voie B à celle de 56 - pour lc mesure de H g' A est branchée à la sortie de 58 et B à celle de 40 - pour la mesure de la fonction de transfert H résiduel les voies A et B sont respectivement reliées aux sorties 40 et 56 des préamplificateurs de microphones. De même que dans le cas précédent, dans le cas d'une chaîne d'écoute, le dispositif permet de compenser un modification do mobilier ou la présence d'un nombre variable d'auditeurs. L'invention est évidemment susceptible de nombreuses variantes. En particulier, elle n'est nullement limitée à un type particulier de sources sonores et de capteurs. Elle est susceptible d'être mise en oeuvre par les divers moyens utilisés de façon habituelle en électronique et dans le domaine des transmissions. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande et de régulation de source électroacoustique (14, 35-36), caractérisé en ce qu'on applique un signal électrique impulsionnel à la source, on mesure la pression acoustique résultante en un point d'écoute, on détermine en temps réel la fonction de transfert entre le signal électrique appliqué à la source et la pression acoustique, et on fait subir, aux signaux à appliquer à la source, une transformation par la fonction de transfert inverse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la fonction de transfert inverse est appliquée par une convolution dont le noyau est déterminé une fois pour toutes ou périodiquement rafraictii. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour assurer la fidélité de la reproduction d'une source appartenant à une chaîne électroacoustique de reproduction utilisant un ou plusieurs haut-parleurs, on applique le signal électrique impulsionnel aux haut-parleurs, qui constituent ladite source. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour insonoriser par absorption active, une zone protégée d'un=guide, on constitue la source par un ou plusieurs haut-parleurs dont l'action est destinée à annuler celle d'un bruit amont se propageant dans le guide, détecté en amont de la zone protégée par un capteur tel qu'un microphone. 5. Dispositif de commande et de régulation de la source électroacoustique (14, 35-36) d'une chaîne, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (18, 28, 58) pour appliquer un signal électrique impulsionnel à la source appartenant à ladite chaîne, des moyens (20) pour mesurer la pression acoustique en un point d'écoute, des moyens (22-24) pour déterminer la fonction de transfert entre le signal électrique appliqué et la pression acoustique et des moyens (16, 44) pour faire subir ensuite, aux signaux électriques appliqués à la source, une transformation par la fonction de transfert inverse de celle qui a été mesurée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de transformation comportent un filtre numérique programmabl-e non récursif. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le filtre comporte de 64 à 512 coefficients programmables. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 pour chaîne de reproduction, caractérisé en ce que les moyens de détermination de la fonction de transfert comportent un microprocesseur (28) couplé au filtre et capable de programmer ses coefficients. 9. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 d'insonorisation par absorption active, caractérisé en ce que ladite source (35, 36), destinée à fournir un contre-bruit, est reliée, par l'intermédiaire des moyens de transformation, à un capteur (38) sensible au bruit à contrebalancer.