Brevet FR2620892A1 — publié le 19890324

La présente invention concerne un procédé et un appareil de localisation acoustique ainsi que des éléments de l'appareil, et en particulier des sous-ensembles compre- nant des microphones. Dans un milieu fermé, par exemple dans la tourel- le d'un char ou dan_ une soute de sous-marin, un observateur est isolé de tous les sons provenant de sources extérieures. La perception des environs par l'observateur, due aux seules caractéristiques visibles, est très limitée puisqu'elle cor- respond habituellement à un champ de vision étroit et dirigé, pouvant être donné par exemple par un hublot ou un périscope. De manière analogue, un observateur qui porte un casque protecteur est isolé des sons extérieurs et, lorsqu'il utilise un casque téléphonique incorporé au casque normal, il se fie entièrement aux réactions sonores produites par les écouteurs du casque téléphonique. Lors de l'enregistre- ment d'un son ou de sa retransmission avec effet stéréopho- nique, on utilise couramment deux microphones et on repro- duit ou retransmet les signaux acoustiques transformés par l'intermédiaire de canaux séparés rejoignant deux écouteurs ou haut-parleurs distants. Les paires de microphones ont - habituellement une distance de séparation correspondant à peu de choses près à la distance de séparation moyenne des oreilles, c'est-à-dire 20 cm. Ils peuvent être en position dégagée, mais dans certains studiosd'enregistrement, on les a montés de part et d'autre d'une tête fixe de mannequin afin que les sons stéréophoniques parvenant sur les micro- phones fixes soient mieux séparés. On a utilisé un appareil de localisation acousti- que entre 1939 et 1944 comme aide à la lutte contre les aéronefs. Un exemple d'appareil réalisé à cet époque compre- nait quatre microphones disposés en T sur une console ro- tative. Bien que les variations de l'amplitude du signal aient pu être contrôlées et utilisées pour la détection de la direction d'une source sonore, lors de la rotation de la console, l'appareil n'a pas permis une localisation immé- diate des sources sonores, même approximative. Il existait un retard important avant que la source sonore puisse être localisée avec précision, souvent après une rotation très importante et superflue. L'invention concerne la résolution de ces problèmes. Plus précisément, elle concerne un procédé de loca- lisation de la direction d'une source sonore qui comprend - d'abord, l'utilisation d'une paire de micropho- nes appariés montés de part et d'autre d'un obstacle acous- tique (cet obstacle protégeant chaque microphone des sons à haute fréquence parvenant sur l'autre microphone, et aug- mentant le retard temporel entre les sons à basse fréquence atteignant les deux microphones), afin que la direction ap- proximative de la source soit déterminée, et - ensuite, la rotation des deux microphones vers la source et la comparaison des signaux de sortie des mi- crophones afin que cette direction de la source soit loca- lisée avec une grande précision. L'invention concerne aussi un appareil de locali- sation acoustique, comprenant - deux microphones appariés montés de part et d'autre d'un corps de support, - chaque microphone étant destiné à assurer une discrimination acoustique dans l'espace entre l'avant et l'arrière, le corps de support pouvant tourner en azimut et jouant le rôle d'un obstacle acoustique protégeant cha- que microphone des sons à haute fréquence parvenant sur l'autre microphone, et augmentant le retard entre les sons à basse fréquence qui atteignent les deux microphones, - le corps de support comprenant un dispositif destiné à placer les microphones en position par rapport à un dispositif de visée, de manière que la ligne de visée soit perpendiculaire à la paire de microphones et recoupe l'axe de rotation. L'appareil peut être sous forme d'un corps de sup- port d'un casque ayant des microphones montés à l'extérieur, un de chaque côté du casque. Dans ce cas, ce dernier a des dispositifs internes de montage afin qu'il puisse être mis en position sur la tête de la personne qui le porte, les deux microphones étant alors disposés perpendiculairement à l'axe de vision de cette personne, c'est-à-dire perpendicu- lairement à la direction du regard au repos (c'est-à-dire lorsque les yeux de la personne qui porte le casque sont dirigés droit en avant, les muscles oculaires étant relaxes). L'utilisation de ce casque avec des amplificateurs appariés et des écouteurs permet au porteur du casque de déterminer l'emplacement approximatif d'une source sonore sans avoir à tourner la tête. Cependant, lorsque le porteur a détermi- né l'emplacement approximatif de la source, il peut alors tourner la tête vers la source pour obtenir une détermination plus précise de la source à l'aide des aides acoustiques, par équilibrage des volumes sonores reçus aux deux oreilles et/ou par réduction du retard entre les sons. Des filtres peuvent être utilisés pour l'élimination du bruit extérieur. Dans une variante, l'appareil peut comprendre un dispositif de visée. Celui-ci est monté entre les microphones avec un axe de visée perpendiculaire à leur paire, et recou- pant l'axe de rotation. Cet appareil, lorsqu'on l'utilise avec un amplificateur stéréophonique équilibré et un casque téléphonique (ou un détecteur de signaux), donne à un ob- servateur des caractéristiques (ou indications) acoustiques suffisantes pour qu'il puisse localiser la source sonore. Il peut alors viser dans la direction du son perçu, par ro- tation du support. Il peut alors utiliser, tout en contrô- lant le son pendant cette rotation, l'information d'inten- sité et de gradient de déphasage pour localiser avec une meilleure précision la direction de la source. Chaque microphone peut être directionnel et peut être combiné à d'autres microphones directionnels, et il est destiné à donner une discrimination spatiale entre l'avant et l'arrière par sommation pondérée des signaux de sortie des microphones. Dans une variante, chaque microphone peut être omnidirectionnel et muni d'un atténuateur acoustique des- tiné à assurer la discrimination nécessaire. L'atténuateur peut être sous forme de pavillons artificiels. Dans une variante, les microphones peuvent être montés dans un atté- nuateur à cavité, par exemple un bloc métallique lourd de forme aérodynamique ayant un petit orifice dirigé vers l'extérieur, ou il peut être monté derrière une ouverture, avec son diaphragme perpendiculaire à l'ouverture. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en plan d'un appareil de localisation acoustique selon l'invention; - la figure 2 est une perspective d'un sous- ensemble à microphone de l'appareil représenté sur la fi- gure 1; - la figure 3 est une coupe par le plan A-A de la figure 2 du sous-ensemble à microphone avec un pavillon ou d'autres accessoires; et la figure 4 est un diagramme synoptique d'un appareil de localisation acoustique comprenant un amplifi- cateur et un casque téléphonique stéréophoniques. Comme indiqué sur les dessins, l'appareil 1 de loca- lisation acoustique comporte un chassis rotatif, représenté sous forme de la coupole d'une tourelle 3 d'un char,deux sous- ensembles 5 à microphone, et un dispositif 7 de visée. Les deux sousensembles 5 représentés en détail sur les figures 2 et 3, sont montés sur la coupole 3 en positionsdiamétra- lement opposées, avec une distance de séparation d'un mètre. Cet espacement correspond à peu près à cinq fois la distance de séparation des oreilles humaines, cette dis- tance étant habituellement d'environ 20 cm. Le dispositif 7 de visée, dans l'exemple considéré, est la partie supé- rieure d'un périscope 9 permettant à l'observateur qui se trouve dans la tourelle du char d'observer les environs. Le dispositif 7 est fixé sur la coupole 3 entre les deux sous-ensembles 5 de manière que son axe optique, c'est-à- dire l'axe de visée L, passe par le centre de rotation de la coupole 3 en étant parallèle au plan du sol. Chaque sous-ensemble 5 comporte un microphone omnidirectionnel miniature 11 de type piézocéramique ou à électret, porté par un boîtier métallique cylindrique 13. Le microphone 11 qui comprend un circuit préamplificateur intégré à semiconducteur, a une courbe de sensibilité pratiquement plate entre 100 Hz et 6 kHz, c'est-à-dire qu'il a une sensibilité constante dans une partie impor- tante de la gamme des ondes acoustiques audibles. Par exemple, il a une sensibilité de 60 dB au-dessous de 1 V pour une pression acoustique de 0, 1 N/m2 à une fréquence de 1 kHz. Le microphone 11 est placé en position centrale dans le boîtier 13 et il est tourné vers l'extérieur. Il est disposé à l'intérieur d'une boule protectrice 15 d'une mousse de matière plastique qui assure à la fois la protec- tion du microphone et l'amortissement des effets des vibra- tions du dispositif de montage et des vibrations de réso- nance de la cavité du boîtier. La boule 15 a une mince peau externe 17 qui est lâche et est formée d'une membrane imper- meable empêchant l'entrée d'eau, et elle est protégée contre les particules de poussière volante par un écran hémisphé- rique 19 formé d'une toile métallique. La boule 15 de mousse est maintenue en position dans le boîtier 13 par des pointes 24 portées par un support 23. Un couvercle hémisphérique d'acier est articulé sur le support 23 et est destiné à recouvrir et protéger la boule 15 de mousse lorsque le microphone 11 n'est pas utilisé. Le microphone est protégé par des pavillons 27 et 29 de caoutchouc. Ils sont destinés à réduire le bruit du au vent mais surtout à modifier la sen- sibilité acoustique du microphone 11 afin qu'il permette une discrimination spatiale des sons entre l'avant et l'arrière. Les pavillons 27, 29 font partie d'une pièce moulée de caoutchouc qui peut se loger proprement sur le boîtier 13 à une première extrémité. L'un des pavillons, le pavillon avant 27, est plus court que l'autre, le pavillon arrière 29. Les pavillons sont réalisés de manière que la différence de sensibilités aux ondes acoustiques provenant de l'avant et de l'arrière soit d'environ 6 dB sur une large plage de fré- quences centrée sur 1 kHz, afin qu'elle corresponde sensible- ment à la discrimination naturelle de l'oreille humaine. Le fil 31 à trois conducteurs partant du microphone l et de son préamplificateur intégré, passe par le centre de l'un des axes creux de tourillonnement qui portent le couvercle 25 et passe dans un bloc à bornes permettant la communica- tion entre l'extérieur et l'intérieur de la coupole 3. Le fil 31 est relié à l'entrée d'un premier canal d'un ampli- ficateur stéréophonique équilibré 33 à haute fidélité. Le microphone 11 de l'autre sous-ensemble 5 est relié de ma- nière analogue à l'autre canal de cet amplificateur 33. Les signaux parallèles de sortie de l'amplificateur 23 par- viennent à un casque téléphonique 35 de bonne qualité, com- prenant deux écouteurs appariés, par l'intermédiaire de deux filtres parallèles appariés 37. L'amplificateur a une courbe plate de sensibilité en fréquence entre 20 Hz et 6 kHz par exemple afin que la distorsion soit minimale. Le casque téléphonique utilisé a une courbe de sensibilité pratiquement plate entre 100 Hz et 5 kHz. Les signaux électriques de sortie de l'amplificateur 37 subissent un écrêtage avant de parvenir au casque téléphonique de l'ob- servateur afin que celui-ci, lorsqu'il écoute avec ses deux oreilles, ne subisse pas une réduction de sa sensibilité auditive à la suite de l'écoute de signaux acoustiques con- tinus et amplifiés ayant une intensité élevée et une longue durée, ou de bruit d'intensité très élevée sous forme d'im- pulsions. Les filtres 37 ne sont qu'éventuels et ils peu- vent être utilisés pour l'extraction des sons indésirables tels que le bruit local du moteur, le bruit du vent ou le bruit des oiseaux. Ces caractéristiques peuvent être choi- sies par commande d'un commutateur convenable. Par exemple, un filtre passe-haut de Butterworth du quatrième ordre, ayant une fréquence de coupure à 1 kHz, peut être utilisé pour la suppression du bruit du vent, et un filtre passe- bas de Butterworth du quatrième ordre peut avoir une fré- quence de coupure à 2 kHz afin qu'il réduise les perturba- tions dues au chant des oiseaux. Les signaux électriques de sortie des filtres 37 peuvent aussi être couplés à des canaux de communication avec d'autres appareils. On sait qu'il existe deux mécanis- mes physiques distincts permettant à un observateur dépourvu d'aide d'identifier la direction d'une source sonore à l'ai- de de ses deux oreilles. Ce sont la discrimination d'intensité à haute fréquence, par exemple au-dessus de 1500 Hz lorsque le diamètre moyen de l'oreille est de l'or- dre de la longueur d'onde, et la discrimination du retard aux fréquences inférieures à 1500 Hz. En outre, bien qu'on attribue essentiellement la localisation aux différences d'intensités entre les sons perçus par les oreilles au-dessus de 1500 Hz, on utilise aussi la discrimination par les re- tards avec l'information d'intensité différentielle, jus- qu'à 4000 Hz et au-delà. Les hommes sont habitués à écouter des sons complexes qui arrivent aux oreilles droite et gauche avec des retards différents et avec des spectres différents d'amplitude en fonction de la fréquence, lorsque les sons à basse fréquence sont diffractés autour de la tête alors que les sons à haute fréquence subissent une atténuation sélec- tive due à la protection par la tête. Plus la fréquence est élevée et plus l'atténuation par la têteest importante. On constate de façon surprenante que, lorsque les microphones sont séparés par des distances nettement supé- rieures à celle qui sépare les oreilles (par exemple cinq fois supérieure) , bien que les retards acoustiques et les différences d'amplitudes soient modifiés en conséquence, l'observateur humain peut s'adapter aux sons qu'il reçoit par les écouteurs et peut les utiliser pour l'identification de la direction des sons. Ainsi, lorsque l'observateur a enregistré son propre système de référence par rapport au système de référence défini par la combinaison système optique-périscope 9 et système acoustique-sousensembles 5 à microphones (il se repère par observation dans l'oculaire du périscope), il peut déterminer l'emplacement des sources sonores par rapport à l'axe de visée L. Il peut alors faire tourner la coupole 3 afin que cet axe L de visée soit diri- gé vers la source identifiée. Lorsqu'il aligne la source, il peut non seulement se référer à sa vision mais aussi aux caractéristiques acoustiques. De cette manière, il utilise des caractéristiques analogues à celles qu'utilise- rait un observateur qui tourne la tête vers la source, en essayant d'équilibrer les sensations sonores des deux oreil- les, ou d'annuler le retard entre les signaux reçus par les deux oreilles, ou d'utiliser les deux méthodes, suivant la fréquence des signaux. L'appareil décrit peut être utilisé pour la trans- mission de signaux électriques permettant un traitement et une indication automatiques.Par exemple, les signaux électriques de sortie de l'amplificateur 33 peuvent par- venir à un détecteur de signaux qui, à des fréquences choisies, peut détecter les déphasages ou les différences d'amplitudes et peut donner une indication sur la direction de la source. Cette indication peut alors être utilisée pour le renforcement du jugement suggestif de l'observateur. On peut aussi utiliser des arrangements de micro- phones à la place de microphones individuels afin que les caractéristiques signal/bruit de l'appareil soient meilleures. Bien que, dans l'exemple qui précède, on ait con- sidéré qu'un dispositif de visée à périscope comme dispo- sitif 7 de visée de l'appareil, on peut aussi utiliser un tube ou une caméra infrarouge dirigé ou un autre dispositif de visée directionnelle, par exemple à faisceau radar ou sonar utilisé pour la représentation visuelle des environs. g REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation de la direction d'une source sonore, caractérisé en ce qu'il comprend - d'abord, l'utilisation de deux microphones appa- ries (5Y montés de part et d'autre d'unobstacle acoustique (3) (cet obstacle protégeant chaque microphone des sons à haute fréquence parvenant sur l'autre microphone et augmen- tant le retard entre les sons à basse fréquence atteignant les deux microphones), afin que la direction approximative de la source soit déterminée, - puis la rotation de la paire de microphones (5) vers la source et la comparaison des signaux de sortie des microphones afin que la direction de la source soit lo- calisée avec une plus grande précision. 2. Appareil de localisation acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de microphones appariés (5) montés de part et d'autre d'un corps de support (3), - chaque microphone (5) étant destiné à assurer une discrimination acoustique spatiale entre l'avant et l'arrière, le corps de support (3) pouvant tourner en azimut et jouant le rôle d'un obstacle acoustique protégeant cha- que microphone (5) des sons à haute fréquence parvenant sur l'autre microphone (5) et augmentant le retard entre les sons à basse fréquence atteignant les deux microphones (5), le corps de support (3) comprenant un dispositif destiné à placer les microphones (5) par rapport à un dispositif de visée (7) en position telle que l'axe de visée (L) est perpendiculaire à la paire de microphones (5) et recoupe l'axe de rotation. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps de support (3) est sous forme d'un casque, les microphones (5) sont montés à l'extérieur du casque, et ce dernier comprend des dispositifs internes de montage as- surant son positionnement sur une tête humaine. 4. Appareil de localisation acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de microphones appariés (5) montés de part et d'autre d'un corps de support (3), - chaque microphone (5) étant destiné à assurer une discrimination acoustique spatiale entre l'avant et l'arrière, le corps de support (3Y étant destiné à tourner en azimut et jouant le rôle d'un obstacle acoustique proté- geant chaque microphone (5) des sons à haute fréquence par- venant sur l'autre microphone (5) et augmentant le retard entre les sons à haute fréquence atteignant les deux micro- phones (5), et - un dispositif de visée (7) monté entre la paire de microphones (5), l'axe de visée (L) étant perpendiculaire à la paire de microphones (5) et recoupant l'axe de rotation. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque microphone est destiné à assurer la discrimination spatiale entre l'avant et l'ar- rière à l'aide de pavillons artificiels (27, 29).