Brevet FR2632474A1 — publié le 19891208

La présente invention concerne des dispositifs d'atténuation active de vibrations. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour atténuer des vibrations de toutes hatures et fréquences, audibles ou non audibles (infrasons, ultrasons). En pratique, ils sont utilisés le plus souvent pour atténuer des vibrations audibles, du bruit, afin de protéger contre la fatigue auditive et d'améliorer les communications en phonie. Dans l'exposé qui suit, on se référera le plus souvent aux phénomènes phoniques: bruit, microphone, haut- parleur. Mais il est bien précisé que cette commodité de langage ne restreint pas la portée de l'exposé et de l'invention, tous les procédés et dispositifs existants étant applicables aux vibrations de toutes fréquences, audibles ou non audibles. On connaît déjà des dispositifs d'atténuation active de vibrations, comportant un récepteur de vibrations, un émetteur d'antivibrations, et un filtre adapté à la fonction de transfert du récepteur à l'émetteur. Dans les systèmes actuels d'atténuation active de bruit, schématisés par la figure 1, le procédé consiste à éliminer tout ou partie du bruit extérieur Be en l'analysant à l'aide d'un microphone M, en filtrant le signal obtenu par un filtre F comportant une partie amplificative, en réinjectant le signal ainsi traité dans un haut-parleur HP (après avoir éventuellement sommé un signal phonie Ph); ce haut-parleur crée un antibruit Ba, identique-à Be en amplitude et fréquence, mais opposé en phase (au signal phonie près éventuellement). La somme de Ba et de Be est donc en principe égale à zéro (ou éventuellement au signal phonie). La difficulté pratique vient des retards qui se produisent entre la réception de Be par le microphone et l'arrivée de Ba sur ce même microphone: ces retards créent des instabilités et empêchent d'augmenter à volonté le gain de la boucle, donc limitent en pratique le niveau d'atténuation. Ces retards sont électroniques, électroacoustiques et aéroacoustiques. La partie du retard due à l'électronique (filtre, ampli, fils de connexion) peut être négligée: elle est de l'ordre de la microseconde (is), donc n'affecte que la.partie des signaux dont la fréquence est de l'ordre du mégaherz (MHz), bien au-delà de la bande passante de l'oreille. Il reste donc à diminuer les retards aéroacoustiques et électroacoustiques. Les retards aéroacoustiques sont dus au trajet du son dans l'air (ou dans tout autre matériau) entre le haut- parleur HP et le microphone M, cette distance d étant fixée par la construction de l'appareil. Les retards électroacoustiques sont dus aux délais de mise en mouvement des parties sensibles des transducteurs. Pour éviter les instabilités, il faudrait utiliser des microphones et des haut-parleurs qui réagissent assez vite pour la bande de fréquence considérée, c'est-à- dire dont le temps de réponse est très inférieur à la période la plus courte des vibrations à atténuer. Pour le bruit, compte tenu de ce que la bande passante de l'oreille s'étend de 20 Hz à 20 000 Hz environ, une telle caractéristique, qui n'est pas forcément difficile à réaliser, n'est cependant pas obtenue avec les transducteurs classiques disponibles sur le marché; en effet, leurs critères de performances portent sur l'amplitude des signaux reçus ou émis mais non sur le temps de réponse. Ces transducteurs présentent généralement les inconvénients suivants: - quand un courant leur est appliqué (ou inversement quand une pression acoustique les atteint), ils mettent un temps assez long avant de réagir: - ce temps est fonction de la fréquence du courant (ou de la vibration), - ce temps est fonction de l'intensité du courant ou de la tension ou de l'amplitude de la vibration. En outre, ils sont encombrants; - leur forme est figée, et n'est souvent pas adaptée au problème d'atténuation active (casque, bouchons d'oreille,. ); - ils ne sont en général pas aptes à jouer à la fois les rôles de haut-parleur et de microphone; - la fonction de transfert hautparleur/microphone qui en résulte rend difficile à concevoir le filtre F de..DTD: contre-réaction, ce qui limite l'atténuation globale. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des réalisations connues en proposant un dispositif dans lequel l'ensemble des retards reste suffisamment petit pour que l'anti-bruit Ba émis par le haut- parleur soit bien pratiquement en opposition de phase par rapport au bruit Be reçu par le microphone. Pour cela, il faut réduire séparément mais simultanément chacun des retards électroacoustiques et aéroacoustiques de façon telle que la somme des retards reste très inférieure à la période la plus courte des vibrations à atténuer. Suivant l'invention, ce dispositif d'atténuation active de vibrations, comportant un récepteur de vibrations, un émetteur d'antivibrations et un filtre adapté à la fonction de transfert du récepteur à l'émetteur, est caractérisé en ce que le récepteur et l'émetteur ont des temps de réponse très inférieurs à la période la plus courte des vibrations à atténuer et la distance entre le récepteur et l'émetteur est très inférieure à la longueur d'onde la plus courte des vibrations à atténuer ou est nulle. S'il s'agit de vibrations sonores, de bruit,c'est- à-dire des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz environ, le dispositif comportant un microphone, un haut- parleur et un filtre adapté à la fonction de transfert.du microphone au haut-parleur, est caractérisé en ce que le microphone et le haut-parleur ont des temps de réponse très inférieurs à 50 us (cinquante microsecondes) et la distance entre le microphone et le haut-parleur est de l'ordre du millimètre ou est nulle. Le récepteur et l'émetteur peuvent être réalisés en copolymère piézoélectrique ou en piézopolymère. La réalisation de tels dispositifs peut se faire en mettant en oeuvre les moyens suivants: Pour réduire le retard aéroacoustique, il faut construire le dispositif de telle sorte que la distance d précitée soit la plus faible possible, en tout cas très inférieure à la longueur d'onde la plus courte de la vibration à atténuer.S'il s'agit de vibrations sonores, de bruit -c'est-àdire des fréquences entre 20 Hz et 20 000 Hz environ-, une distance d, dans l'air, de l'ordre de un millimètre peut convenir. Il est en outre recommandé de coupler le mieux possible les deux transducteurs (récepteur et émetteur) ou (microphone et haut-parleur) en les choisissant de caractéristiques géométriques et électroacoustiques aussi semblables que possible ou même identiques, en plaçant bien entendu une distance définie comme ci-dessus. Cette solution est schématisée par la figure 2. On peut pousser la réduction du retard aéroacoustique encore plus loin, jusqu'à l'annuler totalement. Pour cela, il suffit d'utiliser un transducteur unique, réversible, assurant à la fois la fonction de récepteur (microphone) et la fonction d'émetteur (haut- parleur). Cette solution est schématisée par la figure 3. On en décrira plus loin des modes de réalisation. Pour réduire les retards électroacoustiques, c'est- à-dire les temps de réponse des transducteurs, récepteur (microphone)êmetteur (haut-parleur), on peut les réaliser en polymères piézoélectriques. Un tel matériau particulièrement apte à cet usage est le polyfluorure de vinylidène (PFV- ou PVF), notamment le difluorure de vinylidène (PFV2 ou PVDF). Ce matériau, s'il est bien conditionné, répond aux qualités suivantes, nécessaires à l'atténuation acoustique active: - il réagit à une différence de potentiel ou à une onde de pression dans un temps très faible, inférieur en tout cas à la las (microseconde). En pratique, le temps de réponse du PFV2, mesuré en laboratoire par la montée en pression sous choc, est même inférieur à 20 ns (nanosecondes). Ce résultat est illustré par la figure 4. - ce temps varie faiblement avec la fréquence et l'intensité de la sollicitation - il peut être réalisé en couches minces, et, par exemple, par une application- à un casque ou un bouchon d'oreille, son volume peut ne pas dépasser quelques mm3 - il peut être produit sous n'importe quelle forme, grâce à ses qualités élasto-plastiques qui autorisent le thermoformage, l'enroulage, etc. - il est assez réversible: son utilisation est possible aussi bien en tant qu'émetteur qu'en tant que récepteur - la fonction de transfert haut-parleur/microphone qui en résulte permet de concevoir facilement le filtre F, très simple, de contre-réaction, et permet un gain de boucle élevé, donc une forte atténuation globale. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est le schéma général d'un dispositif d'atténuation active du bruit, la figure 2 est le schéma d'un dispositif dans lequel les deux transducteurs, récepteur et émetteur, sont semblables et très proches l'un de l'autre, - la figure 3 est le schéma d'un dispositif dans lequel il y a un transducteur unique assurant les deux fonctions récepteur et émetteur, - la figure 4 est un graphique illustrant le comportement du polyfluorure de vinylidène sous choc, en fonction du temps, - la figure 5 est la coupe détaillée d'un mode de réalisation d'un transducteur unique sur l'organe vibrant, avec un aimant et deux bobinages, - la figure 6 est le schéma d'un dispositif dans lequel un transducteur unique est réalisé avec un capteur fixé sur l'organe vibrant, - la figure 7 représente un dispositif comportant deux membranes de copolymère piézoélectrique, - la figure 8 représente un dispositif comportant une seule membrane assurant à la fois les deux fonctions récepteur et émetteur, - la figure 9 représente un dispositif comportant une seule membrane, dont la surface est divisée en deux parties dont chacune assure une fonction, récepteur ou émetteur, - la figure 10 représente un appareil protecteur auditif muni d'un dispositif d'atténuation active de bruit, - la figure 1l est une coupe détaillée d'un mode. de réalisation de la coquille de l'appareil de la figure 10. La réalisation d'un transducteur, réversible, assurant à la fois la fonction de récepteur (microphone) et la fonction d'émetteur (hautparleur) est représentée en coupe détaillée sur la figure 5. Ce transducteur est réalisé à partir d'un haut- parleur classique 1, dont la membrane vibrante 2 porte un aimant 3 entouré d'un bobinage dans lequel on envoie un courant Ie représentatif de la vibration à émettre. Selon l'invention, on entoure l'aimant 3 d'un second bobinage 5 qui capte les déplacements de l'aimant 3 et qui envoie donc vers le filtre un courant Ir représentatif de la vibration reçue. Une variante de réalisation d'un tel transducteur À35 unique est schématisée par la figure 6. Elle consiste à utiliser un transducteur émetteur (par exemple un haut- parleur) sur l'organe vibrant 2 (par exemple une membrane) sur lequel on place un capteur 6 de pression, de vitesse ou d'accélération. Ce capteur 6 assure la fonction de récepteur, l'organe vibrant 2 assurant la fonction d'émetteur. D'autres modes de réalisation, plus simples sur le plan mécanique, sont possibles en utilisant les propriétés de membranes en matériau copolymère piézoélectrique. Une telle membrane, dont les deux faces sont métallisées (par exemple, par évaporation sous vide de métal) mais en restant isolées électriquement l'une de l'autre, constitue par elle-même un transducteur. Si une des faces est mise à la terre, la vibration de la membrane engendre un courant sur l'autre surface. Une telle membrane peut donc être utilisée comme récepteur ou comme émetteur, ou comme transducteur unique assurant à la fois les deux fonctions. On donne ci-après trois exemples d'utilisation de telles membranes pour réaliser des dispositifs sans retard acoustique. La figure 7 représente schématiquement deux membranes (7a, 7b) de PVF, parallèles, séparées par un volume (7c) d'air ou de matériau isolant électrique d'épaisseur d, très inférieure à la longueur d'onde la plus courte des vibrations à atténuer. L'une 7b fait fonction de récepteur et l'autre 7a d'émetteur. La figure 8 représente schématiquement un transducteur unique consistant en une seule membrane 8 de PVF, dont les deux faces sont métallisées. Une face 8b recueille le courant engendré par la membrane faisant fonction de récepteur et l'autre face 8a reçoit le courant correspondant à la fonction d'émetteur. La figure 9 représente schématiquement une variante d'un tel transducteur unique. Dans ce cas, la membrane 9 n'est pas métallisée sur toute sa surface. Un anneau 9c, non métallisé, reste isolant. La membrane 9 comporte deux parties métallisées, isolées électriquement l'une de l'autre par cet anneau 9c. Une partie, par exemple la partie centrale 9b, fait fonction de récepteur, l'autre partie, par exemple la partie périphérique 9a faisant fonction d'émetteur. Les trois schémas cités ci-dessus (figures 7, 8 et 9) concernent des membranes planes. Mais cette forme ne s'impose pas. Afin d'augmenter le rendement du matériau copolymère piézoélectrique et de mieux l'adapter à la géométrie du volume dans lequel on veut atténuer les vibrations (par exemple un casque), on peut avantageusement utiliser des membranes non planes, par exemple en forme de calotte concave ou de cène. A titre d'illustration d'un exemple particulier d'application de l'invention, on donne ci-après la description d'un appareil de protection auditive muni d'un dispositif d'atténuation active de bruit conforme à l'un des nombreux modes possibles de réalisation de l'invention. La figure 10 représente l'ensemble de l'appareil sur la tête de son porteur. Un arceau 10 entourant la tête maintient une coquille 11 appliquée contre l'oreille.Cette coquille maintient le dispositif d'atténuation active de bruit. Il comporte un microphone M d'analyse du bruit et un haut-parleur HP d'émission d'anti-bruit. Le microphone M commande le haut-parleur HP par l'intermédiaire d'un filtre F adapté à la fonction de transfert du microphone au haut- parleur. Ce filtre F, y compris son alimentation électrique et un amplificateur est logé dans un bottier B que l'arceau maintient derrière l'oreille. La connexion entre la coquille 11 et le filtre F est assurée par les fils 12 et 13. Dans la coquille 11, le microphone M et le haut-parleur HP ont des caractéristiques conformes à l'invention, c'est-à- dire: distance entre eux de l'ordre du millimètre, temps'de réponse inférieur à 50 ps. La figure 11 représente en coupe un mode de réalisation possible de la coquille 11. La coquille 11 est remplie d'une mousse 14 assez rigide (par exemple, mousse de polyuréthane) au sein de laquelle est ménagée une cavité 15 o sont logés le microphone M et le haut-parleur HP. Un pointillé 16 représente sur la figure 11 la limite entre la mousse 14 et le vide 15. Chacun des deux transducteurs consiste en une membrane de copolymère piézoélectrique (par exemple, polyfluorure de vinylidène) métallisée sur ses deux faces, et maintenue par sertissage entre deux anneaux 17a, 18a; 17b, 18b. Ces anneaux sont maintenus en place par la mousse 14, mais les membranes HP et HM peuvent vibrer librement dans le vide 15. Les anneaux précités sont réalisés en matériau conducteur de l'électricité.En référence à la figure 11, les faces internes (Mi, HPi) sont donc reliées à la masse tandis que les faces externes (Me, HPe) sont reliées par les fils 12 et 13 au filtre F. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications, sans sortir du cadre de l'invention. Il serait facile de la transposer pour réaliser, au lieu d'une coquille appliquée sur l'oreille, un bouchon d'oreille introduit dans le conduit auditif. Mais beaucoup d'autres réalisations sont possibles, avec une variété de dispositions des organes du dispositif et des domaines d'application aux vibrations audibles et non audibles. Toutes relèvent de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'atténuation active de vibrations, comportant un récepteur de vibrations (M), un émetteur d'antivibrations (HP), et un filtre (F) adapté à la fonction de transfert du récepteur à l'émetteur, caractérisé en ce que le récepteur et l'émetteur ont des temps de réponse très inférieurs à la période la plus courte des vibrations à atténuer et la distance (d) entre le récepteur (M) et l'émetteur (HP) est très inférieure à la longueur d'onde la plus courte des vibrations à atténuer ou est nulle. 2. Dispositif d'atténuation active de bruit, conforme à la revendication 1, comportant un microphone (M), un haut-parleur (HP) et un filtre (F) adapté à la fonction de transfert du microphone (H) au haut-parleur (HP), caractérisé en ce que le microphone (M) et le haut-parleur (HP) ont des temps de réponse très inférieurs à 50 is (cinquante microsecondes) et la distance (d) entre le microphone (M) et le haut-parleur (HP) est de l'ordre du millimètre ou est nulle. 3. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le récepteur (M) et l'émetteur (HP) sont réalisés en copolymère piézoélectrique. 4. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le récepteur (M) et l'émetteur (HP) sont réalisés en polyfluorure de vinylidène. 5. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le récepteur (M) et l'émetteur (HP) ont des caractéristiques géométriques et électroacoustiques aussi voisines que possible, ou même identiques. 6. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le récepteur (M) et l'émetteur (HP) consistent en un organe transducteur unique (1) assurant les deux fonctions à la fois. 7. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à la reendication 6, caractérisé en.ce que le transducteur unique (1) faisant fonction à la fois de récepteur et d'émetteur consiste en un organe vibrant (2) tel qu'une membrane, sur lequel est fixé un aimant (3) entouré de deux bobinages (4, 5), l'un assurant la fonction de récepteur (5), l'autre la fonction d'émetteur (4). 8. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le transducteur unique (1) faisant fonction à la fois d'émetteur et de récepteur consiste en un organe vibrant (2), tel qu'une membrane, sur lequel est fixé un capteur (6) de pression, de vitesse ou d'accélération, ce capteur (6) assurant la fonction de récepteur et l'organe vibrant (2) assurant la fonction d'émetteur. 9. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à l'une des revendications 1 ou 2 et 5, caractérisé en ce que le récepteur et l'émetteur consistent chacun en une membrane (7a, 7b) de matériau piézoélectrique dont la surface est métallisée, les deux membranes (7a, 7b) étant placées parallèles l'une à l'autre et séparées par un intervalle (d) d'air ou de matériau isolant électrique d'épaisseur très inférieure à la longueur d'onde la plus courte des vibrations à atténuer. 10. Dispositif d'atténuation active de vibrations, conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe vibrant (2) du transducteur unique (1) faisant fonction à la fois de récepteur et d'émetteur consiste en une membrane (8) en matériau piézoélectrique dont les deux faces sont métallisées. 11. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2 et aux revendications 3 et 6, caractérisé en ce que l'organe vibrant (2) du transducteur unique (1) faisant fonction à la fois de récepteur et d'émetteur consiste en une membrane (9) en matériau piézoélectrique dont les deux faces ne sont pas entièrement métallisées, une partie de la surface, restée non métallisée (9c), isolant électriquement l'une par rapport à l'autre deux parties métallisées (9a, 9b) dont l'une assure la fonction de récepteur (9b) et l'autre assure la fonction d'émetteur (9a). 12. Dispositif conforme à l'une des revendications 9, 10 ou 11, caractérisé en ce qu'au moins une des membranes n'est pas plane mais courbe, notamment en forme de calotte concave ou de cône.