Brevet FR2730564A1 — publié le 19960814

Le domaine technique de la présente invention est celui des capteurs de pression acoustiques sensibles à l'amplitude et à la direction du front de l'onde sonore incidente. Les capteurs acoustiques classiques, tels les microphones à pression ou à gradient de pression, fournissent une tension analogique (scalaire) dont l'intensité est le résultat de la somme des contributions de chaque source sonore présente dans la zone de détection considérée. Un microphone comporte toujours une partie mécano-acoustique qui assure la conversion de l'énergie acoustique en énergie mécanique et une partie électromécanique qui assure la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. Suivant la bande passante recherchée et le milieu opérationnel (air, eau), les technologies employées sont très variées : micro électrodynamique, micro à condensateur, type électret par exemple, micro à charbon, micro piézoélectrique, micro à jauges de contraintes, micro polyvinyldifluoré (piézoélectrique). On distingue deux types de capteurs - les capteurs à mesure de pression de l'onde incidente par rapport à la pression ambiante moyenne, et - les capteurs à gradient de pression qui mesurent la différence de pression de l'onde de pression en deux points très proches. On détermine difficilement la direction de la source sonore avec un capteur scalaire. Pour déterminer cette direction, on effectue généralement un balayage mécanique avec un micro directif. L'inconvénient de cette manière d'opérer réside dans l'inobservation de certains phénomènes puisque le capteur n'est réceptif que dans un seule direction à la fois. Selon un autre processus, on groupe un certain nombre de micros suivant une figure géométrique donnée et on exploite les signaux reçus par des procédés faisant intervenir les déphasages entre signaux. On comprend dès lors que l'électronique nécessaire à cette installation devienne très importante. Le but de la présente invention est de fournir un capteur de gradient de pression acoustique sensible en amplitude, et en direction aux champs extérieurs qui lui sont appliqués. Un autre but de la présente invention est de proposer un capteur délivrant une information relative à l'ensemble des sources sonores de l'espace environnant. L'invention a donc pour objet un capteur de gradient de pression acoustique apte à détecter un signal sonore, caractérisé en ce qu'il comporte - un moyen mécano-acoustique constitué d'une sphère sensible de façon omnidirectionnelle au gradient de pression, - un moyen électromécanique recevant le moyen mécano-acoustique destiné à transformer les efforts en impulsions électriques, et - des moyens électroniques de conditionnement de ces impulsions. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le moyen électromécanique est constitué de deux circuits imprimés comportant des amplificateurs faible bruit séparés par des poutres délimitant une structure triangulée, portant chacune une jauge de mesure des contraintes, et le moyen mécano-acoustique est constitué par une sphère en matériau synthétique de faible épaisseur, qui présente un diamètre environ dix fois inférieur à celui de la longueur d'onde du rayonnement sonore incident. D'une manière générale, la sphère est par exemple collée dans un évidement circulaire de l'un des circuits imprimés, de préférence le circuit imprimé supérieur, le centre dudit évidement étant confondu avec le barycentre des points de contact entre les poutres et le circuit imprimé supérieur, le moyen électromécanique est par exemple fixé sur un support métallique par l'intermédiaire d'entretoises, l'ensemble étant isolé accoustiquement par une plaque de mousse synthétique. Les jauges de contraintes sont par exemple constituées par des barreaux de silicium et les poutres par des céramiques métallisées à leurs extrémités. Un tout premier avantage de la présente invention réside dans le fait que le capteur est sensible de manière omnidirectionnelle aux gradients de pression. Un autre avantage réside dans le fait que l'onde de pression arrivant sur la sphère produit une répartition du champ de pression à la surface de la sphère telle que la force résultante produit une vibration du centre de gravité de celle-ci, caractéristique de la direction de l'onde incidente. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de complément de description donné à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique du capteur, - la figure 2 illustrent les moyens électroniques de conditionnement des impulsions sur une poutre, - la figure 3 est une illustration du développé sur 360 du moyen électromécanique. Le capteur représenté sur la figure 1 comprend une sphère 1 constituant l'essentiel du moyen mécanoacoustique. Cette sphère est composée d'un matériau synthétique du type fibre de carbone, polychlorure de vinyle (PVC), de verre, présentant une masse de l'ordre du gramme. L'épaisseur de la paroi de la sphère est faible de l'ordre de moins de 1/10 mm. Ces valeurs permettent de définir un capteur d'onde du domaine audiophonique dans l'air. De manière générale, la sphère 1 est choisie en fonction de l'onde de pression que l'on veut mesurer ou détecter et son diamètre est sensiblement dix fois plus petit que la longueur de l'onde du rayonnement sonore en cause. Cette sphère est collée dans un évidement 2 d'un circuit imprimé supérieur 3. Ce circuit imprimé 3 est solidaire d'un circuit imprimé inférieur 4 de même nature, dotés de préamplificateurs à faible bruit.Avantageusement, ces préamplificateurs sont disposés sur le circuit imprimé inférieur. Entre ces deux circuits sont disposées six poutres 5, suivant une structure triangulée. Sur ces poutres 5, on colle une jauge de contrainte 6 constituée par un barreau de silicium. La poutre elle-même est par exemple réalisée en céramique métallisée à ses extrémités. La métallisation de la poutre sert de reprise électrique des jauges 6 et de fixation mécanique aux circuits imprimés. Le circuit imprimé inférieur 4 est par exemple équipé de six amplificateurs faible bruit et repose sur un support métallique 9 par l'intermédiaire d'entretoises 10. L'ensemble de ce capteur est alors isolé acoustiquement de l'environnement par exemple par une plaque 11, du type mousse synthétique. La figure 2 montre un exemple de moyens électroniques de conditionnement associé à chaque poutre 5. Ils sont constitués d'un condensateur 12 en relation avec un premier circuit 13 incluant la résistance variable 14 représentant la jauge 6 et d'un amplificateur opérationnel 15 montré en amplificateur de filtre passehaut comme monté sur le dessin. Cet amplificateur délivre une tension de sortie V(t) utilisée dans la matrice définie ci-après. Le développé sur 360 des poutres 5 représenté sur la figure 3 montre la structure triangulée. Les poutres 5 de céramique reçoivent à leurs extrémités un revêtement métallique 16 qui permet de les souder sur les circuits imprimés 3 et 4. Chaque jauge 6 est collée sur la poutre correspondante, le circuit électrique étant fermé par les fils 17 reliant la jauge aux revêtements 16. Le capteur ainsi réalisé fournit un vecteur de six tensions analogiques V(t) représentant la somme vectorielle de toutes les sources sonores de l'espace environnant. Dans le cas d'une onde sonore plane progressive (ou sphérique si la source est éloignée du capteur), la connaissance de la matrice de transfert [M] du capteur permet de calculer la direction en coordonnées sphériques D = f(r, q, j), où r est l'amplitude de l'onde sonore, q représente le site (0 à p) et j représente l'azimut (-p/2 à +p/2). Lorsqu'une onde de pression frappe la sphère, la répartition du champ de pression à sa surface est telle que la force résultante produit une vibration du centre de gravité de celle-ci caractéristique de la direction de l'onde incidente. Cette force est alors transmise à la partie électromécanique grâce à la fixation rigide décrite ci-dessus. Puisque la fixation de la sphère n'englobe pas son centre de gravité une composante de moment apparaît. Les efforts sont transmis à la partie électromécanique par la sphère 1 et le support métallique 9 sert de référence statique de force en raison de sa forte inertie. Les efforts transmis par la sphère 1 peuvent être représentés par un torseur T(t). Grâce à la structure triangulée des poutres, le torseur crée des contraintes de traction/compression au niveau des jauges qui engendrent des variations de résistance qui après conditionnement deviennent des tensions électriques V(t). Dans la bande passante du capteur liée au diamètre de la sphère, le torseur engendre une réponse vectorielle du type V(t) = [M] x T(t) où [M] est la matrice de transfert 6 x 6 du capteur. Connaissant V(t) qui est le vecteur fourni par les six jauges du capteur, on calcule le torseur Tx (t) Ty (t) T(t) = [M]-1 x V(t) = Tz (t) Mx(t) My(t) Mz (t) M doit bien entendu être connu. Une façon de connaître [M] et de procéder par un moyen d'identification sur banc d'essai. Dans cette technique, on soumet le capteur à une série de torseurs connus T(t). On applique ensuite la méthode des moindres carrés généralisés pour déterminer la matrice [M]. Comme le nombre d'essais peut être très supérieur à l'ordre de la matrice recherchée, on utilise la méthode de la pseudo-inverse [M] = [VT V]-1 VT T Les trois composantes du torseur Tx(t), Ty(t) et Tz(t) sont les trois composantes de force dans un repère cartésien lié au centre de gravité G de la sphère 1. A partir des valeurs de Tx(t), Ty(t) et Tz(t), on effectue un passage en coordonnées sphériques par les formules classiques de transformation. Ce capteur trouve des applications dans la veille et la localisation acoustique, nécessitant un microphone vectoriel tel que décrit ci-dessus - mines intelligentes pour localisation et suivi de véhicules (camions, chars...), - surveillance de locaux, - détection et localisation de bancs de poissons, - si le capteur est fixé sur un mobile, il peut aussi servir d'accéléromètre six axes (la sphère sert alors de masse sismique), - utilisé en couple, il peut non seulement localiser, mais aussi estimer la distance de la source sonore. REVENDICATIONS 1 - Capteur de gradient de pression acoustique apte à détecter un signal sonore, caractérisé en ce qu'il comporte - un moyen mécano-acoustique constitué d'une sphère (1) sensible de façon omnidirectionnelle au gradient de pression, - un moyen électromécanique (3, 4, 5, 6) recevant le moyen mécano-acoustique destiné à transformer les efforts en impulsions électriques et - des moyens électroniques de conditionement de ces impulsions. 2 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen électromécanique est constitué de deux circuits imprimés (3, 4) comportant des amplificateurs faible bruit séparés par des poutres (5) délimitant une structure triangulée, portant chacune une jauge (6) de mesure des contraintes. 3 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen mécano-acoustique est constitué par une sphère (1) en matériau synthétique de faible épaisseur. 4 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sphère (1) présente un diamètre environ dix fois inférieur à celui de la longueur d'onde du rayonnement sonore incident. 5 - Capteur de gradient de pression acoustique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend six poutres (5) délimitant la structure triangulée. 6 - Capteur de pression acoustique selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la sphère (1) est collée dans un évidement circulaire (2) d'un des circuits imprimés (3, 4). 7 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la sphère est solidaire du circuit imprimé supérieur (3). 8 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le centre de l'évidement circulaire (2) est confondu avec le barycentre des points de contact entre les poutres(5) et le circuit imprimé (3). 9 - Capteur de gradient de pression acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen électromécanique (4) est fixé sur un support métallique (9) par l'intermédiaire d'entretoises (10), l'ensemble étant isolé acoustiquement par une plaque (11) de mousse synthétique. 10 - Capteur de gradient de pression acoustique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les jauges de contraintes (6) sont constituées par des barreaux de silicium et les poutres (5) par des céramiques métallisées à leur extrémités.