Brevet FR2726115A1 — publié le 19960426

DISPOSITIF ACTIF D1ATTENUAON DE L'INTENSITE SONORE Domaine technique L'invention concerne un dispositif fixe d'atténuation des bruits générés par des sources mobiles, plus précisément des moyens de transports tels que les avions ou les transports terrestres. Techniaue antérieure Le bruit des transports est la principale nuisance subie dans l'habitation, à l'intérieur, fenêtres ouvertes et à l'extérieur dans les jardins, parcs, espaces verts et terrasses. Cette nuisance s'accroit inexorablement au fil du temps dans la plupart des sites urbains ou péri -urbains du fait de l'augmentation du trafic liée aux performances des véhicules, ce malgré l'amélioration constante de leur bruit intrinsèque. Compte tenu de la nature physique du son, c'est-à-dire une onde de pression propagée "mécaniquement" dans l'air, on est conduit à constater que la seule façon de se protéger du bruit est de se placer à l'abri d'un écran, interposé entre la source de bruit et la zone à protéger. Cet écran réfléchit ou absorbe le son reçu. Cette solution est majoritairement utilisée que ce soit avec des fenêtres isolantes ou avec des murs "anti-bruit", le long des voies de circulation. Lorsqu'elle est économiquement et esthétiquement acceptable, cette solution est satisfaisante. Malheureusement, ses performances sont limitées par l'effet de diffraction du son derrière l'écran, dont les effets sont essentiellement liés à l'envergure de l'écran et à la distance entre la source de bruit (ou la zone à protéger) et l'écran, ces distances étant rapportées à la longueur d'onde du son à atténuer. Ainsi, pour les bruits d'avions au décollage, un écran permettant une bonne protection n'est généralement pas acceptable architecturalement. Dans tous les cas, l'opacité optique des écrans entraine une privation de la vue et de la lumière souvent inacceptable. Enfin, la réflexion des bruits inddents augmente l'intensité sonore pour le voisinage et interdit souvent l'utilisation d'une telle solution. Ces raisons créent un besoin d'écrans acoustiques plus légers, aérés et transparents, et adaptés en vue de leur insertion dans un ensemble architectural ou une réalisation industrielle. Dans cet esprit, il est possible de diminuer le bruit émis par des sources en leur adjoignant un dispositif générant une onde sonore opposée, qui, se combinant avec l'onde initiale diminue l'intensité sonore totale de l'ensemble. Cette combinaison est possible, du fait que la source annexe, solidaire de la source principale, génère des ondes de même origine, donc de même géométrie. Ce dispositif est notamment appliqué à des échappements de voiture. A fortiori, il permet d'équiper des installations fixes de machines émettrices de bruit, telles que des bouches industrielles d'échappement de gaz . Ces dispositifs, bien qu'efficaces, nécessitent d'être attachés à la source principale de bruit, ce qui est inconcevable sur bon nombre de moyens de transport, dont notamment les avions. Il a également été proposé des dispositifs fixes, destinés à être installés au niveau d'une zone que l'on souhaite protéger. Par exemple dans le document FR-A-1.494.967, on décrit un dispositif électroacoustique d'absorption des sons et bruits comprenant une pluralité de sources sonores secondaires, constituées chacune d'un microphone dirigé vers la source sonore à neutraliser, d'un amplificateur, et d'un hautparleur dirigé vers la zone à protéger, destinée à émettre en direction de ladite zone un signal sonore de même amplitude mais de signe oppose. Malheureusement, les sources secondaires agissent indépendamment, couvrant des sous-zones disjointes et par construction proches. Ainsi, cette proximité fait que la courbure des ondes émises est relativement élevée, donc très mal adaptée à annuler une onde plane, telle que celle émise par une source lointaine. L'invention pallie tous ces inconvénients. Exposé de l'invention L'objet de l'invention est de permettre la protection d'une aire extérieure vis à vis du bruit issu de sources sonores situées à distance, par exemple en altitude, telle que notamment les bruits d'avions à proximité d'une piste d'aéroport. L'invention concerne un dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, comprenant une pluralité de sources sonores, chacune comportant - au moins deux capteurs susceptibles de déterminer le signal de pression et la direction de l'onde émise par la source de bruit; - des moyens pour traiter de manière analogique et/ou numérique les signaux issus desdits capteurs et pour générer des signaux correspondants de même amplitude mais de signe opposé;; - un émetteur acoustique, par exemple un haut-parleur, connecté auxdits moyens, et susceptible d'émettre une onde selon la même direction et le même sens que l'onde incidente, les capteurs et l'émetteur étant placés de telle façon que l'onde incidente atteigne préalablement les capteurs, caractérisé en ce que les sources sonores sont installées dans l'espace proche de la zone à protéger de telle manière que les ondes émises par l'ensemble des émetteurs acoustiques interfèrent pour former une onde résultante de courbure de l'ordre de grandeur de la courbure de l'onde incidente, de manière à ce que par superposition, cette onde puisse efficacement se soustraire à l'onde incidente, ce dans le tout volume de ladite zone. En pratique, chaque source sonore est placée à une distance verticale ou transversale de la zone à protéger, comprise entre 3 et 20 mètres, de préférence entre 5 et 12 mètres, et le nombre de telles sources par unité de surface couverte est de l'ordre d'une source pour 10 mêtres carrés. En effet, dans ces conditions, compte tenu des longueurs d'ondes de l'onde incidente, au dessous de 25 m, l'onde résultant des interférences entre les différentes sources sonores a une courbure quasiment nulle dans le volume sous jacent. Entre 5 et 12 m, on réalise un bon compromis entre le nombre de sources nécessaires, la planéité de l'onde résultante et les possibilités de fixation. Autrement dit, le dispositif est composé de plusieurs capteurs et sources sonores aptes à reproduire les caractéristisques de l'onde incidente et à émettre une onde opposée. Ces sources sonores sont placées autour de la zone à protéger qu'elles ne recouvrent que très partiellement. L'invention consiste à disposer les différentes sources les unes par rapport aux autres de telle façon que la combinaison des ondes émises par chaque source prenne la forme d'une onde quasi-plane. Donc, par rapport à l'onde à neutraliser, l'onde de contre-bruit résultante est non seulement d'amplitude égale et de signe opposé, mais encore et surtout elle possède une courbure similaire. Ainsi, dans tout le volume à protéger, l'onde de contre-bruit et l'onde incidente se compensent géométriquement et en amplitude, réalisant ainsi les deux conditions nécessaires à la réduction de l'intensité du champ sonore. Le capteur est placé suffisament en amont de l'émetteur acoustique pour que le temps de parcours de l'onde entre le capteur et le centre acoustique de l'émetteur soit supérieur au temps d'élaboration de l'onde opposée. De manière connue, on appelle "centre acoustique" de l'émetteur, le point précis situé dans le cône d'émission à quelques centimètres de la membrane, à partir duquel l'onde parait être émise sous forme sphérique. Avantageusement, le dispositif comprend également au moins un capteur placé au niveau de la zone à insonoriser, et relié aux moyens de traitement, permettant ainsi la régulation optimale de l'onde de contrebruit au niveau de la zone à traiter, par commande d'une boucle de rétroaction permettant d'adapter en permanence les gains et retards du signal de contre-bruit. Avantageusement, les microphones utilisés ont un diagramme de directivité présentant un minimum de sensibilité dans le demi-espace dirigé vers l'émetteur, de façon à se prémunir à la fois des ondes réfléchies par le sol et les obstacles proches, mais aussi du rayonnement latéral et arrière des sources de contre-bruit. Dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention, chaque source sonore est composée d'un ensemble de deux microphones rapprochés, installés sur un bras vertical dont l'extrémité inférieure est fixée à une enceinte comprenant les moyens de traitement et un hautparleur. Dans une forme plus évoluée de réalisation, chaque source sonore est composé d'au moins trois microphones installés chacun au sommet d'une canne, les microphones étant disposés de telle façon que le centre de gravité des microphones soit situé à quelques centimètres au dessus du centre acoustique du haut-parleur. Ainsi, dans ce cas, les différents microphones permettent d'élaborer les caractérisques de l'onde incidente au niveau du centre de gravité des microphones. Comme ce centre de gravité est très peu éloigné du centre acoustique du haut-parleur, ce dispositif est insensible aux variations d'angle d'incidence de la source de bruit. De la sorte, il est bien adapté à l'atténuation des sources mobiles. Avantageusement, le dispositif est installé au sommet d'un mât. Dans une autre variante, le dispositif peut s'accrocher sur une façade, sur un portique ou dans un arbre. Dans une forme particulière d'exécution, le mât comporte un dispositif mécanique de pointage de manière à orienter continuement le mât dans la direction de la source mobile à neutraliser. Description sommaire des dessins La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une vue générale d'une habitation équipée de divers dispositifs conformes à l'invention. La figure 2 représente un dispositif élémentaire, tel que monté au sommet d'un mât. La figure 3 décrit un schéma représentatif de l'élaboration de l'onde de contre-bruit à partir de deux sources. Mode de réalisation de l'invention Le dispositif selon l'invention a pour objet de former un écran actif à diverses sources de bruit, notamment les bruits engendrés par les moyens de transports, tel qu'un avion au décollage. Il est plus particulièrement destiné à protéger des espaces ouverts tels que terrasses, façades d'habitation, jardins, parcs ou espaces récréatifs. Comme représenté à la figure 1, le dispositif (1) conforme à l'invention comporte plusieurs sources sonores installées en divers emplacements, à savoir: - sur un mur à la manière d'une applique ou d'un projecteur ou d'une suspension (A); - fixées au sommet d'un mât à la manière d'un lampadaire (B) - fixées aux branches d'un arbre tel un projecteur (C); - ou encore, dans des variantes non illustrées, au sein d'une borne. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, telle qu'illustré à la figure 2, une source sonore (1) du dispositif se présente sous l'apparence générale d'un globe d'éclairage. Il comprend un premier microphone (2) placé à l'extrémité d'une canne (4). Un deuxième microphone (3) est placé en dessous du premier (2) à une distance variant entre 5 et 30 millimètres. L'autre extrémité de la canne est reliée à une sphère (5) de diamètre de 25 cm de diamètre environ. Cette sphère (5) contient un ensemble électronique (6) assurant le filtrage optimal adaptatif des signaux issus des microphones (2,3). Les éléments (7) d'amplification et d'alimentation du haut-parleur sont également intégrés dans la partie haute de la sphère (5). La partie inférieure de la sphère (6) reçoit la face parlante (9) du haut parleur (8). Le dispositif (1) selon l'invention est destiné à combattre les nuisances sonores, notamment celles générées par des bruits d'avions (voir figure 3). Les ondes émises (20) par les avions ont comme caractéristiques principales d'être quasi-planes si on les considère au niveau d'une zone de surface limitée, c'est-à-dire une aire dont les dimensions sont négligeables par rapport à l'altitude de l'avion. Le dispositif fonctionne donc en générant une onde (21) aussi plane que possible et opposée à l'onde incidente (20). Comme il est impossible d'obtenir une onde quasi-plane avec une source ponctuelle à distance finie, l'invention combine l'utilisation de plusieurs sources sonores (1) pour obtenir une onde s'en rapprochant suffisamment pour obtenir en tout point de la zone protégée, l'effet de compensation voulu. Les sources telles que décrites sont réparties sur une surface fictive couvrant la zone à protéger, selon la forme de cette zone et les directions des ondes incidentes, variables continuellement en fonction de la position de l'avion. Leur nombre est fixé par la distance minimale à respecter entre chacune d'elles pour réaliser la planéité requise de l'onde de contre-bruit ; cette planéité étant à assurer dans une marge de tolérance, normale à l'onde, inférieure à la "longueur de corrélation" (lc) de l'onde incidente, c'est-à-dire typiquement environ inférieure à un mètre.De manière connue, pour un signal à prépondérance aléatoire, tel qu'un bruit d'avion, la "longueur de corrélation" du signal reçu est la distance maximale comptée selon la direction de propagation de l'onde et à l'intérieur de laquelle le signal ne présente pas de caractères statistiques de corrélation ou de similitude avec le reste du signal. Ces différentes sources sonores (1), au nombre minimum de trois (seules deux sont représentées sur la figure 3), émettent chacune une onde (22) de signal opposé à celui de l'onde incidente. En chaque point pris à l'intérieur d'un cône d'émission, la courbure de chaque onde (22) prise indépendamment est égale à la distance entre le haut-parleur et ledit point. En s'additionnant, les trois ondes émises donnent une onde complexe (21), dont la courbure est quasiment nulle dans une zone dite "zone de Fresnel". Cette zone s'étend en largeur entre les plans (P1,P2) perpendiculaires à l'onde et passant par les haut-parleurs (8). Elle est limitée en hauteur entre la distance (d) égale à celle séparant les haut -parleurs et une distance (h) égale à la moitié du rapport du carré de la distance (d) entre haut-parleurs (8) divisé par la longueur caractéristique de l'onde émise (h= d2/(2.lc) ), ces distances étant mesurées à partir des haut-parleurs. A l'extérieur de cette zone, on retrouve une onde (21), dont la courbure croît avec la distance parcourue, et est donc inapte à se combiner avec une onde quasi-plane dans le but de l'annuler. On arrive ainsi à une distance (d) minimale pratique entre sources de l'ordre de 3 à 5 mètres, selon la hauteur où l'on place les sources et les caractéristiques des bruits traités. La détection de l'onde incidente est réalisée par l'ensemble de microphones (2,3), placés à des hauteurs différentes. Un algorithme de traitement permet, en fonction des signaux générés par ces deux capteurs (2,3), d'élaborer la vitesse du signal acoustique porté par l'onde incidente et en la combinant à la pression de cette même onde, d'effectuer la discrimination entre le signal acoustique porté par cette onde et ceux qui sont porté par les ondes parasites réfléchies, ou rayonnées vers l'arrière par les sources de contre-bruit. La nature des bruits émis par un avion étant à prépondérance aléatoire, l'ensemble de traitement (6) comporte des moyens de calculs adéquats et classiques pour effectuer un filtrage optimal et adaptatif, c'est-à-dire évoluant en fonction des caractéristiques variables et aléatoires de l'onde incidente, et tout particulièrement son orientation.Ces moyens de traitement (6) utilisent des principes algorithmiques connus dans le domaine du traitement statistique du signal, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les décrire plus en détails. A l'issue de la phase de traitement, les moyens d'amplification (7) reçoivent le signal correspondant à l'onde opposée à l'onde incidente et génèrent le courant nécéssaire au haut-parleur (8) pour l'émission. Il convient donc de s'affanchir des perturbations engendrées par le rayonnement arrière des haut-parleurs (8). En effet, le haut-parleur (8) émet en direction des microphones une fraction du signal de contre-bruit ou onde opposée : les moyens de traitement (6) produisent un contrebruit opposé, lequel a pour effet de renforcer le bruit incident et à tendance à donner lieu à un phénomène d'instabilité, généralement dénommé "effet Larsen". Pour éviter ces fonctionnements parasites, et donc accroitre la réjection arrière, autrement dit de se prémuinr du rayonnement arrière du haut-parleur, on éloigne les microphones (2,3) du haut-parleur en les surélevant. Il en résulte que le signal capté doit être mémorisé par des moyens adéquats (10) pour être restitué dans le délai de parcours de l'onde incidente entre les microphones (2,3) et le centre acoustique du hautparleur (9). Pour diminuer encore l'influence du rayonnement arrière du haut parleur (8), on utilise des microphones ayant un diagramme de directivité très atténué dans le demi-espace arrière. Le diagramme de directivité représente de manière connue, la sensibilité à une onde en fonction de sa direction d'origine par rapport à l'axe du microphone. L'association de deux microphones permet de réaliser un diagramme de révolution "cardioïde", dont la sensibilité est minimisée vis-à-vis d'une onde issue de l'arrière et maximale pour une onde issue de l'avant. En outre, les haut-parleurs choisis sont de haute qualité, de très grande fidélité de restitution dans la bande de fréquence d'intêret. L'effet résiduel des résonnances, déjà très amorties, est compensé par des filtres adaptés. Un perfectionnement du dispositif illustré à la figure 3, permet d'effectuer le traitement (6) en tenant compte de la valeur de l'intensité sonore dans la zone cible. Cette information est donnée par un microphone (12) placé au niveau de la zone à insonoriser. La valeur d'intensité sonore transmise par ce microphone permet à chaque source sonore (1) de régler automatiquement les paramètres du filtrage adaptatif pour optimiser la compensation de l'onde incidente (20). Dans une forme plus évoluée de l'invention, chaque source comporte au moins trois microphones. L'augmentation du nombre de microphones donne un diagramme de directivité de l'ensemble tendant vers une forme hémisphérique, c'est-à-dire ayant une sensibilité pratiquement constante dans tout le demi-espace dirigé vers la source de bruit, et une sensibilité aussi faible que possible dans le demi-espace opposé. Ainsi, quelle que soit l'incidence de la source de bruit, le signal issu des microphones présente une image de l'amplitude du son à neutraliser, sans qu'il soit nécessaire de pratiquer des corrections d'incidence. Avantageusement, dans cette forme évoluée de réalisation, le centre de gravité des microphones, ou plus précisément de leurs membranes, est placé à très près du centre acoustique du haut-parleur, de telle sorte que le temps de parcours de l'onde incidente entre les microphones et le hautparleur soit minime. Ainsi, le délai entre la captation et l'émission de l'onde opposée ne dépend pas de l'angle d'incidence de l'onde incidente. Cette variante est donc particulièrement adaptée pour la neutralisation des sources sonores mobiles. Possibilités d'applications industrielles Le dispositif tel que décrit ci-dessus dans son application contre les bruits d'avion, peut aisément être utilisé pour limiter les nuisances inhérentes à d'autres moyens de transport, tels que les trains ou les voies routières. Il ressort de la description précédente que le dispositif selon l'invention présente une solution avantageuse aux problèmes de bruits notamment d'avions. En effet, pour une zone déterminée, correspondant par exemple à un jardin ou une terrasse, il constitue un écran sonore optiquement transparent et discret. En outre, il ne reporte pas les nuisances sur le voisinage. REVENDICATIONS 1/ Dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, comprenant une pluralité de sources sonores (1), chacune comportant: - au moins deux capteurs (2,3) susceptibles de déterminer le spectre et la direction de l'onde (20) émise par la source de bruit; - des moyens (6,7) pour traiter de manière analogique et/ou numérique les signaux issus desdits capteurs (2,3) et pour générer des signaux correspondants de même amplitude mais de signe opposé;; - un émetteur acoustique, notament un haut-parleur (8) connecté auxdits moyens (6,7), et susceptible d'émettre une onde dans la même direction et le même sens que l'onde incidente, les capteurs et l'émetteur acoustique étant placés de telle façon que l'onde incidente atteigne préalablement les capteurs, caractérisé en ce que les sources sonores (1) sont installées dans l'espace proche de la zone à protéger de telle manière que les ondes (22) émises par chaque source sonore (1) interfèrent pour former une onde (21) résultante de courbure de l'ordre de grandeur de la courbure de l'onde incidente 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources sonores (1) sont placées à une hauteur comprise entre 3 et 20 mètres, de préférence entre 5 et 12 mètres, et en ce que le nombre de sources (1) par unité de surface couverte est de l'ordre d'une source pour 10 mêtres carrés. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un capteur (12) placé au niveau de la zone à insonoriser et relié aux moyens de traitement (7) des sources sonores (1), permettant ainsi la régulation optimale de l'onde de contre-bruit au niveau de la zone à traiter. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les microphones (2,3) utilisés ont un diagramme de directivité présentant un minimum de sensibilité dans le demi-espace dirigé vers le haut-parleur (8). 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque source sonore (1) est composée d'un ensemble de deux microphones (2,3) installés sur une canne (4) verticale dont l'extrémité inférieure est fixée à un enceinte comprend les moyens de traitement (6,7) et un haut-parleur (8). 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque source sonore (1) est composé d'au moins trois microphones (2,3) installés chacun au sommet d'une canne (4), les microphones étant disposés de telle façon que le centre de gravité des microphones soit situé à quelques centimètres au dessus du centre acoustique du haut-parleur (8). 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une source sonore (1) est installée au sommet d'un mât. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mât comporte un dispositif de pointage de manière à orienter continûment le mât dans la direction de la source à neutraliser.