Brevet FR2778741A1 — publié le 19991119

DISPOSITIF DE CONTRÈLE ACTIF D'IMPEDANCE ACOUSTIQUE La présente invention concerne le domaine du contrôle actif d'impédance acoustique. Elle trouve des applications diverses dans le domaine de l'acoustique, notamment en acoustique des volumes clos (contrôle actif de la réverbération dans les salles, réduction de bruit aux basses fréquences dans les transports, amélioration de l'isolement aux basses fréquences entre locaux), en aéronautique (absorption du bruit des réacteurs), etc. L'impédance acoustique qu'un matériau présente à une onde de pression incidente détermine ses propriétés d'absorption, de réflexion et de transmission. En conséquence, disposer d'un matériau dont on peut faire varier l'impédance acoustique permet de le rendre plus ou moins absorbant, réfléchissant, transparent. C'est par exemple ce que l'on s'efforce de faire avec des matériaux passifs: panneaux rotatifs présentant une face réflé- chissante et une face absorbante, rideaux déroulants, etc. Le contrôle actif d'impédance vise à ajuster l'impédance acoustique d'un matériau par des moyens actifs utilisant des transducteurs, filtres et amplificateurs. Il se distingue des autres techniques de contrôle actif par les points suivants: 1. Le fonctionnement est à réaction locale: le capteur et l'actionneur doivent être séparés par une distance petite au regard des longueurs d'onde pertinentes. La réaction du matériau en un point ne dépend alors pas de ce qui se passe en un autre point (situé à une distance non petite au regard de la longueur d'onde); 2. Cette technique ne nécessite pas de signal de référence issu de la source de bruit ou d'un signal d'erreur à minimiser. Elle s'applique donc à des champs complexes tels que ceux émis dans une salle par des sources dont on ne connaît presque rien (position, - 2 - spectre...) Lorsque l'on place un capteur à proximité d'un actionneur auquel il est relié, il se pose des problèmes de stabilité. La plupart des auteurs tentent de résoudre ces problèmes par des techniques de traitement du signal visant à éliminer le trajet direct actionneur-capteur avec des algorithmes de type LMS ou des algorithmes adaptatifs. Ces techniques sont assez lourdes et coûteuses à mettre en oeuvre. Un certain nombre de travaux ont été entrepris sur le contrôle actif de l'impédance acoustique qu'un transducteur, ou un réseau de transducteurs assemblés en panneau, présente au milieu dans lequel il est placé. Des exemples en sont rapportés dans les publications suivantes: T. Howarth et al., "Piezocomposite coating for active underwater sound reduction", J. Acoust. Soc. Am. 91(2), février 1992, pages 823-831; L. Dwynn et al., "Acoustically active surfaces using piezorubber", J. Acoust. Soc. Am. 90(3), septembre 1991, pages 1230- 1237; C. Fuller et al., "Control of sound radiation/ reflection with adaptive foams", Proc. Noise-Con 94, Florida, mai 1994, pages 429- 436; H. Olson et al., "Electronic sound absorber", J. Acoust. Soc. Am. 25(6), novembre 1953, pages 1130-1136; D. Guicking et al., "An active sound absorber with porous plate", Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, Vol. 106, juillet 1984, pages 389-392; D. Thenail, "Contrôle actif d'impédance et optimisation des performances d'un matériau poreux", Thèse de l'Ecole Centrale de Lyon, soutenue le 4 avril 1995, No. d'ordre -11; et D. Guicking et al., "Active impedance control for one-dimensional sound", Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, Vol. 106, juillet 1984, pages 393-396). Dans la plupart de ces travaux, les auteurs utilisent des transducteurs électroacoustiques jouant soit le rôle de capteur, soit -3- celui d'actionneur, mais pas les deux simultanément. Les fonctions de transfert entre actionneurs et capteurs sont alors assez compliquées, ce qui impose un circuit électronique de contrôle lui aussi complexe. Des brevets ont été publiés au sujet de la réduction du bruit émis par des réacteurs (US 5 702 230 et 498 127). Ces brevets ne précisent pas la nature de la contre-réaction, mais mentionnent l'utilisation de microphones situés à proximité des haut-parleurs. Le principe de la contre-réaction motionnelle (voir E. De Boer, "Theory of Motional Feedback", IRE Trans. On Audio, janvier-février 1961) a été utilisé depuis de nombreuses années pour contrôler le fonctionnement de haut-parleurs aux basses fréquences: asservissement du déplacement de la membrane pour étendre la réponse aux basses fréquences, et réduction de la distorsion harmonique (voir GB-A-1 438 724). L'intérêt principal de ce principe est qu'il permet de s'affranchir de la nécessité d'un capteur de vitesse (ou d'accélération), qui pose certains problèmes. Il permet en outre d'obtenir une excellente signature du mouvement de la membrane, avec notamment un retard de propagation nul. Certains auteurs ont plus recemment tenté d'adapter la contre- réaction notionnelle à la réduction de bruit dans les conduits de ventilation (voir J. Okda et al., "Active noise control system using motional feedback loudspeaker", J. Acoust. Soc. of Japan (E), 12(6), 1991, pages 291-296). Mais les résultats publiés sont peu encourageants car ces auteurs n'utilisent qu'une seule grandeur pour la contre- réaction. Ils sont donc très limités en termes de stabilité du dispositif. Le brevet US 4 712 247 décrit un dispositif de contre-réaction dans lequel le transducteur est à la fois capteur et actionneur. L'application visée est le contrôle actif de la réverbération dans les salles. Ce circuit est toutefois trop simple pour permettre l'obtention de -4- résultats intéressants. D'autres utilisations de la contre-réaction motionnelle sont décrites dans des articles de X. Meynial: "Matériaux acoustiques actifs pour l'acoustique des salles", Cahier du CSTB, livraison 367, mars 1996; "Active materials for applications in room acoustics", 3rd ICIM/ECSSM '96, Lyon, 1996, pages 968-973. Dans ces articles, la contre-réaction n'était basée que sur une seule grandeur électrique, ce qui limitait les résultats. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif de contrôle actif d'impédance performant et relativement simple. L'invention propose ainsi un dispositif de contrôle actif de l'impédance acoustique que présente un transducteur électroacoustique à un milieu dans lequel il rayonne, comprenant au moins un pont d'impédances dont une branche comporte une impédance électrique prise entre deux bornes du transducteur, des moyens de commande pour appliquer une tension d'excitation au pont d'impédances, un premier moyen de mesure pour obtenir une première grandeur représentative de la vitesse de déplacement de la membrane du transducteur, et un second moyen de mesure pour obtenir une seconde grandeur représentative de la pression acoustique exercée sur la membrane du transducteur. L'un au moins des premier et second moyens de mesure fonctionne en prélevant au moins une tension de mesure sur le pont d'impédances. La tension d'excitation appliquée par les moyens de commande est une combinaison desdites première et seconde grandeurs. Le dispositif utilise ainsi une double réaction, l'une issue d'une mesure de la pression à proximité immédiate de la membrane de l'actionneur, l'autre issue d'une mesure de la vitesse de cette membrane. En ajustant le degré de ces deux réactions, on peut régler l'impédance acoustique que le dispositif présente au milieu dans lequel il est place. L'un ou l'autre des deux moyens de mesure fonctionne en prélevant une tension de mesure sur le pont d'impédance. Dans une réalisation particulièrement avantageuse du dispositif, chacun des deux moyens de mesure fonctionne en prélevant des tensions de mesure respectives sur le pont d'impédances, ou encore sur deux circuits reliés à deux entrées/sorties électriques distinctes du transducteur. On élimine ainsi tout capteur de mesure distinct du circuit de commande du transducteur. La structure du dispositif est alors particulièrement simple. On évite en outre les perturbations de la réponse en fréquence correspondant au temps de propagation membrane-capteur. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci- après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de contrôle actif d'impédance selon l'invention; et - les figures 2 et 3 sont des schémas de variantes du dispositif de la figure 1. L'impédance acoustique (complexe) d'un groupement d'un ou plusieurs transducteurs étant Za, le coefficient de réflexion en ondes planes de ce groupement est: Za. COS (0) - Zc R = a Za. cos(0) + Zc o 0 est l'angle d'incidence de l'onde (0=0 pour l'incidence normale), et Zc est l'impédance caractéristique des ondes planes: Zc = p.c avec p: masse volumique de l'air (en kg/m3), c: célérité des ondes dans l'air (en m/s). Le coefficient d'absorption est a = 1-1Rj2, et le 2.Z coefficient de transmission est T = 1- R = 2z Za. COS () + Zc Si la partie réelle de Za est positive (IRI 0), le dispositif est absorbant puisqu'il réfléchit moins d'énergie qu'il n'en reçoit. Si la partie réelle de Za est négative (IRI>l et a partie imaginaire. La présente invention permet de régler la valeur de l'impédance acoustique Za d'un transducteur. On pourra utiliser un tel transducteur, isolément ou en réseau, dans diverses applications o on souhaite ajuster le coefficient de réflexion R. Le dispositif selon l'invention est décrit ci- après dans le cas particulier d'un transducteur électrodynamique. On comprendra qu'un dispositif semblable permettrait de régler l'impédance d'un autre type de transducteur (piézo-électrique, électrostatique...). Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend un pont d'impédances 2 auquel un amplificateur 3 applique une tension d'excitation ou de rétroaction VR, obtenue en amplifiant la sortie d'un mélangeur 5. Le pont d'impédances 2 comprend quatre branches: la première comporte l'impédance électrique que présente le transducteur 1 entre les deux bornes d'excitation de la bobine mettant en mouvement sa membrane; la seconde branche, montée en série avec la première branche, présente une impédance électrique Z'I; la troisième branche présente une impédance électrique Z0; et la quatrième branche, montée en série avec la troisième, présente une impédance électrique Z'0. La tension d'excitation VR est appliquée entre une extrémité commune -7- des première et troisième branches et une extrémité commune des seconde et quatrième branches. Dans l'exemple de la figure 1, le pont 2 est agencé pour qu'on puisse y prélever une tension de mesure Vd représentative de la vitesse V de déplacement de la membrane du transducteur 1. Pour cela, on choisit les impédances de façon que Z'0 x Ze = Z0 x Z 1'r o Ze représente l'impédance bloquée du transducteur 1 (impédance électrique obtenue lorsque la membrane du Z'1 Z'0 transducteur est maintenue immobile). On note 7 = - = - Ze Z0 le rapport entre les impédances. La tension différentielle Vd est prélevée entre le noeud situé entre les première et seconde branches du pont et celui situé entre les troisième et quatrième branches. Cette tension Vd est proportionnelle à la vitesse V de déplacement de la membrane du transducteur 1 lorsque l'impédance d'entrée du mélangeur 5 est très supérieure à chacune des impédances du pont. Il est à noter que, si le transducteur électrodynamique était remplacé par un transducteur électrostatique ou piézo- électrique, la tension différentielle Vd prélevée sur le pont serait proportionnelle au déplacement de la membrane, un circuit dérivateur permettant alors d'obtenir le signal représentatif de la vitesse V. Un capteur de pression 4, placé au voisinage immédiat de la membrane du transducteur 1, fournit une tension Vp représentative de la pression acoustique captée. Le mélangeur 5 reçoit les tensions de mesure Vd et Vp et construit, avec l'amplificateur 3, la tension de rétroaction VR en combinant ces deux tensions. La combinaison appliquée est linéaire: VR = c.P + .Vd (on -- 8 -- suppose ici que les coefficients x et D intègrent les proportionnalités entre la tension de mesure Vp et la pression acoustique P, et entre la tension de mesure Vd et la vitesse V de la membrane, ainsi que le gain en tension de l'amplificateur 3). Un filtrage fréquentiel peut être appliqué a l'entrée du mélangeur 5 a l'un des signaux Vp, Vd (ou aux deux) pour limiter la bande passante traitée par le dispositif. Le filtrage fréquentiel peut être effectué après le mélangeur 5 si les deux signaux combinés sont a filtrer de la même manière. Lorsque l'impédance de sortie Zs de l'amplificateur 3 est négligeable (c'est-à-dire Zs " P.Z0 et zs5 " (f+Y).Ze.Y/(l+y)) avec >> y et D " 1/y, l'impédance acoustique Za présentée par le transducteur électrodynamique 1 de facteur de force B1 (B étant l'induction en teslas dans l'entrefer de l'aimant et 1 la longueur en mètres du conducteur situé dans ce champ), dans une bande de fréquences encadrant la fréquence de résonance du transducteur, est: Za - B1. a a 1l+y Un choix approprié des coefficients a, f et Y permet alors de régler la valeur de l'impédance acoustique Za. Dans une autre réalisation du dispositif, le pont d'impédances 2 est dimensionné de façon que la tension différentielle Vd soit proportionnelle non pas au déplacement ou à la vitesse de la membrane du transducteur 1, mais à la force qui s'exerce sur cette membrane (ou, de façon équivalente, à la pression acoustique). La détermination de la vitesse de la membrane, utilisée dans l'élaboration de la tension de rétroaction VR, peut alors résulter d'une mesure d'accélération par un accéléromètre - 9- installé sur la membrane. Un exemple de choix des impédances Z0, Z1 et Z'l convenant pour une telle réalisation avec un transducteur électrodynamique vérifie Z'0 x (Ze + B12/Zm) = Z0 x Z'1 o Zm représente l'impédance mécanique du transducteur 1, soit Z'0 = y.Z0 et Z'1 = y. (Ze + B12/Zm), ou encore Z'O = Y-Z'1 et Z0 y (Ze + B12/Zm) - Certains transducteurs ont plusieurs paires de bornes électriques. On peut notamment avoir deux bobinages 7,8 enroulés autour du même noyau 9 actionnant la membrane d'un transducteur électrodynamique 1 (figure 2), avec excitation de l'un de ces bobinages ou des deux depuis l'amplificateur. Ces deux bobinages 7,8 sont associés à des circuits respectifs 2,10. Dans une autre réalisation de l'invention, illustrée par la figure 2, l'un de ces circuits est le pont d'impédances 2 auquel est appliquée la tension de rétroaction VR. Ce pont 2 est par exemple dimensionné pour que sa tension différentielle Vd soit proportionnelle à la vitesse V de la membrane du transducteur 1. L'autre circuit 10 peut être un circuit actif agencé pour présenter une résistance négative -Re opposée à la résistance Re du bobinage 8 avec lequel il est monté en série. La tension Vp proportionnelle à la force exercée sur la membrane peut alors être prélevée aux bornes du bobinage 8. Les deux tensions Vd,VP sont combinées comme précédemment pour obtenir la tension d'excitation VR du transducteur. Si le circuit 10 connecté au bobinage 8 consistait également en un pont d'impédances recevant la tension d'excitation VR, l'information de pression Vp serait prélevée comme la tension différentielle de ce pont, dimensionné pour obtenir la proportionnalité souhaitée avec la force exercée sur la membrane. - 10 - Dans une autre réalisation de l'invention, un même pont d'impédances 2 permet d'obtenir les deux informations nécessaires à la contre-réaction. L'intérêt principal de cette technique, outre le fait qu'elle permet de se passer d'un capteur additionnel (microphone, accéléromètre...), est qu'il n'y a pas de retard dans la boucle de contre- réaction, et donc que la fonction de transfert en boucle ouverte du systeème présente une phase variant moins que celle obtenue avec un capteur additionnel. La stabilité du système est donc améliorée. Un cas particulier de circuit permettant la captation des deux informations est représenté sur la figure 3. L'agencement du pont est comparable à celui précédemment décrit en référence à la figure 1, une première résistance de mesure R"'1 étant montée en série avec l'impédance Z'lI dans la seconde branche. Une première tension de mesure V"1 est prélevée aux bornes de cette résistance R"1. Entre le noeud situé entre les première et seconde branches et celui situé entre les troisième et quatrième branches, le pont comporte une branche de mesure composé d'une impédance de mesure Zd et d'une seconde résistance de mesure Rd montées en série et telles que Zd "Rd. Une seconde tension de mesure ed est prélevée aux bornes de la résistance Rd, et une troisième tension de mesure Vd est prélevée aux bornes de l'impédance Zd. Les impédances Z0, Z'0 et Z'1 sont, comme Z'1 Z'0 précédemment, choisies telles que.-. On choisit Zd très supérieure aux impédances Z0, Z'0 et Z'1 dans toute la bande de fréquences à traiter, de sorte que la tension Vd est très peu affectée par la présence de la branche de mesure. Les résistances de mesure sont telles que Rd" Zd - 11 - et R"1" Par exemple, pour un transducteur électrodynamique d'impédance mécanique Zm et de facteur de force B1, avec Zd = 6.B12/Zm, la tension de rétroaction VR produite par le mélangeur 5 peut être VR = Gl.ed + G2.V"1 + D.Vd, avec G1 = a. R -' jy et G2 = a. t R") * On a dans ce cas Gl.ed + G2.V"1 z a.P, et Vd z -V.B1/2. La tension de rétroaction VR est donc bien comme précédemment une combinaison linéaire de P et de V. En d'autres termes, la tension de mesure représentative de la pression P est dans ce cas une combinaison linéaire de deux tensions V"',ed respectivement prélevées aux bornes des première et seconde résistances de mesure R"î,Rd. - 12 - R E V E N D I C A T I ON S 1. Dispositif de contrôle actif de l'impédance acoustique que présente un transducteur électroacoustique (1) à un milieu dans lequel il rayonne, comprenant au moins un pont d'impédances (2) dont une branche comporte une impédance électrique prise entre deux bornes du transducteur, des moyens de commande pour appliquer une tension d'excitation (VR) au pont d'impédances, et un premier moyen de mesure pour obtenir une première grandeur représentative de la vitesse de déplacement de la membrane du transducteur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second moyen de mesure pour obtenir une seconde grandeur représentative de la pression acoustique exercée sur la membrane du transducteur, en ce que l'un au moins des premier et second moyens de mesure fonctionne en prélevant au moins une tension de mesure (Vd; ed,V"l) sur le pont d'impédances, et en ce que la tension d'excitation appliquée par les moyens de commande est une combinaison desdites première et seconde grandeurs. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier moyen de mesure fonctionne en prélevant une tension de mesure (Vd) sur le pont d'impédances (2). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le pont d'impédances (2) comprend: - une première branche comportant l'impédance électrique entre les deux bornes du transducteur (1); - une seconde branche reliée en série à la première branche et d'impédance (Z'1) proportionnelle, dans un rapport y, à celle (Ze) que présente la première branche lorsque l'élément mobile du transducteur est bloqué; - une troisième branche; et - une quatrième branche reliée en série à la - 13 - troisième branche et d'impédance (Z'0) proportionnelle à (Z0) celle de la troisième branche dans le rapport y, dans lequel la tension d'excitation (VR) est appliquée entre une extrémité commune des première et troisième branches et une extrémité commune des seconde et quatrième branches, et dans lequel la tension de mesure (Vd) est prélevée entre le noeud situé entre les première et seconde branches et le noeud situé entre les troisième et quatrième branches. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le second moyen de mesure fonctionne en prélevant une tension de mesure (ed,V"l) sur le pont d'impédances (2). 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premier et second moyens de mesure fonctionnent en prélevant respectivement des première et seconde tensions de mesure (Vd; ed,V"1) sur le pont d'impédances (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le pont d'impédances (2) comprend: - une première branche comportant l'impédance électrique entre les deux bornes du transducteur; - une seconde branche reliée en série à la première branche et comportant une première résistance de mesure (R"'1) reliée en série à une impédance (Z'l1) proportionnelle, dans un rapport y, à celle que présente la première branche lorsque l'élément mobile du transducteur est bloqué et de module sensiblement plus grand que la valeur de la première résistance de mesure; - une troisième branche; une quatrième branche reliée en série à la troisième branche et d'impédance (Z'0) proportionnelle à (Z0) celle de la troisième branche dans le rapport y; et - une branche de mesure comprenant une seconde - 14 - résistance de mesure (Rd) et une impédance de mesure (Zd) de module sensiblement plus grand que la valeur de la seconde résistance de mesure, reliées en série entre le noeud situé entre les première et seconde branches et le noeud situé entre les troisième et quatrième branches, dans lequel la tension d'excitation (VR) est appliquée entre une extrémité commune des première et troisième branches et une extrémité commune des seconde et quatrième branches, dans lequel la première tension de mesure (Vd) est prélevée aux bornes de l'impédance de mesure (Zd), et dans lequel la seconde tension de mesure est une combinaison linéaire de deux tensions (V"l,ed) respectivement prélevées aux bornes des première et seconde résistances de mesure (R"l,Rd). 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le transducteur comporte plusieurs paires de bornes électriques, dans lequel l'un des premier et second moyens de mesure fonctionne en prélevant une tension de mesure (Vd) sur le pont d'impédances (2) comportant l'impédance électrique prise entre les deux bornes d'une des paires, tandis que l'autre moyen de mesure comporte un circuit (10) connecté aux deux bornes d'une autre paire.