Brevet FR2808364A1 — publié le 20011102

DISPOSITIF D'ALARME BASÉ SUR UN SYSTÈME ACOUSTIQUE I. DOMAINE DE L'INVENTION invention concerne les dispositifs permettant de déterminer certaines caractéristiques des nageurs en piscine pour les systèmes d'alarme anti noyades. caractéristiques sont notamment la position abso lue du nageur dans le volume d'eau de la piscine, leur degré d'immobilité, la quantité d'air contenu dans leurs poumons. Ce même dispositif permettant en supplément d'envoyer à un nageur identifié des messages sonores audibles. La vocation essentielle de l'invention est d'apporter à un systeme automatisé des éléments de décision permettant de déterminer si le nageur est ou non en train de se noyer, dans le but de donner l'alerte. ETAT DE LA TECHNIQUE CONNUE LA PLUS PROCHE DE L'INVENTION Certains systèmes de détection acoustiques ont été proposés pour détecter des nageurs en difficulté. Comme tous sonars, de tels systèmes comportent traditionnellement un émet teur qui projette de l'énergie acoustique dans la tranche d'eau à surveiller, un récepteur qui capte cette énergie après réflexion sur des corps évoluant dans cette tranche et la transforme en signaux électriques et des moyens de traitement ces signaux et de l'information qu'ils véhiculent. Ces systèmes comportent généralement des antennes directives de dimensions plus importantes (on peut être amené a imaginer des antennes peuvent atteindre plusieurs dizaines de centimètres de diamètre) que celles proposées par l'invention, et qui comportent des dispositifs de formation de faisceaux acoustiques mécaniques ou électroniques plus coûteux que celles nous revendiquons dans ce document. Le dispositif proposé permet donc, en raison de la faible dimension des antennes d'émission et de réception rendue possible par le procédé acoustique utilisé, d'effectuer les rations de détection du corps humain immergé et de son position nement avec plus de facilité et d'économie que par les anciennes méthodes. En outre, l'invention comporte d'autres fonctionna lités avantageuses - estimation du degré de mobilité du nageur - estimation de la quantité d'air restant en poumons. - Et/ou émission vers le nageur de messages audibles. III.BUTS DE L'INVENTION Le problème que se sont posé les inventeurs est celui l'élaboration d'un système de détection acoustique capable surveiller des nageurs en piscine pour prévenir les noyades, a faible coût, faible complexité et encombrement réduit. L'inven tion peut en outre émettre vers le nageur un message audible. Ce dispositif est destiné à équiper les piscines publiques et privées, éventuellement en complément d'autres dis positifs (notamment dispositifs de détection optiques, disposi tifs de traitement de l'information/visualisation, et disposi tifs d'alerte des maîtres nageurs ou autres personnes capables porter secours au noyé, dispositifs qui ne sont pas reven diqués au titre de l'invention). IV - MOYENS DE L'INVENTION D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent La figure 1 . un schéma partiel du dispositif dans lequel on a représenté l'allure des lobes de directivité des faisceaux acoustiques primaires (101) et secondaires (104) dans l'eau, ainsi qu'une vue en coupe partielle du positionnement dispositif dans une paroi de la piscine. figure 2 : un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention intégrant sa partie acoustique, sa partie électronique et sa partie mécanique. figure 3 : une représentation à titre purement illustratif d'une modulation possible du signal HF émis et signal secondaire BF qu'il engendre après propagation par effet non linéaire dans l'eau. Le dispositif selon l'invention représenté en figure comprend un ensemble électromécanique d'émission/réception (100) monté dans mur ou le fond du bassin, formé d'un transducteur électroacoustique d'émission/réception (200) de diamètre D monté sur une rotule (20l,205) permettant de diriger l'axe d'émission acoustique ( ) dans n'importe quelle direction de l'espace. Ce dispositif de pointage mécanique de l'antenne permet de diriger l'axe de vision du dispositif dans laquelle on cherche à détec ter un nageur, à la manière d'un oeil pivotant dans l'orbite crânienne. diamètre D de la pupille d'émission sera choisi manière à faciliter l'installation dans l'épaisseur des parois de la piscine, de l'ordre de 10 centimètres. émetteur contrôlé par le calculateur de commande (208) transmet à travers une chaîne de conditionnement/ trans port du signal (206, 207, 203) et un transducteur d'émission (200) un train d'impulsions haute fréquence (301) dans l'eau. entend par haute fréquence des fréquences F de l'ordre de gran- deur, à titre d'exemple, de 800 kHz. Cet ordre de grandeur per de garantir que l'énergie HF émise dans l'eau reste confinée dans un lobe d'émission (104) étroit d'axe (102). L'étroitesse lobe d'émission est une caractéristique importante du dispo sitif : elle permet notamment un meilleur positionnement du nageur dans l'espace et une meilleure rejection des réflexions parasites (105) de l'énergie acoustique projetée sur la surface, parois et le fond de la piscine. L'ouverture angulaire en champ lointain du lobe emission à 3dB d'une pupille circulaire de diamètre D à une fréquence F exprimée en degrés est de manière connue donnée par formule : A = 580.c/D.F soit pour une pupille de =l0cm et une fréquence F=800 kHz une valeur A voisine du degré. On utilise des impulsions émises très énergétiques la pression émise est proche du seuil de cavitation, afin d'engen drer dans l'eau après propagation sur une distance L, l'ef- non linéaire connu dit "effet paramétrique", un faisceau secondaire directif (104) Ce faisceau secondaire est, toujours manière connue, quasiment aussi directif que le faisceau pri maire, c'est à dire d'ouverture de lobe proche de A. Le faisceau primaire et le faisceau secondaire dans le cas de la présence du nageur que l'on cherche à détecter ( ) sur l'axe acoustique de l'oeil . sont réfléchis par les différentes parties de son corps, et notamment de manière pré pondérante par l'air emprisonné dans ses poumons, si air il y a. Une partie de l'énergie des impulsions primaires et secondaires, une fois réfléchies par le corps du nageur, revien nent vers l'oeil acoustique le long du même axe (102), où un recepteur électroacoustique (200, 203) la transforme en signal électrique véhiculé par un câble de liaison (206) vers l'inter face d'émission/ réception (207). Ce signal est amplifié, condi tionné, numérisé puis traité par le calculateur (208). Avantageusement, le préamplificateur de réception / driver de ligne de transmission du récepteur sonar (203) est situé à proximité immédiate ou à l'intérieur du sous-système (100) d'orientation de l'axe de visée du sonar, de façon à pou voir delivrer au système de traitement (207, 208) un signal pré- amplifié de meilleure qualité. Une variante de l'invention consiste à utiliser plu sieurs récepteurs disposés à différents endroits du bassin, afin d'augmenter la précision, par triangulation notamment, du posi tionnement du nageur. Le signal électrique obtenu en sortie du récepteur (203) contient des informations sur la distance du nageur détecté mesurée le long de l'axe acoustique (102), égale à c (vitesse du son dans l'eau de la piscine) fois le temps séparant l'instant d'émission l'im pulsion de l'instant de sa réception divisé par deux. la quantité d'air contenue dans ses poumons : le principe de mesure de cette quantité est le suivant . cali- bration préalable du dispositif permet de définir, pour toute distance comprise entre 0 et la portée maximale du sonar, une amplitude de signal retour Sl "standard" correspondant à la réflexion de l'impulsion émise sur un nageur générique ayant fait plein d'air dans ses poumons. Une autre amplitude S2, également mesurée au préalable à toute distance de detection, correspond à un nageur générique ayant vidé ses poumons. La mesure simultanée de l'amplitude du signal réfléchi par le nageur et de sa distance donnée, par comparaison avec ampli tudes standard Sl et S2 relevées dans le tableau de calibration, une idée de la quantité d'air restant dans ses poumons. Cette mesure, bien que sujette à erreur, peut entrer dans liste de critères utilisés par le système de traitement de l'information situé en aval du dispositif pour donner l'alarme. La modulation des impulsions émises est peu importante quant aux buts principaux de l'invention. On émettra par exemple, comme représenté en (301) a titre purement schématique et non limitatif, une impulsion énergétique constituée d'un cer tain nombre N d'arches de sinusoïde dont l'enveloppe est modulée en l+cos() . Pour ce cas de modulation particulier, l'allure de l'impulsion obtenue par effet paramétrique après propagation dans l'eau sur une distance L est représentée en (302 La fréquence de répétition des impulsions sera la plus élevée possible fonction de la portée du sonar, ce afin de per mettre de mesurer la vitesse radiale de déplacement du nageur par mesure de positions successives de ce dernier dans l'espace le long l'axe (102) le plus rapidement et le plus précisément possible. Cette mesure de vitesse de déplacement donnera une autre indication quant à l'état du nageur : une absence de mou vement pouvant être considérée comme un signe d'absence de vie. Dans le cas de la variante proposée plus haut, où la réception des impulsions est faite simultanément plusieurs récepteurs disposés autour du bassin, il sera possible de mesu rer la projection du vecteur vitesse du nageur sur plusieurs axes acoustiques à la fois. Dans le cas de l'utilisation d'au moins 3 recepteurs, on pourra ainsi reconstituer par traitement de l'information 'vitesse radiale, délivrée par chacun des 3 récepteurs le vecteur vitesse tridimensionnel du nageur. Dans un mode de fonctionnement particulier disposi tif, la fréquence de répétition des impulsions émises pourra être modulée par un signal audible, par exemple un signal vocal demandant au plongeur de remonter à la surface s'' va bien. L'énergie émise étant contenue dans un faisceau étroit, le mes sage sera mieux entendu par le nageur désigné par l'orientation dans sa direction des lobes de directivité à l'émission (l01) et (104) que par les autres nageurs situés à la même distance de l'émetteur et situés en dehors de ces lobes. Cette discrimina tion spatiale à l'émission permet d'envoyer un message audible plus particulièrement vers le noyé potentiel ou vers un nageur proche pouvant intervenir à son secours. dispositif inventé peut aussi créer une image "tomographique", de la piscine par un balayage systématique effectué par rotation mécanique de la rotule de l'oeil dans toutes les directions du champ couvert. On découpe ainsi la piscine en tranches ou en strates d'exploration directive de son volume d'eau. Chaque "tranche" d'eau explorée peut être repré sentée en plan sur l'écran d'un calculateur après élaboration de l'image de tranche par cumul et juxtaposition des informa tions sonar obtenues pendant le balayage. Cette représentation est bien adaptée à la représentation synthétique de l'état de la zone submergee de la piscine, ce qui simplifie l'observation du fond par le surveillant de baignade. Dans une réalisation préférée de l'invention, on uti lisera l'oeil acoustique pour réaliser un lever de doute sur l'état d' zone de la piscine également observée par des camé ras optiques par exemple, l'oeil acoustique objet de 'invention apportant seulement des critères complémentaires d'évaluation de l'état d' nageur (en détresse ou non). A titre d'illustration de la performance l'inven tion, la portée d'un oeil acoustique de pupille circulaire 10 cm émettant des impulsions à la fréquence F=800 kHz dépasse 25 mètres. A cette distance, l'ouverture angulaire du lobe d'émission, voisine de 10, intercepte une zone circulaire de diamètre de l'ordre de 0.5 mètre. Pour simplifier la description, on admet que les antennes d'émission et de réception comprennent tous les moyens connus pour #à l'émission, transformer un signal électrique d'ex citation modulé comme il convient en signal acoustique dans l'eau, d'amplitude en pression tel qu'il avoisine le seuil de cavitation dans les conditions où l'émetteur est situé dans la piscine (immersion, température de l'eau, contenu en air de l'eau) . #à la réception, transformer un signal acoustique en signal électrique, amplifier ce signal en le distordant au mini mum afin qu" puisse être convenablement traité en aval. On utilisera par exemple une configuration coaxiale des antennes acoustiques d'émission et de réception, afin que l'axe de visee (l02) soit à la fois l'axe d'émission et celui de réception. Cette coïncidence est une revendication du brevet. La mécanique rotule (20l, 205) orientant l'axe de visée (l02 pourra avantageusement contenir l'électronique d'adaptation et d'amplification (203) au moins récepteur, et le système électromécanique d'orientation proprement dit de l'oeil (204 . Selon l'invention, l'antenne d'émission est du type paramétrique. Ce type d'antenne présente différents avantages, en particulier, de manière connue, celui d'émettre des impul sions sonar enrichies en basses fréquences effet non linéaire dans l'eau. Compte tenu de ce que le signal sortant du récepteur est un signal électrique, les fonctions de traitement du signal, détection, visualisation, traitement de l'information, décision de donner 'alerte peuvent être facilement réalisées à l'aide d'un ordinateur (208) situé en aval du dispositif, doté des moyens nécessaires de numérisation et d'interfaces (207). Enfin, compte tenu de la faiblesse de leurs coûts, on peut avantageusement utiliser un ou des calculateurs de type PC pour réaliser ces dernières fonctions (207, 208). revendications du brevet sont les suivantes REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alarme pour système de prévention des noyades en piscines, du type comportant un ensemble d'antennes d'émission et de réception (200) destinés à délivrer et à rece voir signaux acoustiques et les transformer en signaux élec triques ou inversement des moyens (100) fixés dans les murs ou le fond de la piscine capables d'orienter ces antennes pour diriger l'axe d'observation (102) dans une direction particu lière l'espace, par exemple une rotule contenant les antennes des moyens (203, 206, 207) pour amplifier et trans mettre signaux entre l'ensemble fixé dans la paroi de la piscine et un calculateur de traitement (208) caractérisé en ce que moyens d'émission / réception (200, 203) sont du type sonar paramétrique à forte directivité spatiale (ouverture angu laire lobes d'émission et/ou de réception de l'ordre du degré ou inférieures au degré). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant de moduler et d'émettre l'énergie acoustique dans l'eau permettent en outre d'emettre un signal modulé en basse fréquence par un signal audible portant, par exemple, un message vocal à destination d'un nageur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 2, caractérisé en ce que les lobes directivité des antennes d'émission et de réception sont coaxiaux (102) permet tant d'orienter simultanément l'axe d'émission et l'axe de réception par un même moyen mécanique (100). 4. Dispositif selon la revendication , caractérisé en ce que le préamplificateur de réception / driver de ligne de transmission du récepteur sonar (203) est situé à proximité immédiate ou à l'intérieur du sous-système (100) d'orientation de l'axe de visée du sonar, de façon à pouvoir délivrer au sys tème de traitement (207, 208) un signal préamplifié de meilleure qualité. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens numérisation, traitement visualisation et d'alerte (207, 208) comprennent moins un calculateur (ou un sous-système relié à des moyens équivalents). Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens évoqués permettent en outre d'estimer la quantité d'air contenue dans les poumons du nageur par comparaison du signal reçu à des valeurs préala blement mesurées. 7. Procédé pour aider à la prévention des noyades piscines, caractérisé en ce qu'il comporte la mise en oeuvre moyens pour la détection du corps humain et de son position nement, comprenant un sonar paramétrique à forte directivite spatiale (ouverture angulaire des lobes d'émission et/ou de réception de l'ordre du degré ou inférieure au degré) et, en option, la mise en oeuvre de moyens pour - une estimation du degré de mobilité du nageur, - une estimation de la quantité d'air restant en ses poumons, et/ou - une émission vers le nageur de signaux audibles. 8. Utilisation d'un sonar paramétrique à forte direc- tivité spatiale (ouverture angulaire des lobes d'émission et/ou de réception de l'ordre du degré ou inférieure au degré) dans un système de prévention des noyades en piscines.