Brevet FR2872672A1 — publié le 20060106

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapporte à un système de protection acoustique, permettant de sécuriser une zone déterminée et de maîtriser à distance un individu ou un groupe d'individus se trouvant dans cette zone et ayant un comportement potentiellement hostile. Il entre dans le contexte plus général des dispositifs de protection. CONTEXTE DE L'INVENTION - ART ANTERIEUR 10 Parmi les différents types de dispositifs de protection permettant de maîtriser à distance un individu isolé ou de disperser et désorganiser un groupe potentiellement dangereux, on compte les dispositifs sonores. Ces dispositifs encore appelés armes sonores non létales ou SNL présentent de nombreux avantages tant par leur efficacité que par leur relative innocuité. Parmi ces avantages on peut notamment citer: - Une certaine limitation de la portée liée à l'atténuation des ondes sonores en espace libre, qui permet de délimiter la zone d'action de tels dispositifs. L'amplitude des ondes sonores décroît en effet de manière connu en fonction de l'inverse du carré de la distance parcourue par l'onde. - La possibilité d'employer des fréquences graves ou très graves, de l'ordre de quelques dizaines de Hz à une centaine de Hz. Ces fréquences audibles ont en particulier un effet mécanique sur l'oreille interne humaine. Ces effets se traduisent généralement chez l'individu atteint par des nausées voire des pertes d'équilibre et l'empêchent ainsi de progresser. - L'absence d'effets physiologiques persistant à long terme, pour un niveau sonore émis ne dépassant pas un certain seuil, la gêne occasionnée aux individus atteints par l'onde acoustique disparaissant dès lors que cesse l'émission. Ces avantages de maîtrise et de réversibilité des effets, démarquent avantageusement les SNL des autres types de dispositifs mécaniques ou électromagnétiques qui peuvent être également utilisés dans des circonstances analogues. En revanche les dispositifs de protection sonores actuels présentent certains inconvénients bien connus, liés en particulier aux basses fréquences 5 utilisées. Un premier inconvénient réside dans les difficultés qui apparaissent lorsque l'on veut générer des niveaux sonores très forts, de l'ordre de 130dB, nécessaires pour assurer son efficacité au dispositif. Cette opération nécessite en général la mise en oeuvre d'équipements volumineux et lourds, comme par exemple d'énormes enceintes acoustiques, dont le déploiement et la mis en oeuvre rapide sont peu envisageables. Un second inconvénient tient au manque de directivité des dispositifs acoustiques de protection utilisant des équipements compacts formant une source acoustique unique. Pour de telles sources le diagramme d'insonification couvre une zone étendue et peut couvrir en particulier l'espace ou est placé l'utilisateur du système. Cet inconvénient se traduit par une maîtrise difficile des effets collatéraux. En troisième lieu on peut également soulever l'inconvénient que présentent les dispositifs actuels en matière de logistique de transport et de mise en oeuvre. Cet inconvénient est particulièrement sensible dans le cas de systèmes employant des sources d'énergie pneumatiques ou thermiques, par exemple à base de gaz combustibles, comme les source utilisant des tubes résonateurs quart d'onde. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités, et en particulier de proposer un système permettant une manutention simple et un déploiement rapide, tout en assurant une maîtrise précise des niveaux acoustiques émis ainsi que de l'emplacement et de la taille des zones d'insonification. Il est ainsi possible de définir dans la zone d'intérêt, des zones interdites soumise à une insonification intense, mais également des zones "tranquille", soumise à une insonification de faible intensité, à l'usage des opérateurs qui mettent le dispositif en oeuvre. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif de protection sonore déployable comportant plusieurs sources électroacoustiques compactes mises en réseau dont les émissions sont combinées en phase de façon à obtenir une insonification ayant le diagramme voulu. Le système selon l'invention comporte avantageusement des moyens permettant de connaître la position relative des différentes sources électroacoustiques et de déterminer la loi de combinaison en phase voulue. Le système selon l'invention présente également l'avantage d'utiliser une source d'énergie électrique disponible par ailleurs. Le système présente encore l'avantage d'être simple à déployer, le positionnement au sol des différentes sources électroacoustiques ne 15 requérant pas nécessairement une grande précision. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantage pourront apparaître dans la description 20 qui suit, description réalisée en regard des figures annexées qui représentent: - La figure 1, un schéma de principe présentant les éléments du système selon l'invention, - La figure 2, une illustration schématique du procédé de détermination de la position relative des sources électroacoustiques. DESCRIPTION DETAILLEE Comme l'indique la figure 1, Le système selon l'invention comporte N sources sonores réparties en différents endroits de la zone d'intérêt. Les sources sonores sont constituées par des sources électroacoustiques passives 11, alimentées par un signal électrique extérieur de basse fréquence. Elles sont typiquement constituées d'un transducteur et d'une caisse de résonance. Le transducteur peut être par exemple haut-parleur de forte puissance, destiné à la reproduction des basses fréquences et monté sur un baffle adapté. La caisse de résonance est réalisée en matériaux rigides et étanches vis-à-vis de l'air. Elle peut par exemple être du type "cavité de Helmholtz", ou encore tube résonateur "quart d'onde". De tels haut-parleurs présentent l'avantage d'être aisément reproductibles et de permettre la réalisation de plusieurs sources aux performances sensiblement identiques. Mais il est également possible d'utiliser d'autres types de transducteurs, comme des transducteurs sonar par exemple, en adaptant la fréquence de ces transducteurs aux besoins. Les générateurs électroacoustiques qui constituent les N sources 11 sont attaqués par des signaux électriques synthétisés par un générateur de forte puissance 12 qui délivre un signal électrique pour chaque source, à partir d'un même signal de référence. Les signaux destinés à chacune des sources sont déphasés les uns par rapport aux autres. Les déphasages sont réalisés par un dispositif déphaseur qui peut être incorporé au générateur ou bien être un élément séparé. Le dispositif déphaseur permet d'appliquer à chaque signal une phase réglable. Les N sources11 sont par ailleurs reliées au générateur, par exemple au moyen de liaisons électriques bifilaires 13. Les liaisons entre sources et générateur étant des liaisons électriques, elles sont peu sujettes à l'affaiblissement et peuvent donc faire plusieurs dizaines de mètres. L'application d'un déphasage spécifique à chacun des signaux qui attaquent les sources électroacoustiques 11, permet de réaliser, connaissant la position relative des sources, un réseau de sources ayant un diagramme d'émission de direction et de forme déterminée. La division de ce signal de puissance de référence en N signaux réglables en phase peut être réalisée par des moyens passifs tels que des transformateurs, des bobines d'induction réglables ou encore des capacités. Mais elles peuvent aussi plus avantageusement être réalisées par des moyens actifs bien connus et disponible dans le commerce. Les signaux délivrés aux sources sonores 11 sont nécessairement des signaux de forte puissance, de l'ordre de plusieurs centaines à plusieurs milliers de watts, C'est pourquoi le générateur est lui-même un dispositif de très forte puissance qui nécessite une alimentation 14 dimensionnée en conséquence. A cet effet le générateur peut par exemple être alimenté par le réseau de distribution électrique local, en 220V - 50 Hz par exemple, ou par un ou plusieurs groupes électrogènes mobiles. Le système selon l'invention présente donc l'avantage de dissocier physiquement les sources sonores 11 à déployer sur zone des moyens d'énergie. Ceci a pour conséquence de rendre les sources plus aisément manipulables que dans les systèmes connus de l'art antérieur. La structure du système selon l'invention présente l'avantage de séparer la production des signaux de forte puissance qui est effectuée de manière centralisée par le générateur 14, de la production des signaux sonores réalisée par les sources électroacoustiques 11. Ainsi les sources électroacoustiques sont moins lourdes et par conséquent plus facile à déployer sur la zone d'intérêt. Afin d'assurer le contrôle manuel ou automatique d'ensemble, le système selon l'invention comporte également un calculateur 15 doté d'une interface utilisateur. Ce calculateur a en particulier la charge de calculer la valeur du déphasage à appliquer sur chacun des signaux issus du générateur 14, en fonction du diagramme d'émission acoustique souhaité. La mise en oeuvre du système selon l'invention est réalisée par le déploiement sur la zone d'intérêt des différentes sources électroacoustiques 11, leur raccordement au générateur 12 et le raccordement du générateur au calculateur 15 et à une source d'énergie électrique 14. Le système étant ensuite mis en marche, chaque source acoustique est attaquée par un signal électrique présentant une phase donnée par rapport au signal de référence. On constitue ainsi un réseau de sources acoustiques dont le fonctionnement peut être décrit de manière simplifiée comme suit. On prend comme hypothèse simplificatrice que les N sources 11 électroacoustiques sont des sources ponctuelles en regard de la longueur d'onde du signal émis, l'on considère que le signal émis est sinusoïdal pur (signal continu en bande étroite). On choisit en outre des sources 11 émettant un même niveau. Les sources étant disposées sur un terrain elles sont localisées par leurs coordonnées relatives (x1 yl z1), (x2 y2 z2) (xn yn zn). On considère par ailleurs un point C de coordonnées (xc yc zc). Ce point est par exemple situé au centre de la zone d'intérêt. Les lois de l'acoustique enseignent que le signal sonore sera maximum au point C si les signaux issus des N sources 11 arrivent en phase au point C. Si d1c, d2C, dNc sont les distances des sources à la cible, (pi, (p2... (pN les corrections de phase apportées, et 2^, la longueur d'onde des signaux émis, pour que les signaux émis par les différentes sources sonores arrivent en phase au point C, il suffit que les relations suivantes soient vérifiées: A partir de ces relations et connaissant l'emplacement relatif des sources 11 et la position de la cible, le calculateur du dispositif selon l'invention peut très simplement calculer les corrections de phase à apporter pour obtenir un signal d'amplitude maximum dans une zone entourant le point C. Par suite, pour obtenir un signal d'amplitude minimum dans certaines zones dites "tranquilles", et en particulier la zones où évolue l'opérateur, il suffit de légèrement modifier la loi de phase optimale décrite ci-dessus, sans modifier les amplitudes supposées égales des signaux émis, de telle façon que la sommation vectorielle des signaux au centre des zones tranquilles soit quasi nulle. Le calcul des lois de phase permettant d'obtenir un réseau de sources sonores avec un diagramme d'insonification présentant des maxima et des minima n'est pas décrit dans ce document. Il fait appel à des techniques de calcul numérique semblables à celles utilisé dans le domaine des antennes radar à réseaux bien connues des radaristes et des acousticiens (acoustique sous-marine et aérienne). Ces techniques réalisent une optimisation numérique permettant de trouver des lois de commande maximisant le signal en un point, sous contrainte de minimisation en d'autres points. Parmi ces méthodes on peut citer à titre d'exemple les méthodes dites de "phase only nulling" utilisées pour les antennes à balayage électronique des radars. La mise en réseau plusieurs sources électroacoustiques compactes permet de bénéficier d'un gain en volume sonore. En effet, pour N sources mises en réseau, on peut espérer de manière connue un facteur de gain associé maximum égal en décibels à 20 Log (N). La mise en réseau permet également de bénéficier d'une directivité accrue, sachant qu'en première approximation la largeur du diagramme de rayonnement est une fonction proportionnelle à la longueur d'onde du signal acoustique et inversement proportionnelle à la taille du réseau. Comme on peut le constater au travers de la description qui précède, les principes de mise en oeuvre et de fonctionnement du système selon l'invention apparaissent relativement simples. Cette simplicité répond avantageusement aux exigences de rapidité de mise en place du dispositif en cas de nécessité d'une action rapide. Le déploiement des sources sur la zone d'intérêt ne fait l'objet que d'exigence de positionnement facile à satisfaire. II suffit en particulier que les sources soient positionnées de telle sorte que l'espacement entre sources soit au moins égal à une demi-longueur d'onde, de façon à limiter les problèmes de couplage entre sources et à assurer ainsi un fonctionnement optimum du réseau. Les sources S1, S2, SN doivent également être, de préférence, disposées d'un seul côté par rapport à la base afin d'éviter d'éventuels problèmes de levée d'ambiguïté. En ce qui concerne le positionnement des sources il convient de constater que ce positionnement détermine la largeur du réseau constitué, qui détermine elle-même la directivité de ce réseau suivant un axe perpendiculaire à (Si SN). A ce titre on peut en première approximation écrire: = d où 0 représente la largeur à 3 dB du diagramme de rayonnement 10 exprimée en radians, 2, étant la longueur d'onde du signal acoustique et d la largeur du réseau. Les performances obtenues par un tel système notamment en terme de dynamique dépendent du nombre de sources mises en oeuvre, des caractéristiques des sources et de la géométrie du réseau, mais dans la pratique des écarts de niveau supérieurs à 20 dB, entre zones tranquilles et zones d'insonification maximum sont facilement accessibles. Cette simplicité de mise en oeuvre trouve sa contrepartie dans le fait que le système selon l'invention doit être en mesure d'effectuer la localisation des sources et en particulier de déterminer la position relative des sources les unes par rapport aux autres. Cette détermination doit être réalisée avec une précision relativement grande, typiquement de l'ordre du centimètre. Pour réaliser cette localisation, il est possible d'ajouter au système des équipements complémentaires. On peut par exemple envisager d'équiper chaque source d'un récepteur GPS et d'une liaison numérique filaire ou radio avec le calculateur du système, le calculateur effectuant ensuite le calcul des positions relatives des cibles. On peut également envisager tout autre moyen de mesure approprié, optique ou radioélectriques par exemple. Cependant de tels façons de déterminer la position relatives des cibles présentent l'inconvénient de nécessiter l'ajout au système d'éléments matériels dont l'unique rôle est la mesure de la position des sources. Ces éléments outre qu'ils complexifient l'ensemble, tendent à rendre le système moins simple à mettre en oeuvre. Pour déterminer précisément la position relative des différentes sources après leur déploiement, le système selon l'invention effectue, dans une forme de réalisation préférée, une localisation par mesure de retard de propagation acoustique et calcul de triangulation dont le principe est illustré par la figure 2. Pour des raisons de simplification de la description le principe de la mesure est décrit dans le cas de sources déployées sur un terrain plat Cette méthode de localisation reste bien évidemment généralisable. Cette méthode consiste à mesurer les distances entre (SI, S2), (SI, S3), (SI, SN), (SN, S2), (SN, S3), ce qui définit les triangles (SI, S2, SN) et (SI, S3, SN) qui ont la base (SI, SN) commune, à une ambiguïté de symétrie par rapport à cette base, ambiguïté qui peut être levée par une légère contrainte de déploiement des sources comme par exemple l'orientation des sources dans un seul demi-plan par rapport à la base. Le but est de déterminer par un quelconque procédé géométrique connu la localisation relative des sources Si, S2, SN. Le procédé de mesure, appliqué aux sources S et S2 prises comme exemple peut être décrit par les étapes suivantes: - Envoi par le générateur, à l'instant to, d'une impulsion électrique 21 sur la liaison électrique vers Si, ce qui provoque la l'émission d'une onde sonore 22 (sinusoïde amortie à la fréquence de résonance) par SI. - Réception par S2 de l'onde émise, après un temps de propagation. A cet effet, si la source comporte un haut-parleur autorisant la fonction microphone c'est le haut-parleur qui reçoit l'onde émise par SI. Dans la négative S2 doit comporter un microphone séparé pouvant être mis en service pour les opérations de localisation. - Envoi par S2 au générateur du signal électrique 23 correspondant au son reçu. Cet envoi est réalisé par la liaison électrique reliant S2 au générateur. - Mesure du retard entre impulsion émise 21 et signal reçu 23, après 35 amplification et mise en forme, le retard mesuré correspondant principalement à la propagation acoustique entre S1 et S2, les retards de transmission électrique des signaux étant négligeables devant le temps de propagation du signal sonore, et de surcroît calculables. - Détermination de la distance séparant SI et S2 par le calculateur. L'opération de calcul de retard est ainsi répétée autant de fois que le système comporte de sources. Pour des raisons pratiques de mise en oeuvre sur le terrain, le nombre de source est nécessairement très limité, inférieur dans la pratique à une vingtaine. La charge de calcul reste donc limitée aussi bien en ce qui concerne l'opération de localisation des sources 11 que le calcul des valeurs de déphasages à appliquer aux différents signaux électriques excitant les sources. L'exécution en temps réel de ces différentes tâches par un calculateur du commerce, par exemple du type PC portable, ne pose aucun problème. Un tel procédé de localisation est a priori très avantageux car il ne nécessite que peu de matériel complémentaire aux éléments déjà employés pour réaliser la fonction première du système que constitue la protection. D'autre part, Le système tel qu'il est décrit dans le texte qui précède représente donc une solution avantageuse au problème posé par la réalisation d'un système de protection acoustique ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. Ses principaux avantages tiennent d'une par dans la séparation des différents éléments composant ce système, et à la facilité et à la de constitution d'un réseau de source, constitution qui ne nécessite pas un positionnement précis des sources les unes par rapport aux autres et qui permet un déploiement opérationnel rapide. Grâce à sa structure en réseau de sources, le système selon l'invention présente également l'avantage important de permettre la formation d'un diagramme d'insonification présentant à la fois de zones actives et de zones tranquilles. La solution acoustique décrite précédemment présente le léger inconvénient d'être sensible au vent. En effet, la vitesse de propagation du son dans l'air dépend de divers paramètres (température, pression...). Le but final étant d'ajuster le retard de ces mêmes signaux acoustique vers la zone d'intérêt, cette mesure de temps de propagation représente le paramètre le plus pertinent à mesurer. Le seul inconvénient réside dans la perturbation apportée à cette mesure par le vent, dont le vecteur directionnel à un instant donné fait des angles différents avec les vecteurs (S1, S2), (S1, SN). Cependant cette perturbation peut être compensée en utilisant un dispositif, de type anémomètre par exemple, permettant de mesurer la vitesse du vent et en apportant une correction appropriée aux retards mesurés. Cette solution semble, dans tous les cas, plus simple et plus facile à mettre en oeuvre que d'autres solutions possibles utilisant le même principe de triangulation à partir de mesures de retard sur des impulsions électromagnétiques, radio ou lumineuses, qui ont l'avantage d'être indépendantes de la vitesse du vent, mais aussi l'inconvénient corollaire de ne pas compenser automatiquement les dispersions de vitesses de propagation du son dans l'air. Ces solutions présentent de plus l'inconvénient de nécessiter la mise en place de moyens supplémentaires sur les sources comme par exemple un émetteur récepteur et une antenne. REVENDICATIONS 1. Système de protection sonore déployable caractérisé en ce qu'il comporte au moins: - un jeu de N sources sonores (11) pouvant émettre des sons de forte puissance, - un générateur de signaux électriques de forte puissance (12) fournissant N signaux électriques de même fréquence et de même amplitude à partir d'un signal unique de référence, chacun des signaux étant envoyé vers une des sources sonores, - des moyens pour modifier de manière séparée la phase de chacun des N signaux envoyés vers les sources, - un calculateur (15) effectuant la gestion du système et commandant les moyens pour modifier la phase des signaux générés, le système permettant de réaliser un réseau de sources acoustiques capable d'émettre une onde sonore d'intensité variable de manière sélective dans une zone d'intérêt située dans une direction donnée, et de créer au sein de cet zone d'intérêt des zones tranquilles où l'intensité du signal est faible et des zones actives ou l'intensité du signal est forte voire très forte. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sources sonores sont des sources électroacoustiques comportent des haut-parleurs de forte puissance. 3. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sources sonores comportent des transducteurs piézo-électriques. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que les moyens pour modifier la phase comportent des circuits déphaseurs passifs. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour modifier la phase comportent des circuits déphaseurs actifs. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour repérer les positions relatives des différentes sources sonores (11) après leur déploiement. 7. Système selon la revendication 6 caractérisé en ce que Chaque source comporte des moyens pour recevoir les sons émis par les autres sources. 8. système selon la revendication 7 caractérisé en ce que lesdits moyens pour recevoir les sons consistent en un microphone. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux sonores émis sont des signaux de basse fréquence.