Brevet FR2873442A1 — publié le 20060127

PROCEDE DE MESURE DE VITESSE VIBRATOIRE D'UN OBJET, DISPOSITIF METTANT EN OEUVRE LE PROCEDE ET SYSTEME UTILISANT LEDIT PROCEDE. L'invention se rapporte à un procédé de mesure de vitesse vibratoire d'un objet ainsi qu'à un dispositif permettant de réaliser cette mesure et à un système incluant le dit dispositif. Plus particulièrement, l'invention s'applique à la correction de systèmes de haut-parleurs. Pour les systèmes vibrants, par exemple des haut-parleurs, il peut être nécessaire de connaître leur vitesse instantanée ou leur accélération instantanée afin de pouvoir les asservir de manière dynamique. Pour les haut-parleurs, il est connu de compenser le signal sonore envoyé auxdits haut-parleurs afin de s'affranchir d'éventuels problèmes de phase liés à la structure du haut-parleur ou à la chaîne d'amplification. Les systèmes connus à l'heure actuelle consistent à placer un microphone devant le haut-parleur et à mesurer le signal sonore produit par le haut-parleur. Le signal sonore mesuré est ensuite comparé au signal sonore que l'on désire reproduire. La différence entre les deux permet alors de compenser le signal reproduit. Une telle mesure ne permet pas d'avoir un résultat précis. D'autres techniques sont connues pour mesurer la vitesse vibratoire d'objets. Celles-ci peuvent utiliser des accéléromètres ou d'autres moyens de mesure de vitesse ou de position. L'invention propose un procédé de mesure précis et en temps réel pour mesurer la vitesse vibratoire d'un objet se déplaçant. Ainsi l'invention met en oeuvre un système comportant un émetteur d'ultrasons et un capteur d'ultrasons solidaire de l'objet dont on désire mesurer la vitesse. L'invention est un procédé de mesure de vitesse vibratoire d'un objet à l'aide d'un émetteur d'ultrason fixe et d'un capteur mobile solidaire d'un objet vibrant. Le procédé comporte les étapes de production d'un signal électrique d'émission à une fréquence supérieure aux fréquences audibles; d'émission, à partir de l'émetteur d'ultrason, d'une onde acoustique reproduisant le signal électrique d'émission; de mesure, à l'aide du capteur, de l'onde acoustique reçue par le capteur et transformation de cette onde acoustique en signal électrique mesuré ; et de comparaison du signal électrique d'émission et du signal électrique mesuré pour obtenir un signal de vitesse du capteur par rapport à l'émetteur. Préférentiellement, la comparaison se fait par une démodulation de fréquence du signal électrique mesuré par le signal électrique d'émission. L'émetteur est placé à une distance moyenne telle du capteur, que le déphasage relatif entre les signaux électriques d'émission et mesuré, à la distance moyenne entre l'émetteur et le capteur, est nul. On produit un signal d'accélération du capteur par dérivation du signal de vitesse instantanée dans le temps. L'invention est aussi un dispositif de mesure vibratoire d'un objet, qui comporte un générateur de signal électrique qui fournit un signal à une fréquence supérieure aux fréquences audibles; un émetteur acoustique d'ultrason placé à une distance de l'objet, l'émetteur étant couplé au générateur; un capteur d'ultrason solidaire de l'objet qui reçoit des ondes acoustiques et les transforme en signaux électriques; et des moyens de comparaison d'un signal reçu par le capteur avec le signal fourni par le générateur pour obtenir un signal de vitesse du capteur par rapport à l'émetteur. Préférentiellement, les moyens de comparaison incluent des moyens de démodulation de fréquence pour démoduler le signal reçu par le capteur à l'aide du signal fourni par le générateur. La distance est égale à un multiple de la distance parcouru dans l'air par l'onde acoustique produite par l'émetteur pendant une période du signal fourni par le générateur. Des moyens de calcul d'accélération réalisent la dérivée par rapport au temps du signal de vitesse afin de fournir un signal d'accélération. 3o L'invention est aussi un système de reproduction de son comportant un élément de traitement d'un signal audio; un moyen d'amplification qui amplifie un signal fourni par l'élément de traitement; un haut-parleur relié au moyen d'amplification, le haut parleur comportant au moins un élément mobile; et un dispositif de mesure vibratoire d'un objet, tel que précédemment défini, dans lequel l'objet est l'élément mobile du hautparleur de sorte que les mouvements du capteur soient représentatifs des mouvements de l'élément mobile. Préférentiellement, le signal de vitesse et/ou le signal d'accélération est/sont fournis à l'élément de traitement afin de compenser le signal audio. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description et de la figure unique qui représente un système de reproduction du son incluant un dispositif de mesure vibratoire selon l'invention. Sur la figure unique, le système de reproduction du son comporte un processeur de signal 1 (DSP de l'anglais Digital Signal Processor), un amplificateur 2, et un haut-parleur 3 muni d'une partie mobile 4. Le processeur de signal 1 reçoit un signal audio qui va subir un traitement pour être mis en forme en fonction des desideratas d'un utilisateur. Le signal audio mis en forme est ensuite fourni à l'amplificateur 2 qui l'amplifie pour le fournir au haut-parleur 3. En fonction du signal reçu par le haut-parleur, l'élément mobile 4 dudit haut-parleur 3 va se déplacer et produire ainsi un signal sonore correspondant au signal que l'on désire reproduire. Comme connu dans l'état de la technique, la tension appliquée au hautparleur va se traduire de manière quasi proportionnelle par une force qui sera appliquée sur la partie mobile et créera donc l'accélération de ladite partie mobile. Si l'on considère un fonctionnement linéaire du haut-parleur, l'accélération de la partie mobile est directement proportionnelle à la tension appliquée. Or, un haut-parleur n'est pas parfaitement linéaire et réagit différemment suivant la fréquence instantanée du signal d'attaque. Une mesure de l'accélération réelle de la partie mobile permet de compenser la tension envoyée au haut-parleur afin de prendre en compte l'accélération réelle et éventuellement la vitesse de ladite partie mobile. A cet effet, selon l'invention, il est rajouté un dispositif de mesure de vitesse de la partie mobile 4. Le dispositif de mesure de vitesse vibratoire comporte un générateur 5 couplé à un émetteur d'ultrasons 6 qui émet des ultrasons en direction d'un capteur d'ultrasons 7. Le générateur fournit un signal électrique à des fréquences inaudibles. Par exemple 25 KHz. L'émetteur 6 d'ultrasons reçoit le signal provenant du générateur 5 et transforme celui-ci en ondes acoustiques ultrasonores, c'est-à-dire inaudibles. L'émetteur 6 est, par exemple, un système piézoélectrique qui transforme le signal électrique en ondes mécaniques. Le capteur 7 est, par exemple, un microphone fonctionnant à des fréquences supérieures aux fréquences audibles. Le capteur 7 reçoit l'onde acoustique provenant de l'émetteur 6 et transforme celle-ci en signal électrique mesuré. Le signal électrique mesuré est ensuite transmis à un filtre passe-bande 8, dont la fréquence centrale correspond à la fréquence du signal électrique fourni par le générateur 5. La bande passante est suffisamment large pour pouvoir prendre en compte toutes les modulations dues au déplacement dudit capteur 7 par rapport à l'émetteur 6. Une fois filtré, le signal est ensuite amplifié dans un amplificateur 9 puis envoyé à un démodulateur 10 qui réalise une démodulation de fréquence en utilisant le signal fourni par le générateur 5. Une fois démodulé, le signal sortant du démodulateur correspond à la vitesse instantanée du capteur 7 par rapport à l'émetteur 6. Un circuit de dérivation 11 reçoit ce signal de vitesse v(t) et effectue la dérivée dans le temps de ce signal de vitesse pour obtenir un signal d'accélération a(t). Le circuit de dérivée 11 est un circuit dérivateur connu, par exemple une cellule RC. Les signaux de vitesse v(t) et d'accélération a(t) sont ensuite fournis au processeur de signal 1 afin que celui-ci corrige le signal audio en fonction de l'accélération réelle subie par le haut-parleur 4. Dans un but didactique, il va être expliqué le fonctionnement de la mesure. Le générateur 5 fournit une tension de type u(t)= U.sin(2iFt), dans lequel U correspond à l'amplitude maximale du signal, F correspond à la fréquence du signal, ici une fréquence au delà des fréquences audibles et par exemple 25 KHz, et t représente le temps. L'émetteur 6 va émettre un signal proportionnel au signal u(t) fourni par le générateur 5. Le déplacement dans l'air de l'onde acoustique créée par l'émetteur 6 va subir un déphasage en fonction de la distance, ainsi l'onde reçue au niveau du capteur 7 sera du type w(t)= W.sin(2iF(t-(D-x)/C), pour lequel D représente la distance entre le capteur 7 et l'émetteur 6 lorsque la partie mobile 4 est au repos, x représente le déplacement du capteur 7 par rapport à la position de repos, et C représente la vitesse de propagation du son dans l'air, par exemple 345 m/s. Si l'on s'intéresse au déplacement x, on s'aperçoit que l'onde reçue par le capteur 7 correspond au signal émis par l'émetteur 6 modulé en phase par la position x. Cette modulation en phase par le déplacement x correspond également à une modulation en fréquence par rapport à la vitesse de déplacement du capteur 7 par rapport à l'émetteur 6. Cette modulation de fréquence est également connue sous le nom d'effet Doppler. Ainsi, si on réalise une démodulation en fréquence à l'aide du démodulateur 10, par exemple réalisée à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase, on obtient un signal v(t) proportionnel à la vitesse de déplacement du capteur 7 par rapport à l'émetteur 6. La réalisation d'une dérivée par rapport au temps de ce signal à l'aide du circuit de dérivée 11 fournit ainsi un signal d'accélération a(t) correspondant à l'accélération instantanée subie par le capteur 7. Le signal de vitesse v(t) et le signal d'accélération a(t) étant fournies au processeur de signal 1, il est alors possible de compenser le signal audio en prenant en compte l'accélération réelle subie par la partie mobile 4 du haut-parleur 3. Il est à noter que, dans l'exemple représenté, on utilise un circuit de dérivation 11. Ce type de circuit n'est pas forcément nécessaire si le processeur de signal 1 dispose de suffisamment de puissance de calcul pour réaliser numériquement et en temps réel la dérivée du signal de vitesse. Si l'on se reporte à la modulation de fréquence réalisée par le déplacement du capteur 7 vis-à-vis de l'onde reçue, cette modulation en fréquence peut théoriquement atteindre un taux de 100%. Or une modulation de 100% signifierait que le déplacement du capteur 7 atteint la vitesse du son. Ceci est exclu dans la mesure où nous avons affaire à un système de hautparleurs et que ceux-ci ont des vitesses de déplacement très inférieur, par exemple 10 à 20 moins rapide que la vitesse du son pour un boomer. Dans la pratique on sera donc relativement loin d'une modulation de cet ordre là. Il est à noter que la bande passante du filtre passe bande 8 est dimensionnée en fonction du taux de modulation. La largeur de bande doit être égale à deux fois le taux de modulation multiplié par la fréquence centrale qui correspond à la fréquence des ultrasons émis. Ainsi, avec un taux de modulation de 10%, correspondant à une mesure de vitesse 10 fois inférieure à la vitesse du son, le filtre passe-bande 8 doit avoir une bande passante d'une largeur égale à 20 % de la fréquence centrale, soit une largeur de 5 kHz centrée sur 25 kHz. Comme on peut le remarquer, l'onde reçue prend en compte un déphasage constant correspondant à la distance D. Si l'on veut s'affranchir totalement de ce déphasage, par exemple si l'on souhaite récupérer la position x par démodulation de phase, il est possible de placer astucieusement l'émetteur 6 à une distance multiple de la longueur d'ondes acoustiques du signal émis. Cela revient à fixer D = K.C/F avec K un entier et C la vitesse du son et F la fréquence du signal u(t). A titre d'exemple, pour F = 25 KHz, C = 345 m/s, cela correspond à une distance multiple de 13,8 mm. L'invention a été décrite dans une application de haut-parleurs mais ne se limite pas à ce type d'applications. En effet, on peut très bien réutiliser l'invention dans tout autre système nécessitant une mesure de vitesse vibratoire ou éventuellement une mesure de position d'un objet en mouvement vibratoire par démodulation de phase. Revendications 1. Procédé de mesure vibratoire d'un objet à l'aide d'un émetteur d'ultrason (6) fixe et d'un capteur mobile (7) solidaire d'un objet vibrant (4), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: production d'un signal électrique d'émission (u(t)) à une fréquence supérieure aux fréquences audibles; - émission, à partir de l'émetteur d'ultrason (6), d'une onde acoustique reproduisant le signal électrique d'émission; - mesure, à l'aide du capteur (7), de l'onde acoustique reçue par le capteur (7) et transformation de cette onde acoustique en signal électrique mesuré ; - comparaison du signal électrique d'émission et du signal électrique mesuré pour obtenir un signal de vitesse (v(t)) du capteur par rapport à l'émetteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la comparaison se fait par une démodulation de fréquence du signal électrique mesuré par le signal électrique d'émission. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'émetteur (6) est placé à une distance moyenne (D) telle du capteur (7), que le déphasage relatif entre les signaux électriques d'émission et mesuré, à la distance moyenne entre l'émetteur et le capteur, est nul. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on produit un signal d'accélération (a(t)) du capteur par dérivation du signal de vitesse (v(t)) instantanée dans le temps. 5. Dispositif de mesure vibratoire d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur (5) de signal électrique qui fournit un signal (u(t)) à une fréquence supérieure aux fréquences audibles; - un émetteur acoustique (6) d'ultrason placé à une distance (D) de l'objet (4), l'émetteur (6) étant couplé au générateur (5) ; - un capteur d'ultrason (7) solidaire de l'objet (4) qui reçoit des ondes 3o acoustiques et les transforme en signaux électriques; - des moyens de comparaison (10) d'un signal reçu par le capteur (7) avec le signal (u(t)) fourni par le générateur (5) pour obtenir un signal de vitesse (v(t)) du capteur (7) par rapport à l'émetteur (6). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de comparaison incluent des moyens de démodulation de fréquence (10) pour démoduler le signal reçu par le capteur (7) à l'aide du signal (u(t)) fourni par le générateur (5). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la distance (D) est égale à un multiple de la distance parcourue dans l'air par l'onde acoustique produite par l'émetteur (6) pendant une période du signal (u(t)) fourni par le générateur (5). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel des moyens de calcul d'accélération (11) réalisent la dérivée par rapport au temps du signal de vitesse (v(t)) afin de fournir un signal d'accélération (a(t)). 9. Système de reproduction de son comportant: - un élément de traitement (1) d'un signal audio; - un moyen d'amplification (2) qui amplifie un signal fourni par l'élément de traitement (1) ; - un haut-parleur (3) relié au moyen d'amplification (2), le haut parleur (3) comportant au moins un élément mobile (4) ; caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendication 5 à 8, dans lequel l'objet est l'élément mobile (4) du haut-parleur (3) de sorte que les mouvements du capteur (7) soient représentatifs des mouvements de l'élément mobile (4). 10. Système selon la revendication 9, dans lequel le signal de vitesse (v(t)) et/ou le signal d'accélération (a(t)) est/sont fournis à l'élément de traitement (1) afin de compenser le signal audio.