Brevet FR3006093A1 — publié le 20141128

Dispositif acoustique apte à réaliser une réduction active de bruit La présente invention concerne un dispositif acoustique apte à réaliser une réduction active de bruit, positionnable sur la tête d'un utilisateur. L'invention se situe dans le domaine de la réduction active de bruit. Il existe différents dispositifs acoustiques de réduction de bruit ambiant, notamment des casques comportant un système de réduction active de bruit. En général, un tel casque comporte deux écouteurs, positionnés classiquement sur les oreilles d'un utilisateur. Chaque écouteur est équipé d'un microphone apte à capter un signal sonore représentatif du bruit ambiant, dit signal de bruit. La réduction active de bruit est alors réalisée par émission par les écouteurs, au niveau de l'entrée du canal auditif de l'utilisateur, d'un signal sonore aérien qui est calculé pour compenser le signal de bruit capté, également appelé « contre-bruit ». L'invention a pour objet de proposer un dispositif acoustique de réduction de bruit ambiant permettant une meilleure atténuation de bruit sans encombrement pour l'utilisateur. A cet effet, l'invention propose un dispositif acoustique apte à réaliser une réduction active de bruit, positionnable sur la tête d'un utilisateur, comprenant au moins un microphone apte à capter un signal sonore représentatif d'un bruit ambiant. Le dispositif acoustique comporte au moins un module acoustique de réduction active de bruit comprenant un transducteur ostéophonique, apte à être positionné sur un flanc latéral de la tête de l'utilisateur et à émettre un signal vibratoire transformé par conduction osseuse en un signal acoustique perceptible par l'utilisateur, connecté audit microphone, alors que ledit au moins un module acoustique comporte un circuit électronique apte à générer un signal vibratoire permettant d'atténuer la perception dudit bruit ambiant par l'utilisateur. Avantageusement, le dispositif acoustique selon l'invention comporte un transducteur ostéophonique apte à appliquer une réduction active de bruit. Ainsi, dans un mode de réalisation, l'encombrement pour l'utilisateur est minimal, aucune obturation des oreilles n'étant nécessaire pour réaliser une réduction active de bruit. Le dispositif acoustique selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison : - ledit circuit électronique implémente un filtre défini par une fonction de transfert de réduction de bruit, ladite fonction de transfert étant déterminée pour réaliser une atténuation de bruit en fonction d'une conduction osseuse directe entre le transducteur ostéophonique et l'oreille interne d'un utilisateur située du même côté que ledit transducteur ; - ladite fonction de transfert de réduction de bruit est fonction d'un rapport d'une fonction de transfert de conduction osseuse directe représentative de ladite conduction osseuse et d'une fonction de transfert de conduction aérienne représentative de la conduction d'un signal acoustique aérien entre une oreille externe et une oreille interne situées d'un même côté ; - ladite fonction de transfert est définie par la formule : HG H FO= R b Hm.HT0 dans laquelle R est ledit rapport d'une fonction de transfert de conduction osseuse directe et de la fonction de transfert de conduction aérienne, le, est une fonction de transfert caractéristique du bruit ambiant, Hm est la fonction de transfert dudit microphone et HTO est la fonction de transfert dudit transducteur ostéophonique ; - il comporte deux dits modules acoustiques de réduction active de bruit aptes à être positionnés sur des côtés latéraux opposés de la tête d'un utilisateur ; - chaque module acoustique de réduction active de bruit comporte un transducteur ostéophonique et un circuit électronique implémentant un filtre défini par une fonction de transfert de réduction de bruit, ladite fonction de transfert étant déterminée en fonction d'une conduction osseuse directe et d'une conduction osseuse transverse d'un signal vibratoire en provenance du transducteur ostéophonique opposé ; - il comporte en outre un module de réduction active de bruit par transmission d'un signal de contre-bruit aérien. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif acoustique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement une carte électronique du dispositif acoustique selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma de principe de réduction active de bruit selon un premier mode de réalisation ; - la figure 4 représente schématiquement un protocole de mesure de fonction de transfert de conduction osseuse directe ; - la figure 5 est un schéma de principe de réduction active de bruit selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 6 représente schématiquement un protocole de mesure de fonction de transfert de conduction osseuse transverse, et ; - la figure 7 est un ordinogramme des principales étapes d'un procédé de détermination de fonctions de transfert de réduction active de bruit par voie ostéophonique. Le dispositif acoustique 2 de la figure 1 comprend deux modules acoustiques latéraux 4 de réduction active de bruit par voie ostéophonique qui sont similaires. Le dispositif acoustique 2 est adapté pour être positionné sur la tête d'un utilisateur (non représentée), les modules acoustiques latéraux 4 étant positionnés en contact avec le crâne de l'utilisation, de préférence au niveau de ses tempes. Un module acoustique 4 comprend un transducteur ostéophonique 8 et un boîtier 10, comportant un microphone apte à capter un signal sonore représentatif d'un son ambiant, typiquement un bruit ambiant. Le transducteur ostéophonique 8 comporte un élément émetteur non représenté, apte à transformer un signal sonore en un signal vibratoire, transmis au nerf auditif de l'utilisateur par conduction osseuse. Ainsi, un signal sonore transformé par conduction osseuse en un signal acoustique perceptible par l'utilisateur au niveau de son oreille interne. L'élément émetteur est protégé par une coque de protection 12, qui est de préférence composée de deux demi-coques emboîtées. Les demi-coques sont, par exemple, en matière plastique et moulées par injection. Le boîtier 10 comporte également une carte électronique non représentée, qui sera décrite plus en détail en référence à la figure 2, et qui est reliée au microphone de capture de son ambiant et qui comprend un circuit électronique de filtrage permettant de générer, à partir du signal sonore capté, un signal électrique dit de « contre-bruit », transformé en signal vibratoire par le transducteur ostéophonique 8 et apte à amoindrir ou à annuler complètement la perception du signal sonore ambiant au niveau du nerf auditif de l'utilisateur. Ainsi, dans un mode de réalisation, une onde sonore ambiante est annulée par conduction osseuse. Le dispositif acoustique 2 comporte également un organe maintien mécanique 14, qui est dans cet exemple un bandeau rigide apte à supporter les modules acoustiques 4 en position adéquate, en appui contre les tempes de l'utilisateur. De préférence, le bandeau rigide 14 est de longueur réglable. De plus, optionnellement, le dispositif acoustique 2 comporte également un organe de maintien complémentaire 16, qui est dans cet exemple de réalisation un bandeau souple 16, de préférence de longueur réglable, positionnable sur le dessus de la tête de l'utilisateur afin d'assurer un maintien fiable. Une articulation 20, entre une pièce de fixation 22 d'un module acoustique 4 aux organes de maintien 14, 16 est également prévue. L'articulation 20 est propre à permettre un positionnement adéquat des modules acoustiques sur la tête d'un utilisateur. Dans un mode de réalisation, l'articulation 20 est équipée d'un ressort non représenté, propre à assurer un rappel du module acoustique 4 vers une position de repos. Selon une variante simplifiée non représentée, le dispositif acoustique selon l'invention est équipé d'un seul module acoustique latéral de réduction active du bruit, positionné sur un seul côté du crâne de l'utilisateur. Il est entendu que les modules acoustiques 4 de réduction de bruit par voie ostéophonique sont représentés et décrits en détail. Cependant, tout dispositif acoustique ou casque, comportant de tels modules acoustiques, fait partie de l'invention. Selon une variante, un ou deux modules acoustiques 4 de réduction de bruit par voie ostéophonique sont intégrés dans un dispositif de réduction de bruit classique, de type casque anti-bruit, afin de combiner la réduction de bruit par voie aérienne par génération d'un signal acoustique aérien de contre-bruit et la réduction de bruit par voie ostéophonique. Une carte électronique 30 selon l'invention est représentée à la figure 2. Un signal de bruit ambiant Sb est capté par le microphone. Un module de filtrage 32 est relié au microphone, ce module mettant en oeuvre une fonction de transfert HFO permettant de déterminer le signal électrique, équivalent au gain et à la phase près, au signal ostéophonique à transmettre par conduction osseuse pour annuler le signal de bruit Sb. Selon un premier mode de réalisation, la fonction de transfert HFO est déterminée pour un dispositif acoustique 2 muni d'un seul module acoustique 4 de réduction de bruit par voie ostéophonique. La fonction de transfert HFO ainsi déterminée s'applique également dans le cas d'un dispositif acoustique 2 muni de modules acoustiques 4 droite et gauche, mais en supposant des conditions de bruit ambiantes équivalentes au niveau des oreilles droite et gauche de l'utilisateur, et en considérant une conduction osseuse directe uniquement. Afin d'expliciter comment déterminer la fonction de transfert HFO dans ce premier mode de réalisation, la figure 3 illustre schématiquement le principe de la réduction de bruit par voie ostéophonique dans ce mode de réalisation. Dans cet exemple, le cas d'un module acoustique 4 placé du côté latéral gauche de l'utilisateur est considéré. Il est entendu que le principe décrit ci-après s'applique de manière symétrique lorsqu'un module acoustique 4 est placé du côté latéral droit du crâne de l'utilisateur. Seul le transducteur 8 faisant partie du module acoustique 4 est représenté. Le point IG représente l'oreille interne gauche de l'utilisateur, et le point EG le point d'entrée du conduit auditif gauche ou oreille externe. Des ondes sonores 38 de bruit sont transmises par voie aérienne, et captées par le microphone 40. Selon une modélisation de principe, une fonction de transfert Hco définit la conduction par voie osseuse entre l'émission de signal vibratoire par le transducteur 8 et l'oreille interne IG. La fonction de transfert globale entre l'entrée du microphone 40 et l'émission de signal vibratoire ostéophonique est notée HG. Similairement, une fonction de transfert HcA représente la conduction d'un signal sonore aérien entre l'oreille externe EG et l'oreille interne IG, il s'agit de la fonction de transfert de l'oreille interne et moyenne. La fonction de transfert HbG est la fonction de transfert caractéristique de l'environnement bruité, également utilisée dans le cadre de la réduction de bruit classique. Afin d'annuler le bruit au niveau de l'oreille interne IG de l'utilisateur, la relation suivante doit être vérifiée : HG - Hco - -H cl - H, (Eq 1) Il en résulte que la fonction de transfert globale HG dépend du rapport R entre la fonction de transfert HcA de l'oreille externe et moyenne et de la fonction de transfert Hco de conduction osseuse : HG= H CA il - G (Eq 2) `-`b Hco De plus, si on note H, la fonction de transfert du microphone 40 et HTO la fonction de transfert du transducteur 8, la relation suivante est également vérifiée : HG =Hm- HFo- HT0 (Eq 3) En combinant les relations (Eq 2) et (Eq 3) ci-dessus, il en résulte : HCA HG HG HFO = b = R b (Eq 4) Hco H.- HTO Hm-HT0 Afin de déterminer la fonction de transfert HFO à appliquer, il est donc utile, dans une phase préalable, de déterminer le rapport R=HcA/Hco, ce qui revient, en d'autres termes, à déterminer le signal sonore aérien équivalent, au gain et à la phase près, au signal vibratoire ostéophonique. Une telle détermination est effectuée, dans un mode de réalisation, selon le protocole schématisé à la figure 4. Un opérateur humain intervient dans cette détermination expérimentale. Comme illustré sur la figure 4, l'opérateur testé est équipé d'un transducteur 8, positionné latéralement, sensiblement dans la région de la tempe, et d'un écouteur 42 positionné sur une oreille, par exemple l'oreille gauche comme dans l'exemple de la figure 3. L'écouteur 42 est un écouteur classique, permettant de transmettre un signal acoustique aérien au niveau de l'oreille externe gauche de l'opérateur. De préférence, l'oreille externe droite est obstruée, par exemple par un bouchon d'oreille, afin d'éviter une éventuelle interférence auditive. Un générateur 44 de signaux sinusoïdaux permet de générer successivement des signaux pour un ensemble de fréquences variant de 20 Hz à 20kHz. Un signal sinusoïdal généré est transmis à la fois à l'écouteur 42 et à un filtre 46, dont le gain Go et la phase A4o sont réglables par l'opérateur. L'opérateur a la possibilité de régler le gain et la phase du filtre 46 pour un signal sinusoïdal de fréquence f donnée jusqu'à constater une annulation du son perçu au niveau de son oreille interne I. L'opérateur fournit donc le gain et la phase du filtre 46 pour chaque fréquence f, permettant une annulation du son perçu au niveau de l'oreille interne. En notant Hg la fonction de transfert du filtre 46, HT0 la fonction de transfert du transducteur 8 et HTA la fonction de transfert de l'écouteur 42, la relation suivante est vérifiée : Hg - H To - Hcv -HTA - I I cl (Eq 5) Ainsi, il en est déduit le rapport R=HcA/Hco H CA = H H TO (Eq 6) Hco g HTA La fonction de transfert Hg est obtenue par mesure comme expliqué ci-dessus et mémorisée, et les fonctions de transfert respectives du transducteur 8 et de l'écouteur 42 sont connues. Par conséquent, il est possible de calculer le rapport R. En variante, le protocole expérimental est répété pour une pluralité d'opérateurs, permettant ainsi d'obtenir une pluralité de mesures subjectives pour la fonction de transfert Hg dans l'ensemble de fréquences, et d'en déduire une fonction de transfert moyenne. Ainsi, l'équation (Eq 4) permet de déterminer la fonction de transfert HFO du filtre 32 à appliquer afin de réaliser une annulation du signal sonore ambiant Sb, capté par le microphone 40, par conduction osseuse via un transducteur 8. Il est à noter que d'un point de vue calculatoire, il est possible de combiner les équations (Eq 4) et (Eq 6), ce qui permet d'obtenir la relation simplifiée suivante pour l'obtention de la fonction de transfert HFO du filtre 32 : H 7 HFO= Hg 11 Hm-HTA (Eq 7) La fonction de transfert HFO est donc calculable par application de l'équation (Eq 7) ci-dessus, dans laquelle Hg est la fonction de transfert mesurée comme ci-dessus. Les fonctions de transfert Hm-HTA et Hb sont déterminées de manière connue dans le domaine de la réduction active de bruit, à l'aide d'un mannequin acoustique dans une chambre acoustique, avec un balayage de fréquence de 20Hz à 20000Hz. Selon un deuxième mode de réalisation, dans un dispositif acoustique de réduction de bruit comportant deux modules acoustiques 4 de réduction de bruit, une fonction de transfert adaptée est appliquée, prenant en compte une propagation osseuse transverse, c'est-à-dire une conduction osseuse du signal vibratoire émis par le transducteur situé à gauche jusqu'à l'oreille interne droite de l'utilisateur, et vice-versa, une conduction osseuse du signal vibratoire émis par le transducteur droit jusqu'à l'oreille interne gauche. De manière analogue à la figure 3, la figure 5 illustre schématiquement le principe de la réduction de bruit par voie ostéophonique dans ce deuxième mode de réalisation. Deux transducteurs 8, 8' similaires et ayant une même fonction de transfert HT0 sont considérés, respectivement annotés G pour le transducteur gauche positionné sur la partie latérale gauche du crâne de l'utilisateur et D pour le transducteur droit positionné sur la partie latérale droite du crâne de l'utilisateur. Les points IG et ID désignent respectivement les points d'entrée de l'oreille interne gauche et droite de l'utilisateur, et les points EG et ED les points d'entrée respectifs des entrées des conduits auditifs externes gauche et droit. Il est supposé que les conduits auditifs internes d'une part et la conduction osseuse d'autre part sont symétriques pour un utilisateur moyen, donc une seule fonction de transfert H00 de conduction osseuse directe, H00' de conduction osseuse transverse et HDA de conduction aérienne de l'oreille moyenne et de l'oreille interne sont considérées. Extérieurement, dans la plus grande généralité, il est considéré que les fonctions de transfert respectives gauche et droite correspondant à l'environnement bruité peuvent être différentes, et qu'un filtrage différent HFOG et HFOD est appliqué en entrée des transducteurs 8, 8' respectifs. Un microphone 48 est relié au transducteur gauche 8 et un microphone 50 est relié au transducteur droit 8'. Afin d'obtenir une annulation simultanée du bruit perçu au niveau des deux oreilles internes, les relations suivantes sont vérifiées : HG-Hco+HbG - HCA+HCO-HD=0 (Eq 8) HD- Hcv+ He - HGA-FLIG 0-HG=0 (Eq 9) On obtient ensuite par calcul : HD = [H - P-Hbp] (Eq 10) (1-P2 G ) b r D HG = R [H - P-HbG] (Eq 11) (1-P2) b HCA H cv Où R = comme précédemment, et P - est le rapport entre fonction de Ha) H cv transfert de conduction osseuse transverse et fonction de transfert de conduction osseuse directe. Si on considère que les fonctions de transfert Le, et Hb sont identiques : Hb = Hb = Hb, les équations (Eq 10) et (Eq 11) se simplifient comme suit : HD=HG= i±p Hb (Eq 12) Pour déterminer les fonctions de transfert, il est utile de déterminer le rapport P des fonctions de transfert respectives de conduction osseuse directe et transverse. Dans un mode de réalisation, la relation suivante est utilisée : P = Hco R (Eq 13) HCA Ainsi, il suffit de déterminer P'= He 0 I HcA, rapport qui peut être mesuré de manière expérimentale, de manière analogue au protocole expérimental décrit ci-dessus en référence à la figure 4. Une représentation schématique d'un protocole de détermination du rapport P' est illustrée à la figure 6. Dans le mode de réalisation de la figure 6, l'écouter 52 est placé sur le côté opposé du transducteur ostéophonique 8. Le conduit de l'oreille externe du même côté que le transducteur ostéophonique 8 est obstrué par un bouchon d'oreille 58 par exemple, afin d'éviter toute interférence. Un générateur 54 de signaux sinusoïdaux, analogue au générateur 44 de la figure 4, permet de générer successivement des signaux pour un ensemble de fréquences variant de 20 Hz à 20kHz. Un signal sinusoïdal généré est transmis à la fois à l'écouteur 52 et à un filtre 56, dont le gain G'0 et la phase A.4'o sont réglables par l'opérateur. L'opérateur a la possibilité de régler le gain et la phase du filtre 56 pour un signal sinusoïdal de fréquence f donnée jusqu'à constater une annulation du son perçu au niveau de son oreille interne I. L'opérateur fournit donc le gain et la phase du filtre 56 pour chaque fréquence f, permettant une annulation du son perçu au niveau de l'oreille interne, entre le signal sonore fourni via l'écouteur 52 et le signal vibratoire transmis par conduction osseuse à partir du transducteur 8. En notant H'g la fonction de transfert du filtre 56, HT0 la fonction de transfert du transducteur 8 et HTA la fonction de transfert de l'écouteur 52, la relation suivante est vérifiée : HTA - H CA Hg - H To - I I c,' 0 (Eq 14) Le rapport P' s'en déduit par : HTA (Eq 15) IA = Hg - HTO La fonction H'g est fournie par mesures expérimentales, pour un ensemble des valeurs de fréquences dans la bande de fréquence considérée. Le rapport P' peut alors être calculé pour cet ensemble de fréquences grâce à la relation fournie par l'équation (Eq 15), connaissant les fonctions de transfert respectives de l'écouteur 52 et du transducteur 8. Ensuite, il est possible d'en déduire les fonctions de transfert HFOG et Hm° à implémenter par les filtres respectifs des cartes électroniques associées à chaque module acoustique 4. Il est à noter que les fonctions de transfert HFOG et HF0D sont calculables H directement par les formules suivantes, utilisant le rapport Q = g, Hg et Hg' étant les H g fonctions de transfert des filtres respectifs 42 et 52, déterminées expérimentalement comme exposé ci-dessus. -Hg H if),0 = [Hb Q -H/ (Eq 16) Hm - HTA(1- Q2) -Hg HF% = [Hiu,'Q - H/ (Eq 17) Hm - HTA(1- Q2) Les fonctions de transfert HFOG et HF0D sont obtenues, selon un mode de réalisation de l'invention, par la mise en oeuvre d'un procédé de détermination dont les principales étapes sont illustrées à la figure 7. Dans une première étape 70, les fonctions de transfert HbG et Hb° représentatives des caractéristiques de l'environnement sont calculées, selon un protocole de mesure classique en chambre acoustique comme brièvement expliqué ci-dessus. Ensuite, les fonctions de transfert Hg et Hg' sont évaluées à l'étape suivante 72, selon par exemple les protocoles décrits en référence aux figures 4 et 6. A l'étape 74, la fonction de transfert combinée Hm- H TA est évaluée, selon un protocole de mesure classique en chambre acoustique comme brièvement expliqué ci-dessus. Les étapes 70, 72 et 74 peuvent être effectuées dans un ordre différent. Les fonctions de transfert déterminées sont mémorisées dans une mémoire associée à un processeur de calcul pour l'ensemble des fréquences de l'intervalle de fréquence souhaité. Ensuite, à l'étape 76, les fonctions de transfert HFOG et HFOD sont déterminées par calcul, en utilisant les relations (Eq 16) et (Eq 17) ci-dessus. Les fonctions de transfert respectives ainsi déterminées sont implémentées chacune dans un circuit électronique de filtrage d'une carte de filtrage d'un module acoustique de réduction ostéophonique de bruit.15 REVENDICATIONS1.- Dispositif acoustique (2) apte à réaliser une réduction active de bruit, positionnable sur la tête d'un utilisateur, comprenant au moins un microphone apte à capter un signal sonore représentatif d'un bruit ambiant, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module acoustique (4) de réduction active de bruit comprenant un transducteur ostéophonique (8, 8'), apte à être positionné sur un flanc latéral de la tête de l'utilisateur et à émettre un signal vibratoire transformé par conduction osseuse en un signal acoustique perceptible par l'utilisateur, connecté audit microphone, et en ce que ledit au moins un module acoustique (4) comporte un circuit électronique (30) apte à générer un signal vibratoire permettant d'atténuer la perception dudit bruit ambiant par l'utilisateur. 2.- Dispositif acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit électronique (30) implémente un filtre (32) défini par une fonction de transfert (HFO) de réduction de bruit, ladite fonction de transfert (HFO) étant déterminée pour réaliser une atténuation de bruit en fonction d'une conduction osseuse directe entre le transducteur ostéophonique (8, 8') et l'oreille interne d'un utilisateur située du même côté que ledit transducteur (8, 8'). 3.- Dispositif acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fonction de transfert (HFO) de réduction de bruit est fonction d'un rapport d'une fonction de transfert de conduction osseuse directe (1-1c0) représentative de ladite conduction osseuse et d'une fonction de transfert de conduction aérienne (1-IcA) représentative de la conduction d'un signal acoustique aérien entre une oreille externe et une oreille interne situées d'un même côté. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fonction de transfert est définie par la formule : HG H FO= R b Hm.HT0 dans laquelle R est ledit rapport d'une fonction de transfert de conduction osseuse directe (1-1c0) et de la fonction de transfert de conduction aérienne (I-IcA), Le, est une fonction de transfert caractéristique du bruit ambiant, Hm est la fonction de transfert dudit microphone et H To est la fonction de transfert dudit transducteur ostéophonique (8,8'). 5.-Dispositif acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux dits modules acoustiques (4) de réduction active de bruit aptes à être positionnés sur des côtés latéraux opposés de la tête d'un utilisateur. 6.- Dispositif acoustique selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque module acoustique (4) de réduction active de bruit comporte un transducteur ostéophonique (8,8') et un circuit électronique (30) implémentant un filtre (32) défini par une fonction de transfert (HFO) de réduction de bruit, ladite fonction de transfert (HFO) étant déterminée en fonction d'une conduction osseuse directe (Hco) et d'une conduction osseuse transverse (Hco') d'un signal vibratoire en provenance du transducteur ostéophonique opposé. 7.- Dispositif acoustique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un module de réduction active de bruit par transmission d'un signal de contre-bruit aérien.20