Brevet FR3095545A1 — publié le 20201030

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE REPRODUCTION DE SIGNAUX SONORES À DISTORSIONS RÉDUITES Domaine technique de l'invention [0001] L'invention concerne les dispositifs de reproduction de signaux sonores, et notamment les antennes paramétriques. Etat de la technique [0002] Lorsqu'une onde sonore (ou acoustique) de grande amplitude est émise dans l'air, les propriétés non linéaires du milieu font que la célérité de cette onde dépend de l'amplitude instantanée de la pression sonore. La forme temporelle de cette onde se déforme au cours de la propagation et son contenu fréquentiel évolue, faisant apparaître de nouvelles composantes fréquentielles au détriment des composantes fréquentielles initiales. En d'autres termes, au cours de la propagation non linéaire de l'onde sonore (ou acoustique), il existe des transferts d'énergie entre les composantes fréquentielles du signal sonore. Ce phénomène acoustique particulier est au coeur des antennes paramétriques. Il est généralement exploité pour faire émerger une onde de basse fréquence audible à partir d'ondes ultrasonores inaudibles de grande amplitude. [0003] On a schématiquement illustré sur la figure 1, à titre d'exemple illustratif, le fonc- tionnement d'une antenne paramétrique idéale avec une source sonore au comportement linéaire. Cette source sonore, excitée par un signal électrique sinusoïdal de haute fréquence fc (porteuse) dont l'amplitude est modulée par un signal électrique sinusoïdal de basse fréquence fa, émet dans l'air une onde sonore avec des composantes primaires aux fréquences fc - fa, fc, et fc + fa. La propagation non linéaire de cette onde engendre la création de nouvelles composantes aux fréquences harmoniques des fréquences primaires n*(fc - fa), ntfc, et nt(fc + fa), où n est un entier positif. A cela s'ajoute une interaction non linéaire entre les composantes primaires de l'onde sonore (ou acoustique) qui génère des produits d'intermodulation dont en particulier la composante basse fréquence fa (c'est-à-dire la composante fréquentielle qui est recherchée dans le cadre de l'application visée) correspondant à la différence entre les fréquences fc et fc - fa d'une part, et fc + fa et fc d'autre part. [0004] La source émettrice qui émet l'onde acoustique à la fréquence fa n'est. pas la source sonore excitée par le signal électrique mais tout. le volume d'air au-devant de la source émettrice où l'interaction non linéaire des composantes primaires de l'onde acoustique est effective. Ce processus qui permet de générer le signal basse fréquence utilisé pour moduler en amplitude une porteuse haute fréquence par interaction non linéaire est appelé « démodulation non linéaire » ci-après. 2 100051 11 est connu que les sources ultrasonores en usage sont directives. Le signal sonore basse fréquence fa, résultant de l'interaction non linéaire entre les composantes primaires, s'apparente lui aussi à un faisceau sonore directif dont la directivité est. proche de celle des composantes primaires. Ce comportement est caractéristique des antennes paramétriques. [0006] Dans la pratique, comme illustré sur la figure 2, les sources ultrasonores usuelles (et donc réelles) n'ont pas un comportement linéaire, et cela d'autant plus que l'amplitude du signal électrique appliqué en entrée est élevée. Le contenu fréquentiel de l'onde acoustique émise par la source ultrasonore est enrichi de fréquences résultant du comportement non linéaire de cette source. Tout comme les composantes fréquentielles comprises dans le signal électrique appliqué à la source ultrasonore, les composantes issues du comportement non linéaire de la source ultrasonore sont émises et se propagent dans l'air en interagissant entre elles ainsi qu'avec les composantes primaires, et cela de manière non linéaire. Il résulte de ces interactions supplémentaires l'émergence de nouvelles composantes fréquentielles dans le signal audible qui sont indésirables. Par conséquent, le contenu du signal sonore audible délivré par une antenne paramétrique réelle se trouve grandement altéré par le comportement non linéaire de la source ultrasonore utilisée, ce que l'on appelle de la distorsion. Les conséquences sont importantes lorsqu'il s'agit de restituer un signal musical ou de la parole, par exemple. [0007] Par ailleurs, les sources ultrasonores excitées par un signal haute fréquence modulé (par exemple en amplitude) par un signal basse fréquence sont elles-mêmes, de par leur comportement non linéaire, le siège d'une démodulation non linéaire. Ainsi, ces sources ultrasonores sont susceptibles de générer une composante basse fréquence avec une directivité correspondant à la directivité de la source à cette fréquence. La directivité de l'antenne paramétrique peut alors être moins marquée. [0008] Il est possible de remédier au moins partiellement aux non linéarités résultant de la propagation non linéaire dans l'air en induisant en amont une pré-distorsion du signal modulé. Mais il est particulièrement difficile de contrecarrer les non linéarités des sources ultrasonores, généralement de type piézoélectrique. [0009] L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation, et notamment la distorsion et la directivité. Présentation de l'invention [0010] Elle propose notamment à cet effet un dispositif de reproduction de signaux sonores, comprenant : [0011] - un premier groupe d'au moins une première source sonore émettant, lorsqu'elle est excitée par un premier signal électrique à une première fréquence (fc), une première 3 onde ultrasonore ayant une première amplitude supérieure à un seuil et ayant la première fréquence (fc), et [0012] - un second groupe d'au moins une seconde source sonore émettant, lorsqu'elle est excitée par un deuxième signal électrique représentatif d'un signal sonore à reproduire et ayant une amplitude induisant un comportement linéaire ou quasi-linéaire de cette dernière et une deuxième fréquence (fc - fa), égale à la première fréquence (fc) moins une troisième fréquence audible (fa), et/ou une quatrième fréquence (fc + fa), égale à la première fréquence (fc) plus la troisième fréquence (fa), une seconde onde ultrasonore à la deuxième fréquence (fc - fa) et/ou à la quatrième fréquence (fc + fa) et d'une deuxième amplitude permettant une interaction non linéaire avec la première onde ultrasonore contribuant à l'émergence d'une troisième onde sonore audible à la troisième fréquence (fa). [0013] Grâce à cette séparation du contenu fréquentiel du signal électrique initial en deux signaux électriques distincts, fc d'une part, fc - fa et/ou fc + fa d'autre part, chacun appliqué à des sources sonores indépendantes, on limite la distorsion engendrée par les sources ultrasonores et donc il n'y a pas d'émergence de fréquences audibles indésirables lors de la formation du signal acoustique. Par ailleurs, il n'y a pas de démodulation non linéaire effectuée directement au niveau des transducteurs des secondes sources sonores du fait qu'ils travaillent dans leur domaine de linéarité, et par conséquent ils ne rayonnent pas directement un signal sonore audible (basse fréquence), si bien que la directivité de l'émission audible n'est pas affectée. [0014] Le dispositif de reproduction selon l'invention peut comporter d'autres caracté- ristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : [0015] - chaque première source sonore peut, par exemple, être électroacoustique et/ou chaque seconde source sonore peut être électroacoustique ; [0016] - le premier groupe peut comprendre au moins deux premières sources sonores identiques ou différentes ; [0017] - le second groupe peut comprendre au moins deux secondes sources sonores identiques ou différentes ; [0018] - les première(s) et seconde(s) sources sonores peuvent être identiques ou dif- férentes ; [0019] - les première(s) et seconde(s) sources sonores peuvent être positionnées les unes par rapport aux autres selon un arrangement aléatoire ou prédéfini permettant une interaction non linéaire entre les première et seconde ondes ultrasonores ; [0020] - chaque seconde source sonore peut émettre une seconde onde ultrasonore si- nusoïdale ou complexe ; [0021] - le seuil peut, par exemple, être fonction de la première fréquence ; [0022] - il peut comprendre un modulateur produisant le deuxième signal électrique en modulant en amplitude et/ou en fréquence le premier signal électrique avec un troisième signal électrique ayant la troisième fréquence audible et représentatif du signal à reproduire. [0023] L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant au moins un dispositif de reproduction de signaux sonores du type de celui présenté ci-avant. Brève description des figures [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : [0025] [fie.1] illustre schématiquement le fonctionnement d'une antenne paramétrique idéale ayant une source sonore au comportement linéaire, [0026] [fig.2] illustre schématiquement le fonctionnement d'une antenne paramétrique réelle ayant une source sonore au comportement non linéaire, [0027] [fig.3] illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation d'un dispositif de reproduction de signaux sonores selon l'invention, et [0028] [fig.4] illustre schématiquement le fonctionnement du dispositif de reproduction de signaux sonores de la figure 3. Description détaillée de l'invention [0029] L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de reproduction DR destiné à reproduire des signaux sonores (ou audio) avec des distorsions réduites et une meilleure directivité (par rapport à l'art antérieur). 100301 Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le dispositif de re- production DR est destiné à équiper un véhicule de type automobile, comme par exemple une voiture, en étant alimenté en deuxièmes s2 ou troisièmes s3 signaux électriques représentatifs de signaux sonores à reproduire, par un équipement électronique embarqué. Mais l'invention n'est pas limitée à cette application. En effet, un dispositif de reproduction DR peut équiper n'importe quel système, appareil, installation (y compris industrielle), bâtiment (public ou privé), ou espace extérieur (public ou privé). Ainsi, un dispositif de reproduction DR peut notamment équiper n'importe quel type de véhicule (terrestre, maritime (ou fluvial), ou aérien) et les appareils électroménagers. 100311 On notera qu'un système, comme par exemple et non limitativement un véhicule, peut éventuellement comprendre plusieurs (au moins deux) dispositifs de reproduction DR selon l'invention alimentés en deuxièmes s2 ou troisièmes s3 signaux électriques (représentatifs de signaux sonores à reproduire), par un ou plusieurs équipement(s) électronique(s). 100321 On a schématiquement représenté sur la figure 3 un exemple de réalisation d'un dispositif de reproduction DR selon l'invention. [0033] Comme illustré, un dispositif de reproduction DR, selon l'invention, comprend au moins un premier groupe d'au moins une première source sonore SS1 et un second groupe d'au moins une seconde source sonore SS2. [0034] Chaque première source sonore SS1 est agencée de manière à émettre, lorsqu'elle est excitée par un premier signal électrique sl à une première fréquence fc, une première onde ultrasonore 01 ayant une première amplitude qui est supérieure à un seuil et ayant cette première fréquence fc. [0035] Chaque seconde source sonore SS2 est excitée par un deuxième signal électrique s2 qui est représentatif d'un signal sonore à reproduire et qui a une amplitude induisant un comportement linéaire ou quasi-linéaire de cette dernière (SS2) et une deuxième fréquence fc - fa, égale à la première fréquence fc moins une troisième fréquence fa audible, et/ou une quatrième fréquence fc + fa, égale à la première fréquence fc plus la troisième fréquence fa. De plus, chaque seconde source sonore SS2 est agencée, lorsqu'elle est ainsi excitée par s2, de manière à émettre une seconde onde ultrasonore 02 à cette deuxième fréquence fc - fa et/ou à cette quatrième fréquence fc + fa et ayant une deuxième amplitude qui permet une interaction non linéaire avec la première onde ultrasonore 01 contribuant à l'émergence d'une troisième onde sonore audible à la troisième fréquence fa. En d'autres termes, l'amplitude du deuxième signal électrique s2 doit être suffisamment faible pour limiter autant que faire se peut l'expression du caractère inhannonique des secondes sources sonores SS2, mais l'amplitude de la seconde onde ultrasonore 02 émise doit être suffisamment élevée pour permettre l'émergence du contenu fréquentiel audible recherché par interaction non linéaire avec la première onde ultrasonore 01 émise par le premier groupe (de première(s) source(s) sonore(s) SS1). [0036] Lorsque la seconde onde ultrasonore 02 a seulement la deuxième fréquence fc - fa ou la quatrième fréquence fc + fa, elle est dite mono-fréquence, tandis que lorsque la seconde onde ultrasonore 02 a à la fois la deuxième fréquence fc - fa et la quatrième fréquence fc + fa, elle est dite bi-fréquences. [0037] Grâce à cette séparation du contenu fréquentiel du signal électrique initial dans des premier si et deuxième s2 signaux électriques distincts, de fréquences respectives fc et fc - fa et/ou fc + fa, et appliqués à des première(s) SS1 et seconde(s) SS2 sources sonores indépendantes, il n'y a pas d'émergence de fréquences audibles indésirables lors de la formation du signal acoustique. Il est en effet rappelé que l'apparition de ces fréquences audibles indésirables est la conséquence de distorsions d'intennodulation lorsqu'un signal électrique, comprenant l'ensemble des fréquences fc, fc - fa et fc + fa, est appliqué à des sources sonores au comportement non linéaire. Par ailleurs, il n'y a pas non plus de démodulation non linéaire effectuée directement au niveau des trans- 6 ducteurs des sources sonores. Ainsi, les transducteurs ne rayonnent pas directement de signal audible basse fréquence avec la directivité qui est la leur à cette fréquence audible, et donc la directivité n'est pas affectée. [0038] On notera que le seuil est relatif car plus la première amplitude de la première onde ultrasonore 01 est élevée, plus la deuxième amplitude de la seconde onde ultrasonore 02 peut être basse, et inversement. [0039] Le fonctionnement du dispositif de reproduction DR est illustré sur la figure 4. Dans l'exemple illustré non limitativement, le deuxième signal électrique s2 n'a que la quatrième fréquence fc + fa. [0040] La troisième fréquence fa étant audible, elle est donc comprise entre 20 Hz et 20 kHz environ. [0041] La première fréquence fc étant inaudible, elle est donc supérieure à environ 20 kHz. [0042] On notera que le dispositif de reproduction DR peut recevoir en entrée soit di- rectement le deuxième signal s2, soit un troisième signal s3 qui est représentatif du signal sonore à reproduire et a la troisième fréquence fa audible. Dans cette seconde alternative, le dispositif de reproduction DR peut, par exemple, comprendre en complément, comme illustré non limitativement sur la figure 3, un modulateur MD agencé de manière à produire le deuxième signal électrique s2 en modulant en amplitude et/ou en fréquence le premier signal électrique sl avec le troisième signal électrique s3 reçu. Mais la création du contenu fréquentiel audible (à la troisième fréquence fa) peut être obtenue par tout type de combinaison de troisièmes signaux électriques s3 avec le premier signal électrique sl de haute fréquence fc inaudible. [0043] Par exemple, chaque première source sonore SS1 peut être électroacoustique. Mais cela n'est pas une obligation car tout type de source sonore peut être utilisé pour constituer une première source sonore SS1. De même, chaque seconde source sonore SS2 peut être électroacoustique. Mais cela n'est pas une obligation car tout type de source sonore peut être utilisé pour constituer une seconde source sonore SS2. [0044] On notera que le premier groupe peut comprendre au moins deux premières sources sonores SS1 qui peuvent alors être identiques entre elles ou bien différentes (d'au moins deux types différents ou d'au moins deux caractéristiques différentes). [0045] On notera également que le second groupe peut comprendre au moins deux secondes sources sonores SS2 qui peuvent alors être identiques entre elles ou bien différentes (d'au moins deux types différents ou d'au moins deux caractéristiques différentes). [0046] On notera également que les première(s) SSI et seconde(s) SS2 sources sonores peuvent être identiques entre elles ou bien différentes (d'au moins deux types différents ou d'au moins deux caractéristiques différentes). [0047] On notera également que les première(s) SSI et seconde(s) SS2 sources sonores peuvent être positionnées les unes par rapport aux autres selon un arrangement 7 aléatoire ou selon un arrangement prédéfini. Dans les deux cas l'arrangement doit permettre une interaction non linéaire entre les première 01 et seconde 02 ondes ultrasonores. Ainsi, des premières SS1 et secondes SS2 sources sonores peuvent être « mélangées » au sein d'un arrangement, ou bien le premier groupe de premières sources sonores SS1 (positionnées les unes par rapport aux autres selon un premier arrangement aléatoire ou prédéfini) peut être placé à côté du second groupe de secondes sources sonores SS2 (positionnées les unes par rapport aux autres selon un second arrangement aléatoire ou prédéfini, éventuellement différent du premier arrangement). [0048] On notera également que les premiere(s) SS1 et/ou seconde(s) SS2 sources sonores peuvent, par exemple, être de type piézoélectrique. [0049] On notera également que chaque seconde source sonore SS2 peut émettre une seconde onde ultrasonore 02 sinusoïdale ou complexe. [0050] On notera également que le seuil peut, par exemple, être fonction de la première fréquence fc. Par exemple, ce seuil peut être compris entre 125 dB et 135 dB. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif de reproduction de signaux sonores (DR), caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier groupe d'au moins une première source sonore (SS 1) émettant, lorsqu'elle est excitée par un premier signal électrique à une première fréquence, une première onde ultrasonore ayant une première amplitude supérieure à un seuil et ayant ladite première fréquence, et - un second groupe d'au moins une seconde source sonore (SS2) émettant, lorsqu'elle est excitée par un deuxième signal électrique représentatif d'un signal sonore à reproduire et ayant une amplitude induisant un comportement linéaire ou quasi-linéaire de cette dernière (SS2) et une deuxième fréquence, égale à ladite première fréquence moins une troisième fréquence audible, et/ou une quatrième fréquence, égale à ladite première fréquence plus ladite troisième fréquence, une seconde onde ultrasonore à ladite deuxième fréquence et/ou à ladite quatrième fréquence et d'une deuxième amplitude permettant une interaction non linéaire avec ladite première onde ultrasonore contribuant à l'émergence d'une troisième onde sonore audible à ladite troisième fréquence. [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque première source sonore (SS1) est électroacoustique et/ou chaque seconde source sonore (SS2) est électroacoustique. [Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit premier groupe comprend au moins deux premières sources sonores (SS1) identiques ou différentes. [Revendication 4] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit second groupe comprend au moins deux secondes sources sonores (SS2) identiques ou différentes. [Revendication 5] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites première(s) (SS1) et seconde(s) (SS2) sources sonores sont identiques ou différentes. [Revendication 6] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites première(s) (SS1) et seconde(s) (SS2) sources sonores sont positionnées les unes par rapport aux autres selon un arrangement aléatoire ou prédéfini permettant une interaction non linéaire entre lesdites première et seconde ondes ultrasonores. [Revendication 7] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque seconde source sonore (SS2) émet une seconde onde ultrasonore 9 sinusoïdale ou complexe. [Revendication 8] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit seuil est fonction de ladite première fréquence. [Revendication 9] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur (MD) produisant ledit deuxième signal électrique en modulant en amplitude et/ou en fréquence ledit premier signal électrique avec un troisième signal électrique ayant ladite troisième fréquence audible et représentatif du signal à reproduire. [Revendication 10] Véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de re- production de signaux sonores (DR) selon l'une des revendications précédentes.