EP2432600A1 - Dispositif de generation d'ondes acoustiques et installation incluant plusieurs de ces dispositifs - Google Patents

Dispositif de generation d'ondes acoustiques et installation incluant plusieurs de ces dispositifs

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EP2432600A1
EP2432600A1 EP10727042A EP10727042A EP2432600A1 EP 2432600 A1 EP2432600 A1 EP 2432600A1 EP 10727042 A EP10727042 A EP 10727042A EP 10727042 A EP10727042 A EP 10727042A EP 2432600 A1 EP2432600 A1 EP 2432600A1
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EP
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walls
assembly
potentials
cavities
acoustic
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EP10727042A
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Didier Gaudriot
Lionel Gaudriot
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Didson SARL
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Didson SARL
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • H04R31/006—Interconnection of transducer parts
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the invention relates to the field of electroacoustic sources, and more particularly to sources intended to operate in networks for generating extended acoustic wave systems shaped according to very precise surfaces.
  • the generation of such waves is required in active noise control and detection or imaging applications, and to a lesser extent in sound reproduction applications.
  • It relates more particularly to a new structure of electroacoustic dipole, like non-speaker speakers diverse, which is distinguished by a unit pressure control function.
  • monopolar sources involves modulating their flow rate according to the component of the normal speed on the surface of the screen, which imposes measuring this speed;
  • dipole sources it is a matter of opposing a pressure against the incident acoustic pressure, pressure more easily accessible to the measurement with a microphone.
  • the usual monopolar sources are in fact constituted by fundamentally dipolar sources with two speaking faces, which are baffled to avoid the external action of one of the faces. This results in an increase in the congestion penalizing in active noise control applications in particular, where their compactness must contribute to the visual transparency of the screens.
  • the problem to be solved by the invention is that of making electroacoustic sources dipole, compact, unitary response pressure and no response time. Presentation of the invention
  • the invention relates to a dipole device for generating acoustic waves, that is to say more specifically, couples of acoustic waves of opposite pressure, propagating in each direction in the opposite direction, parallel to defined discontinuity surfaces. by the geometry of the network of sources and the respective delays of the commands applied to the sources, themselves dipoles.
  • the pressure differential resulting from this pair of waves at the level of the discontinuity surfaces reflects the coupling of the variable dipole flow created by the sources themselves to the external acoustic medium.
  • these sources are locally defined as dipole pumps, that is to say antisymmetric, two vents, generating flow in the ambient fluid.
  • This fluid electrically insulating air or liquid, can be considered as incompressible in the operating conditions of the pump (near-field acoustic conditions) in the frequency domain of use of the dipole.
  • the acoustic coupling of this flow is such that the pressure differential created on such pairs of waves is strictly proportional to the general pressure differential which generates the flow within the pump which constitutes the source. It is modulated by a directivity factor according to the direction of the couples.
  • the invention therefore relates more particularly to a local dipolar flow generation device whose pressure differential is controlled.
  • this device is characterized in that it comprises a set of substantially identical deformable walls and planar, parallel, made of electrically conductive material. These walls are stacked regularly, and advantageously separated by spacers, flat and of equal thickness, so as to define between them successive volumes, confined, substantially identical, which open alternately on two opposite faces of this set by appropriate openings.
  • It also comprises an enclosure that contains this set of walls and has two cavities situated facing the faces where the openings of the defined volumes open, confined between the walls. These cavities communicate themselves with the external environment by two openings of revolution which constitute the two symmetrical vents of the dipole.
  • This device also comprises means for applying, in a controlled and variable manner, an electric field between pairs of successive walls, so as to create a pressure differential between pairs of contiguous volumes, the electric field being applied alternately to one of the volumes , to the exclusion of the other, according to the sign of the pressure differential to be created.
  • This pressure differential itself induces a succession of distances and approximations of the opposite walls, and therefore of opposite volume variations which cause the desired alternating dipole flow. This flow is established outside the enclosure through the two vents through which it closes.
  • the device according to the invention acts by causing the opposite alternating deformation of multiple volumes, opening on two vents, volumes which by contracting and expanding successively, in space and time, aspire or reject the fluid they contain, in equal quantities and create from these vents an external flow potential velocity, dipole-like, almost revolution.
  • the electric field applied in an inter-wall space causes the walls concerned to be alternately attracted or not to each other, whereby the corresponding volume decreases by an amount equal to that of which the related volume where the field is not applied.
  • a dipolar structure potential flow is generated which, by the combined laws of fluid mechanics and acoustics, gives rise to a system of pairs of acoustic waves propagating in opposite directions and signals. , and whose discontinuity plane passes through the center of symmetry of the vents.
  • This device therefore constitutes an acoustic dipolar source. More specifically, the device according to the invention makes it possible to control by electric means the pressure differential at the origin of the dipolar flow, and hence the pressure differential of the acoustic wave pairs induced by this flow.
  • each device is ideally acoustically coupled to a single pair of acoustic waves, the fundamental waves of the network, only generated for a frequency spectrum of acoustic signals bounded higher than the cutoff frequency (fo).
  • network ie fo # c / a (where 'it is the celerity of the sound, and' has' the geometric pitch of the network).
  • the pressure difference between the fundamental acoustic waves generated is only a definite fraction of the pressure differential internal to the device, because of the inertial pressure drop originating in the flows of very close field, adapting those of the dipole to those of the produced waves.
  • the transfer function between the pressure differentials is unitary, which is the first fundamental property required in noise-canceling application, and a particularly advantageous property in other applications.
  • the second property of very short response time between these two pressures insofar as the size of the device, related to the acoustic wavelength, is sufficiently small to be able to neglect the propagation delays of the potentials. : This is a second property required in noise canceling application.
  • the various walls of the device are delimited and separated by spacers elements, waterproof, constant thickness in the form of U.
  • the open portions of these elements, stacked head to tail, are alternately oriented towards one or the other of the faces where the volumes defined between the different walls open, faces themselves in communication with one or the other of the vents of the dipole.
  • the volumes created between the walls are delimited on the one hand, by the walls themselves, and on the other hand, by a spacer element, ensuring both the spacing between the walls and the delimitation of the walls. space through which the fluid will flow transversely, entering or leaving depending on the movement of the walls.
  • the flows internal to the device are defined by the spacing between walls, adjusted by the thickness of the spacers, and the inertial characteristics of the elastic walls. They are laminar, governed by the effects of inertia predominantly. A suitable parametric choice minimizes the resulting overall inertial load.
  • the choice of the material and the thickness of the walls implies that the elastic walls have, in the acoustic frequency domain considered, a preponderant inertial behavior, which imposes a first natural frequency of membrane of the wall, stretched on the U-shaped spacer. , low enough compared to the average frequency of the spectrum.
  • the choice of material is preferentially on an elastomeric material of very low YOUNG modulus (typically of the order of 0.01 GPa), slightly stretched on the spacers and of small thickness (of the order of a few tenths of a mm).
  • the device advantageously groups the walls by subassembly of four walls. These subassemblies form repetitive patterns, juxtaposed, in which the walls of the same rank in each subassembly are controlled by the same electrical control potential: either V1 (t), V2 (t), V3 (t), V4 (t) defined from a common alternating control potential V ⁇ (t), itself elaborated, electronically, from the differential pressure signal to be delivered by the device, ie ⁇ P ⁇ (t), performing the following function : V 0 (t) ⁇
  • V3 (t) V ⁇ (t)
  • V2 (t) V ⁇ (t) x ⁇ step function of HEAVISIDE [+ ⁇ P ⁇ (t)] ⁇
  • V4 (t) V ⁇ (t) x ⁇ step function of HEAVISIDE [- ⁇ P ⁇ (t)] ⁇
  • V ⁇ (t) is created from the square root of the module of the pressure to be delivered to take account of the fact that the electrostatic attraction obtained is proportional to the square of the electric field, for the linearity requirement of the transfer function.
  • the pressure differential of the generated wave pairs is proportional to the control pressure differential ⁇ P ⁇ (t), and these two types of differentials are concomitant in the conditions of use of the dipole.
  • the electrical potentials Vi (t), V2 (t), V3 (t), V4 (t) are not applied directly to the walls because these vibrating walls, the charges induced on their surface are not perfectly proportional. They are therefore applied through appropriate electronic control circuits which correct them so that it is the injected electric charges that are effectively proportioned to the instructions: V2, V3, V4, so as to preserve the linearity of the transfer function.
  • the pressure differential created in the inter-wall spaces in fact has an amplitude strictly proportional to the square of the fields, so electric charges injected on the walls.
  • the dielectric strength of the medium defines the maximum applicable potentials and therefore the maximum amplitude of the sound pressure differential that the device can deliver.
  • the device may advantageously comprise two microphonic sensors, close to the two vents, respectively, so as to evaluate the pressure differential actually generated and correct the control by an electronic control loop. appropriate.
  • FIG. 1 is a partially cut away perspective view of a device according to the invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the assembly of walls of the device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the device of FIG.
  • Figures 4 and 5 are schematic sectional views of the wall stacks of a device according to the invention, shown in two opposite control states.
  • Fig. 6 is a schematic diagram showing the control chain of the invention.
  • the device 1 is in the form of a chamber 2 of revolution having two openings or circular vents 3.4 disposed symmetrically with respect to the median plane P.
  • the general form this enclosure will generally be ellipsoidal, elongate along the axis of the dipole as shown in Figure 1, or otherwise flattened along the same axis according to the dimensions of the active body 10, or adapted from such a shape according to the applications.
  • the enclosure 2 encloses an assembly 10 of walls 11, 12, 13, 14 separated by spacer elements 21, 22, 23. This set of walls 10 has two preferred faces 15, 16, which open on two internal cavities 17, 18 , sealed internally on the periphery of the assembly 10, by two rigid diaphragms 19 connecting the outer contours of the planes 15, 16 and that of the enclosure 2.
  • the cavities 17, 18 are capped with two rigid caps 35, 36 which close the enclosure, while presenting at their base two circular, grid-shaped openings, of section adapted to the flows, constituting two vents 3, 4 which put them into communication with the external environment.
  • the device 1 also includes electronic control means 41, distributed in the available volume around the assembly 10, and in particular the four spaces formed between the set of walls 10 and the enclosure. These control means ensure the generation of the electric potentials applied to the walls 11, 12, 13, 14.
  • the device also comprises two pressure sensors 70, 71 connected to the electronic control 41 to provide various slave control functions.
  • the set of walls 10 is constituted by the assembly of various elements.
  • the number of walls shown in Figure 2 is deliberately reduced, to facilitate understanding.
  • the walls themselves consist of stretched deformable membranes, electrically conductive. More specifically, these membranes are made from films of conductive elastomeric material, typically having a secant Young's modulus of the order of 0.01 GPa, for a thickness of the order of a few tenths of a millimeter, for operation in aerial acoustics.
  • Each of the walls 11-14 has an electrical connection 31-34 allowing, as will be explained below, the connection with variable potentials.
  • the various membranes 11-14 are separated by insulating spacer members 21-24 of constant thickness, of the order of one millimeter in air.
  • each spacer element has a generally U-shaped, which in the illustrated form has three legs 55, 56, 57, which are arranged on three sides of the perimeter of the walls 11-14.
  • the spacer elements extend over only part of their perimeter, so as to define an opening zone 28 to connect the closed volume between two successive walls 11 , 12 and the cavity 17,18.
  • two successive spacer elements 21, 22 are arranged head-to-tail, so that their openings are alternately oriented on the two opposite faces 15, 16 of the assembly.
  • the volumes defined between the walls 11, 12 and the walls 12, 13 are open in opposite directions.
  • the spacer is produced by molding an insulating plastic material advantageously reinforced with fibers, according to an imprint profile U. From this spacer, and a shim adjusting in the inner part of the U, an impression is made, which by pressing and vulcanization allows to obtain the membrane thickness required bonded. It is advantageously observed that the removal of the elastomeric material from the membrane, after molding, gives the membrane a favorable mechanical pretension.
  • the assembly 10 of membranes therefore comprises a succession of volumes 26, 27 which communicate with the outside through openings 28, 29, oriented on the opposite faces 16, 15 of the together facing the cavities 18, 17 of the enclosure 2.
  • the dimensions and in particular the thickness of the various elements shown in the figures, as well as their number, are given for illustrative purposes, and for the sole purpose of making the invention understood.
  • the dimensions and the real numbers can be in particular clearly different, depending on the nature of the fluid in which the device works and applications, the thicknesses being increased by an order of magnitude in liquid medium, and the elastomeric material to be densified by incorporating suitable loads.
  • the different walls are arranged by elementary patterns 40 of four walls.
  • the walls 11, 111, 211 of the successive patterns 40, 140, 240 are all connected to the common potential Vl.
  • the walls 12, 112, 212 are connected to a potential i, the walls 13, 113 , 213 at the potential V3 and the walls 14, 114 and 214 at the potential Vt.
  • One way to develop these potentials as a function of the differential pressure setpoint ⁇ Po (t) is described in Figure 6.
  • the control electronics make the charges injected onto the walls are proportionally, in amplitude, to the square root of the set pressure differential
  • a module 605 determines the square root of this absolute value, which determines the control potential Vo (t) present at 607.
  • modules 612, 613 make it possible to calculate Heaviside step functions for the values of ⁇ Po (t). More precisely, the module 612 outputs a unit signal for ⁇ Po (t) positive, and zero for ⁇ Po (t) negative. Conversely, the module 613 has as output a unit signal for ⁇ Po (t) negative, and zero for ⁇ Po (t) positive. These signals are multiplied by 614,615 multipliers to give signals equal to + Vo or zero depending on the sign of ⁇ Po (t). These signals are applied at the input of the voltage / charge converters 620, 621 which supply the buses 63, 64, it being understood that the bus 61 remains at a zero potential and that the bus 62 is controlled as explained above.
  • the invention has the advantages of making it possible to generate acoustic waves whose pressure is the faithful and almost instantaneous replica of an electrical control signal, by means of a compact device, relatively simple to produce, the
  • the same principle can be applied to other fluid media, both liquid and gaseous.
  • This device works by generating a variable flow between multiple walls and by the constitution of an external flow field, of revolution, dipolar nature.
  • the total volume of fluid expelled by the inter-wall spaces decreasing in volume, at the corresponding vent, is indeed sucked up, in equal quantities, to the opposite vent, by the contiguous spaces in volume increase.
  • This variable dipole flow has the property of generating a system of pairs of acoustic waves of opposing pressures, propagating themselves in opposite directions, these pressures being a faithful and almost instantaneous replica of the electrically created pressures in the contiguous spaces defined between the walls.
  • all the constituent elements evoked can be adapted to the particular fluid medium, electrically insulating, in which the dipole is called to operate: gas or liquid, and this according to various parameters of this medium, such as in particular its density , the speed of acoustic waves, as well as the range of frequency of use, which conditions in particular the total width and the number of spacers and membranes.

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Abstract

Dispositif (1) de génération d'ondes acoustiques comportant: Un ensemble (10) de parois déformables sensiblement parallèles, réalisées en matériau élastomérique conducteur, les parois successives délimitant entre elles des volumes contigus débouchant alternativement sur deux faces opposées (15, 16) dudit ensemble (10) dans deux cavités (17, 18), étanches l'une par rapport à l'autre. Une enceinte de révolution, rigide (2) contenant l'ensemble (10) et présentant en regard de deux faces (15, 16) deux cavités (17, 18) étanches. Deux fentes circulaires grillagées aménagées dans l'enceinte constituent deux évents qui mettent les cavités (17, 18) en communication avec le milieu acoustique extérieur. Des moyens (41) pour appliquer, de manière contrôlée et variable, un ensemble de potentiels électriques aux parois de façon à induire un champ électrique entre parois, successivement actif (11, 12), et nul (12, 13) pour une polarité de la commande, et nul (11, 12) et actif (12, 13) pour la polarité opposée, ce afin de provoquer la diminution du volume concerné par le champ: successivement (28) et (29), et par voie de conséquence l'augmentation égale du volume contigu.

Description

DISPOSITIF DE GENERATION D'ONDES ACOUSTIQUES ET INSTALLATION INCLUANT PLUSIEURS DE CES DISPOSITIFS
Domaine technique L'invention se rattache au domaine des sources électroacoustiques, et plus particulièrement aux sources destinées à fonctionner en réseaux pour générer des systèmes d'ondes acoustiques étendues conformées selon des surfaces très précises. La génération de telles ondes est requise dans les applications de contrôle actif du bruit et de détection ou imagerie, et à moindre degré dans les applications de reproduction sonore.
Elle concerne plus particulièrement une structure nouvelle de dipôle électroacoustique, à l'instar des haut-parleurs non baffles divers, dont elle se distingue par une fonction de commande en pression unitaire.
Techniques antérieures
L'intérêt de l'invention apparaît de la manière la plus évidente dans les applications de contrôle actif des nuisances sonores, où l'écrantage vis-à-vis d'ondes incidentes porteuses de nuisances sonores en milieu ouvert conduit à la réalisation de réseaux maillés de sources de contre-bruit. Ces sources, en provoquant la réflexion au niveau de la surface immatérielle du réseau, lui confèrent un rôle de d'écran, opaque au son.
Des solutions ont été proposées, comme décrites en particulier dans les documents DE2139941, EP 0787340 ou EP 1 094 444. Les systèmes décrits dans ces documents se réfèrent à l'utilisation de sources acoustiques monopolaires ou dipolaires constituées par des haut-parleurs usuels commandés de façon particulière.
Le problème que pose clairement ce type de source acoustique, qu'il repose sur un principe de traduction électrodynamique, «électrostatique », ou même piézoélectrique, est que l'obtention d'une fonction de commande, en débit ou pression acoustique, nécessairement unitaire pour obtenir la réflexion d'onde précise requise, implique un délai de réponse. Compte tenu de la structure mécanique de ces sources, à propagation d'ondes mécaniques, on est conduit en effet pour obtenir une telle réponse, à appliquer au signal de commande la fonction de transfert inverse de celle du haut-parleur choisi pour en compenser les pôles liés aux résonances mécaniques, d'où il résulte inévitablement un retard à la fonction de transfert globale du haut- parleur.
Ce retard est alors très pénalisant dans la conception des écrans, dans la mesure où il ne peut être compensé que par la captation des signaux acoustiques portés par les ondes incidentes de bruit en amont des sources. Le délai d'avance ainsi gagné variant alors selon les incidences des ondes, l'emploi de haut-parleurs usuels implique donc de caractériser préalablement ces ondes incidentes, nombreuses et variables selon les sources de bruit nuisibles, généralement mobiles tels que les moyens de transport, par des antennes acoustiques adaptées, impliquant des traitements des signaux complexes, et de toute façon très encombrantes.
Par ailleurs, l'emploi de sources monopolaires implique de moduler leur débit selon la composante de la vitesse normale à la surface de l'écran, ce qui impose de mesurer cette vitesse ; avec des sources dipolaires, il s'agit de d'opposer une contre-pression à la pression incidente acoustique, pression plus facilement accessible à la mesure avec un microphone.
On peut également ajouter que les sources monopolaires usuelles sont en fait constituées de sources fondamentalement dipolaires à deux faces parlantes, que l'on baffle pour éviter l'action externe de l'une des faces. Il en résulte un accroissement de l'encombrement pénalisant dans les applications de contrôle actif du bruit notamment, où leur compacité doit contribuer à la transparence visuelle des écrans.
Ces différents inconvénients incitent donc naturellement à rechercher une source dipolaire compacte à fonction de commande intrinsèquement unitaire et sans délai de réponse.
Les arguments exposés dans les applications d'écrantage actif du bruit conservent tout leur intérêt, quoiqu'avec un caractère moins impératif, dans la réalisation de réseaux de sources acoustiques destinés soit à la détection ou imagerie, soit à la reproduction sonore, le même principe des sources pouvant s'appliquer à tout milieu acoustique, qu'il soit gazeux ou liquide.
Le problème que se propose de résoudre l'invention est donc celui de réaliser des sources électroacoustiques dipolaires, compactes, à réponse unitaire en pression et sans délai de réponse. Exposé de l'invention
L'invention concerne un dispositif dipolaire de génération d'ondes acoustiques, c'est-à-dire plus précisément, de couples d'ondes acoustiques de pression opposée, se propageant dans chaque direction en sens opposé, parallèlement à des surfaces de discontinuité définies par la géométrie du réseau de sources et les délais respectifs des commandes appliquées aux sources, elles-mêmes dipolaires.
Le différentiel de pression résultant de ce couple d'ondes au niveau des surfaces de discontinuité traduit le couplage de l'écoulement dipolaire variable créé par les sources proprement dites au milieu acoustique externe.
Dans ces conditions, ces sources se définissent localement comme des pompes dipolaires, c'est-à-dire antisymétriques, à deux évents, génératrices d'écoulement dans le fluide ambiant. Ce fluide, air ou liquide isolant électriquement, peut être considéré comme incompressible dans les conditions de fonctionnement de la pompe (conditions de champ proche acoustique) dans le domaine fréquentiel d'emploi du dipôle.
Le couplage acoustique de cet écoulement est tel que le différentiel de pression créé sur tels couples d'ondes est strictement proportionnel au différentiel de pression général qui génère l'écoulement au sein même de la pompe qui constitue la source. Il est modulé par un facteur de directivité selon la direction des couples.
L'invention concerne donc plus particulièrement un dispositif de génération d'écoulement local dipolaire dont on commande le différentiel de pression.
Conformément à l'invention ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte un ensemble de parois déformables sensiblement identiques et planes, parallèles, réalisées en matériau électriquement conducteur. Ces parois sont empilées régulièrement, et avantageusement séparées par des entretoises, planes et d'épaisseurs égales, de manière à définir entre elles des volumes successifs, confinés, sensiblement identiques, qui débouchent alternativement sur deux faces opposées de cet ensemble par des ouvertures appropriées.
Il comporte également une enceinte qui contient cet ensemble de parois et présente deux cavités situées en regard des faces où débouchent les ouvertures des volumes définis, confinées entre les parois. Ces cavités communiquent elles-mêmes avec le milieu extérieur par deux ouvertures de révolution qui constituent les deux évents symétriques du dipôle.
Ce dispositif comporte également des moyens pour appliquer, de façon contrôlée et variable, un champ électrique entre couples de parois successives, de manière à créer un différentiel de pression entre couples de volumes contigus, le champ électrique étant appliqué alternativement à l'un des volumes, à l'exclusion de l'autre, selon le signe du différentiel de pression à créer. Ce différentiel de pression induit lui-même une succession d'éloignements et de rapprochements des parois en regard, et donc des variations de volume opposées qui provoquent l'écoulement dipolaire alterné recherché. Cet écoulement s'établit à l'extérieur de l'enceinte à travers les deux évents par lesquels il se referme.
Autrement dit, le dispositif conforme à l'invention agit en provoquant la déformation alternée opposée de volumes multiples, débouchant sur deux évents, volumes qui en se contractant et se dilatant successivement, dans l'espace et dans le temps, aspirent ou rejettent le fluide qu'ils contiennent, en quantités égales et créent à partir de ces évents un écoulement externe à potentiel de vitesse, de nature dipolaire, quasi de révolution.
Ainsi, le champ électrique appliqué dans un espace inter-paroi fait que les parois concernées sont alternativement attirées ou non l'une vers l'autre, d'où il résulte que le volume correspondant diminue d'une quantité égale à celle dont augmente le volume connexe où le champ n'est pas appliqué. Ces variations donnent donc naissance à deux écoulements des débits opposés évacués par les deux cavités et les deux évents respectifs vers l'espace environnant ; ces deux écoulements génèrent ainsi un champ d'écoulement de révolution externe dont les lignes de courant sortent de l'un des évents pour rentrer par l'autre.
On génère ainsi un écoulement à potentiel de structure dipolaire de nature à donner naissance, de par les lois conjuguées de la mécanique des fluides et de l'acoustique, à un système de couples d'ondes acoustiques se propageant selon des sens et des signaux opposés, et dont le plan de discontinuité passe par le centre de symétrie des évents. Ce dispositif constitue donc à ce titre une source dipolaire acoustique. De manière plus précise, le dispositif conforme à l'invention permet de contrôler par voie électrique le différentiel de pression à l'origine de l'écoulement dipolaire, et par-là même le différentiel de pression des couples d'ondes acoustiques induites par cet écoulement.
Dans le cas particulier d'application du dispositif à l'écrantage antibruit actif, de tels dispositifs sont distribués en grand nombre, sur une surface plane, selon un réseau régulier de pas géométrique 'a', de grande envergure. Il en résulte que l'écoulement de chaque dispositif se trouve idéalement couplé acoustiquement à une paire d'ondes acoustiques unique, les ondes fondamentales du réseau, seules générées pour un spectre fréquentiel des signaux acoustiques borné supérieurement à la fréquence (fo) de coupure du réseau, soit fo # c/a (où 'c' est la célérité du son, et 'a' le pas géométrique du réseau). Ainsi, en combinant plusieurs dispositifs caractéristiques, disposés en réseau, et pilotés à partir du même signal de référence, avec des lois de retard respectif appropriées, il est possible de conformer le couple d'ondes acoustiques émis selon des formes et inclinaisons réglables.
Dans ces conditions, en appliquant à l'écoulement à potentiel de vitesse, variable dans le temps, le théorème de BERNOULLI, ce en suivant une ligne de courant fermée, quelconque, traversant une seule paroi d'une part, donc deux volumes intérieurs contigus, et le plan du réseau d'autre part, on établit que le différentiel de pression généré à l'intérieur du dispositif au travers de la paroi est l'opposé strict du différentiel de pression résultant entre les deux ondes acoustiques fondamentales créées à la surface du réseau, en condition d' anti-bruit, c'est-à-dire de débit acoustique total nul. Il se trouve en effet que le saut des dérivées du potentiel en ces deux points de traversée se compense par un saut opposé de pression, ce saut de dérivée étant lié aux ondes d'accélération prenant naissance à la surface du réseau.
En condition de rayonnement, en espace libre, le différentiel de pression entre les ondes acoustiques fondamentales générées n'est qu'une fraction définie du différentiel de pression interne au dispositif, ce du fait de la chute inertielle de pression prenant naissance dans les écoulements de champ très proche, adaptant ceux du dipôle à ceux des ondes produites.
Autrement dit, la fonction de transfert entre les différentiels de pression est unitaire, ce qui constitue la première propriété fondamentale requise en application antibruit, et une propriété particulièrement avantageuse dans d'autres applications. S'ajoute à cette propriété la deuxième propriété de délai de réponse très réduit entre ces deux pressions, dans la mesure où la dimension du dispositif, rapportée à la longueur d'onde acoustique, est suffisamment faible pour pouvoir négliger les délais de propagation des potentiels: il s'agit d'une deuxième propriété requise en application antibruit.
En pratique, du point de vue mécanique, les différentes parois du dispositif sont délimitées et séparées par des éléments entretoises, étanches, d'épaisseur constante en forme de U. Les portions ouvertes de ces éléments, empilés tête-bêche, sont alternativement orientées vers l'une ou l'autre des faces où débouchent les volumes définis entre les différentes parois, faces elles-mêmes en communication avec l'un ou l'autre des évents du dipôle.
Autrement dit, les volumes créés entre les parois sont délimités d'une part, par les parois elles-mêmes, et d'autre part, par un élément entretoise, assurant à la fois l'écartement entre les parois et la délimitation de l'espace par lequel le fluide s'écoulera transversalement, entrant ou sortant selon le mouvement des parois.
Dans les conditions normales de fonctionnement, le différentiel de pression créé électriquement entre parois est équilibré par les résistances inertielles cumulées des écoulements externes au dipôle : écoulements vers les ondes acoustiques et écoulements de court-circuit direct entre les deux évents ; ce dernier écoulement restant présent en conditions d' anti-bruit alors que les précédents s'annulent comme déjà mentionné.
Deux paramètres particuliers interviennent dans le fonctionnement du dispositif :
Les écoulements internes au dispositif sont définis par l'espacement entre parois, réglé par l'épaisseur des entretoises, et les caractéristiques inertielles des parois élastiques. Il sont laminaires, régis par les effets d'inertie de manière prépondérante. Un choix paramétrique adapté permet de minimiser la charge inertielle globale résultante.
Ensuite, le choix de la matière et de l'épaisseur des parois. L'obtention d'une fonction de transfert unitaire implique que les parois élastiques aient, dans le domaine de fréquence acoustique considéré, un comportement inertiel prépondérant, ce qui impose une première fréquence propre de membrane de la paroi, tendue sur l'entretoise en U, suffisamment faible par rapport à la fréquence moyenne du spectre. Il en résulte que le choix du matériau se porte préférentiellement sur un matériau élastomérique de très faible module d'YOUNG (typiquement de l'ordre de 0,01 GPa), faiblement tendu sur les entretoises et de faible épaisseur (de l'ordre de quelques dixièmes de mm ).
Concernant les principes de commande des champs électriques destinés à créer les tensions mécaniques attractives entre parois, ces tensions étant la source des différentiels de pression entre volumes contigus, le dispositif regroupe avantageusement les parois par sous-ensemble de quatre parois. Ces sous-ensembles forment des motifs répétitifs, juxtaposés, dans lesquels les parois de même rang dans chaque sous-ensemble sont contrôlées par un même potentiel électrique de commande : soit Vl(t), V2(t), V3(t), V4(t) définis à partir d'un potentiel commun de commande alternatif Vθ(t), élaboré lui-même, électroniquement, à partir du signal différentiel de pression à délivrer par le dispositif, soit ΔPθ(t), en réalisant la fonction suivante : V0(t) ∞
Dans ces conditions, sur les parois ordonnées successivement, on peut définir les potentiels de la manière non exclusive suivante :
Sur la première paroi, Vl(t) = 0 , c'est-à-dire que le potentiel reste constant
Sur la troisième paroi, V3(t) = Vθ(t)
Sur la deuxième paroi, V2(t) = Vθ(t) x {fonction échelon de HEAVISIDE [+ΔPθ(t)]} Sur la quatrième paroi, V4(t) = Vθ(t) x {fonction échelon de HEAVISIDE [-ΔPθ(t)]}
On remarque que Vθ(t) est créé à partir de la racine carré du module de la pression à délivrer pour tenir compte du fait que l'attraction électrostatique obtenue est proportionnée au carré du champ électrique, ce pour l'impératif de linéarité de la fonction de transfert. Ainsi, le différentiel de pression des couples d'ondes engendrés est proportionnel au différentiel de pression de commande ΔPθ(t), et ces deux types de différentiels sont concomitants dans les conditions d'utilisation du dipôle.
De plus, les potentiels électriques Vi(t), V2(t), V3(t), V4(t) ne sont pas appliqués directement aux parois car ces parois vibrant, les charges induites à leur surface ne leur sont pas parfaitement proportionnelles. Ils sont donc appliqués à travers des circuits électroniques de commande appropriés qui les corrigent de manière à ce que ce soient les charges électriques injectées qui soient effectivement proportionnées aux consignes : V2, V3, V4 , ce de manière à préserver la linéarité de la fonction de transfert. Le différentiel de pression créé dans les espaces inter-parois présente en effet une amplitude strictement proportionnelle au carré des champs, donc des charges électriques injectées sur les parois.
En pratique, la rigidité diélectrique du milieu définit les potentiels maximaux applicables et donc l'amplitude maximale du différentiel de pression acoustique que le dispositif peut délivrer.
Afin de générer des couples d'ondes acoustiques correspondant à la consigne, le dispositif peut avantageusement comporter deux capteurs microphoniques, à proximité respectivement des deux évents, de manière à évaluer le différentiel de pression effectivement généré et corriger la commande par une boucle électronique de contrôle appropriée.
Descriptif sommaire des figures : La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 est une vue en perspective sommaire partiellement écorchée, d'un dispositif conforme à l'invention. - La figure 2 est une vue en perspective sommaire éclatée de l'ensemble de parois du dispositif de la figure 1. - La figure 3 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de la figure 1.
Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe schématiques des empilements de parois d'un dispositif conforme à l'invention, montrés dans deux états de commande opposés.
La figure 6 est un schéma simplifié montrant la chaîne de commande de l'invention.
Manière de réaliser l'invention
Tel qu'illustré à la figure 1, le dispositif 1 conforme à l'invention se présente sous la forme d'une enceinte 2 de révolution présentant deux ouvertures ou évents circulaires 3,4 disposées symétriquement par rapport au plan médian P. La forme générale de cette enceinte sera généralement ellipsoïdale, allongée selon l'axe du dipôle telle que représentée à la figure 1, ou au contraire aplatie selon ce même axe selon les dimensions du corps actif 10, ou encore adaptée à partir d'une telle forme selon les applications. L'enceinte 2 renferme un ensemble 10 de parois 11, 12, 13, 14 séparées par des éléments entretoises 21, 22, 23. Cet ensemble 10 de parois présente deux faces privilégiées 15, 16, qui débouchent sur deux cavités internes 17,18, rendues étanches de manière interne sur les pourtours de l'ensemble 10, par deux diaphragmes rigides 19 reliant les contours externes des plans 15, 16 et celui de l'enceinte 2.
Les cavités 17,18 sont coiffées de deux calottes rigides 35,36 qui ferment l'enceinte, tout en présentant à leur embase deux ouvertures circulaires grillagées, de section adaptée aux écoulements, constituant deux évents 3, 4 qui les mettent en communication avec le milieu extérieur.
Le dispositif 1 inclut également des moyens de commande électronique 41, répartis dans le volume disponible autour de l'ensemble 10, et en particulier les quatre espaces formés entre l'ensemble 10 de parois et l'enceinte. Ces moyens de commande assurent la génération des potentiels électriques appliqués aux parois 11, 12, 13, 14.
Dans la forme illustrée le dispositif comprend également deux capteurs de pression 70, 71 reliés à la commande électronique 41 pour assurer diverses fonctions de commande asservie.
Tel qu'illustré à la figure 2, l'ensemble 10 de parois est constitué par l'assemblage de divers éléments. Bien entendu, le nombre de parois représentées à la figure 2 est volontairement réduit, pour faciliter la compréhension.
Tout d'abord, les parois à proprement parler, sont constituées de membranes déformables tendues, conductrices électriquement. Plus précisément, ces membranes sont réalisées à partir de films de matériau élastomères conducteurs, présentant typiquement un module de Young sécant de l'ordre de 0,01 GPa, pour une épaisseur de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, pour un fonctionnement en acoustique aérienne.
La forme générale de ces membranes peut être comme à la forme illustrée, carrée ou rectangulaire. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à cette géométrie spécifique, et d'autres formes peuvent être adoptées pour répondre à des considérations d'utilisation optimale de l'espace intérieur disponible. Chacune des parois 11-14 présente une connexion électrique 31-34 permettant, comme il sera expliqué plus loin, la liaison avec des potentiels variables.
Les différentes membranes 11-14 sont séparées par des éléments entretoises isolants 21-24 d'épaisseur constante, de l'ordre du millimètre en air.
Plus précisément, chaque élément entretoise présente une forme générale en U, qui dans la forme illustrée comporte trois branches 55, 56, 57, qui sont disposées sur trois côtés du périmètre des parois 11-14. Bien entendu, dans le cas où ces parois ne possèdent pas une forme carrée, les éléments entretoises s'étendent sur une partie seulement de leur périmètre, de manière à délimiter une zone d'ouverture 28 pour relier le volume fermé entre deux parois successives 11, 12 et la cavité 17,18.
Conformément à l'invention, deux éléments entretoises successifs 21, 22 sont disposés tête- bêche, de telle sorte que leurs ouvertures sont alternativement orientées sur les deux faces opposées 15, 16 de l'ensemble. Autrement dit, les volumes définis entre les parois 11, 12 et les parois 12, 13 sont ouverts dans des directions opposées.
Dans une forme qui n'est pas illustrée, il est possible de réaliser une membrane adhérisée à une entretoise, afin de faciliter en particulier les opérations d'assemblage. Ainsi, on obtient un ensemble combinant la membrane et l'entretoise en forme générale de U. Tout d'abord, on réalise l'entretoise par moulage d'un matériau plastique isolant avantageusement renforcé de fibres, selon une empreinte du profil en U. A partir de cette entretoise, et d'une cale d'épaisseur s'ajustant dans la partie interne du U, on réalise une empreinte, qui par pressage et vulcanisation permet d'obtenir la membrane d'épaisseur requise adhérisée. On observe avantageusement que le retrait du matériau élastomérique de la membrane, après moulage, confère à la membrane une pré-tension mécanique favorable.
Après assemblage, et comme illustré à la figure 3, l'ensemble 10 de membranes comporte donc une succession de volumes 26, 27 qui communiquent avec l'extérieur par des ouvertures 28, 29, orientées sur les faces opposées 16, 15 de l'ensemble en regard des cavités 18,17 de l'enceinte 2. Bien entendu, les dimensions et en particulier l'épaisseur des différents éléments représentés aux figures, ainsi que leur nombre, ne sont donnés qu'à titre illustratif, et dans le seul but de faire comprendre l'invention. Les dimensions et les nombres réels peuvent être en particulier nettement différents, en fonction de la nature du fluide dans lequel travaille le dispositif et des applications, les épaisseurs étant accrues d'un ordre de grandeur en milieu liquide, et le matériau élastomère devant être densifïé en incorporant des charges adaptées.
Comme illustré à la figure 4, les différentes parois sont agencées par motifs élémentaires 40 de quatre parois.
Ainsi, les parois 11, 111, 211 des motifs successifs 40, 140, 240 sont toutes reliées au potentiel commun Vl. De la même façon, les parois 12, 112, 212 sont reliées à un potentiel \i, les parois 13, 113, 213 au potentiel V3 et les parois 14, 114 et 214 au potentiel V-t. Une manière d'élaborer ces potentiels en fonction du différentiel de pression de consigne ΔPo(t) est décrite à la figure 6.
Dans l'état représenté à la figure 4, Vl = 0, V2 = V3 =Vθ, V4 = 0, les parois 11, 12 et 13, 14 s'attirent à l'exclusion des autres. Il s'ensuit que le volume 28 expulse du fluide (flèche R) alors que le volume 29 en aspire (flèche A).
Dans l'état représenté à la figure 5, Vl = 0, V2 = 0, V3 = V4 =Vθ, les parois 12, 13 s'attirent ainsi que 14 et 111. Il s'ensuit que le volume 29 expulse du fluide (flèche R) alors que volume 28 en aspire (flèche A).
Comme illustré sur la figure 6, l'électronique de commande fait que les charges injectées sur les parois sont proportionnées, en amplitude, à la racine carrée du différentiel de pression de consigne |ΔPo(t)|, multiplié ou non par les échelons de HEAVISIDE appropriés de ce différentiel. Plus précisément, à partir du différentiel de pression de consigne ΔPo(t) fourni en sortie 601 d'un module de calcul, on évalue 602 le signe de ce différentiel, pour pouvoir le multiplier 603 par le différentiel de pression de consigne ΔPo(t), et obtenir 604 la valeur absolue |ΔPo(t)|. Un module 605 détermine la racine carrée de cette valeur absolue, qui détermine le potentiel Vo(t) de commande présent en 607. Cette valeur de potentiel est convertie en une valeur de charge électrique par le convertisseur 608, charge injectée dans un bus 62 d'alimentation d'un quart des parois. Complémentairement, des modules 612, 613 permettent de calculer des fonctions échelon de Heaviside pour les valeurs de ΔPo(t). Plus précisément le module 612 a pour sortie un signal unitaire pour ΔPo(t) positif, et nul pour ΔPo(t) négatif. A l'inverse, le module 613 a pour sortie un signal unitaire pour ΔPo(t) négatif, et nul pour ΔPo(t) positif. Ces signaux sont multipliés par des multiplieurs 614,615 pour donner des signaux égaux à +Vo ou nul en fonction du signe de ΔPo(t). Ces signaux sont appliqués en entrée des convertisseurs tension/charge 620,621 qui alimentent les bus 63, 64, étant entendu que le bus 61 reste à un potentiel nul et que le bus 62 est commandé comme exposé ci-avant.
II résulte de ce qui précède que l'invention possède les avantages de permettre de générer des ondes acoustiques dont la pression est la réplique fidèle et quasi instantanée d'un signal électrique de commande, ce par un dispositif compact, relativement simple à réaliser, le même principe pouvant s'appliquer à d'autres milieux fluides aussi bien liquides que gazeux.
Ce dispositif fonctionne par génération d'un écoulement variable entre parois multiples et par la constitution d'un champ d'écoulement externe, de révolution, à caractère dipolaire. Le volume total de fluide expulsé par les espaces inter-parois en diminution de volume, à l'évent correspondant, se retrouve en effet aspiré, en quantité égale, à l'évent opposé, par les espaces contigus en augmentation de volume.
Cet écoulement dipolaire variable a la propriété de générer un système de couples d'ondes acoustiques de pressions opposées, se propageant elles-mêmes en sens opposés, ces pressions étant la réplique fidèle et quasi instantanée des pressions créées électriquement dans les espaces contigus définis entre les parois.
Bien entendu, tous les éléments constitutifs évoqués peuvent être adaptés au milieu fluide particulier, électriquement isolant, dans lequel le dipôle est appelé à fonctionner : gaz ou liquide, et ce en fonction de divers paramètres de ce milieu, tels qu'en particulier sa densité, la célérité des ondes acoustiques, ainsi que la gamme de fréquence d'utilisation, qui conditionne en particulier la largeur totale et le nombre des entretoises et des membranes.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif (1) de génération d'ondes acoustiques caractérisé en ce qu'il comporte :
" un ensemble (10) de parois déformables (11-14) parallèles, réalisées en matériau élastique, électriquement conducteur, où les parois définissent entre elles des volumes
(28,29) successifs débouchant alternativement sur deux faces (15,16) opposées dudit ensemble (10), le plan médiateur (P) des deux faces (15,16) constituant un plan de symétrie ;
" une enceinte rigide (2) contenant ledit ensemble (10) de parois et présentant deux cavités de révolution symétriques (17,18) en regard des faces (15,16) où débouchent les volumes (28,29) définis entre les parois dudit ensemble (10), lesdites cavités débouchant elles-mêmes sur l'espace environnant chacune par un orifice ou évent
(3,4) ;
" des moyens (41) pour appliquer de façon contrôlée, des potentiels électriques variables aux parois groupées par sous ensembles répétitifs de parois, potentiels conçus pour créer, de manière alternée, des champs électriques dans un espace inter-paroi sur deux.
2 - Dispositif selon la revendication 1 ; caractérisé en ce que les différentes parois (11-14) sont séparées par des éléments entretoises (21-24) en forme de U, les portions ouvertes des éléments entretoises (21-24) étant alternativement orientées vers l'une ou l'autre des faces (15,16) où débouchent les volumes (28,29) définis entre les parois de l'ensemble (10).
3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (3,4) débouchant sur l'espace environnant sont circulaires et symétriques par rapport au plan médiateur.
4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois sont regroupées par sous-ensembles (40, 140,240) identiques de quatre parois, les parois de même position dans les différents sous-ensembles étant reliés aux mêmes potentiels de commande.
5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (41) propres à générer les potentiels électriques variables à appliquer aux parois, potentiels eux-mêmes élaborés pour injecter les charges électriques appropriées aux sous- ensembles de parois. 6 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les parois sont réalisées à partir d'un matériau élastomérique conducteur.
7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte sur l'axe des évents, deux capteurs de pression (70) symétriques, aptes à évaluer le différentiel de pression acoustique créé, et reliés aux moyens de commande (41).
8 - Installation incluant au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes, disposés en réseau, et pilotés à partir du même signal de référence, avec des lois de retard respectif appropriées, de manière à conformer les couples d'ondes acoustiques émis selon des formes et incidences réglables.
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