EP2522152A1 - Disupositif de détection d'ondes acoustiques et système de localisation d'une source d'ondes acoustiques - Google Patents

Disupositif de détection d'ondes acoustiques et système de localisation d'une source d'ondes acoustiques

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Publication number
EP2522152A1
EP2522152A1 EP10805809A EP10805809A EP2522152A1 EP 2522152 A1 EP2522152 A1 EP 2522152A1 EP 10805809 A EP10805809 A EP 10805809A EP 10805809 A EP10805809 A EP 10805809A EP 2522152 A1 EP2522152 A1 EP 2522152A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
acoustic wave
acoustic
seismic
detection device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10805809A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Nikolovski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2522152A1 publication Critical patent/EP2522152A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic wave detection device and a system for locating an acoustic wave source.
  • the invention can be applied for example to the detection of falls or abnormal situations affecting elderly or vulnerable living alone in their home.
  • the French patent application published under the number FR 2 879 885 describes the principle of locating an impact on a plate, using the fact that this impact generates a seismic acoustic wave in the plate.
  • the location is realized by means of a method for calculating the differential transit time between the impact location and several pairs of acoustic wave detection devices each comprising a piezoelectric transducer.
  • the two devices of each pair are fixed on either side of a beveled edge of the plate.
  • This configuration - the devices fixed on both sides of the plate and the bevelled edge - makes it possible to obtain good sensitivity to the antisymmetrical mode of propagation of the seismic wave by attenuation of the symmetrical mode. Detecting one mode of propagation and not the other solves the problem of the difference in propagation velocity between the two modes.
  • the document FR 2 879 885 describes that the plate can also possibly act as an acoustic antenna and thus transmit voice compression waves to acoustic wave detection devices, which thus serve as a microphone.
  • the plate can play the role of acoustic antenna only in the case where it is thin.
  • an object of the invention is an acoustic wave detection device comprising a piezoelectric transducer designed to provide a detection signal, and furthermore an acoustic resonator having a resonant frequency and comprising: a resonant body having a free surface designed to be plated on a support in which a seismic acoustic wave, which has a frequency spectrum including the resonance frequency of the resonator, is intended to propagate, so that the seismic acoustic wave resonates the acoustic resonator via this free surface, and
  • microphonic membrane designed to vibrate under the action of an aerial acoustic wave which has a frequency spectrum including the resonance frequency of the resonator, so that the aerial acoustic wave resonates the acoustic resonator via the microphonic membrane
  • the piezoelectric transducer being fixed on the acoustic resonator so that it produces, on the one hand, a first detection signal component when the acoustic resonator is resonated under the action of the seismic acoustic wave and, on the other hand, a second detection signal component when the acoustic resonator is resonated under the action of the overhead acoustic wave.
  • the acoustic resonator transmits both seismic and aerial acoustic waves to the piezoelectric transducer.
  • the air waves are detected without counting on the possible role of acoustic antenna of the support.
  • the device of the invention can therefore be used as bi-medium sensor (air medium and solid medium) regardless of the thickness or the surface of the support.
  • the detection device obtained does not require access to two faces of the support and does not require to provide bevelled edges.
  • the acoustic resonator comprises a resonator disk comprising:
  • the piezoelectric transducer being fixed at least partly on the annular peripheral part
  • the piezoelectric transducer comprises an annular piezoelectric element fixed at least on the peripheral portion of the resonator disk.
  • the circular central portion of the resonator disc has a thickness decreasing from its periphery to its center.
  • the device comprises a cavity arranged in the acoustic resonator and partially delimited by the microphonic membrane.
  • the circular central portion of the resonator disc has a constant thickness, less than the thickness of the annular peripheral portion, so that the cavity is cylindrical.
  • the piezoelectric element has an axial symmetry with respect to a central axis, as well as a fundamental resonance frequency in radial mode with respect to the central axis, and
  • the acoustic resonator has an axial symmetry with respect to the central axis, as well as a fundamental resonance frequency in radial mode with respect to the central axis which is lower than the fundamental resonance frequency of the piezoelectric element.
  • the fundamental resonance frequency of the acoustic resonator is between 1 and 10 kilohertz.
  • the acoustic resonator consists of a single piece.
  • Another object of the invention is a system for locating an acoustic wave source, comprising:
  • At least two acoustic wave detection devices according to the invention, the free surfaces of which are plated on the support, and a unit for processing the detection signals provided by the acoustic wave detection devices, the unit processor being adapted to locate a source of acoustic wave emission by calculating differential transit time from the provided detection signals.
  • FIG. 1 is a three-dimensional top view of an acoustic wave detection device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a three-dimensional bottom view of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a sectional view of the device of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a sectional view of an acoustic wave detection device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a sectional view of a support in which a seismic acoustic wave propagates, and on which is fixed an acoustic wave detection device according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 6 and 7 represent the displacement of the acoustic wave detection device of FIG. 5 under the effect of the seismic acoustic wave
  • FIG. 8 is a schematic view of a system for locating an acoustic wave source comprising a plurality of acoustic wave detection devices according to FIGS. 1 to 3 or FIG. 4.
  • the device 10 firstly comprises an acoustic resonator 12 intended to be resonated by a seismic or aerial acoustic wave, as will be explained hereinafter.
  • the acoustic resonator 12 consists of a single piece in order to effectively propagate the acoustic waves, and has an axial symmetry with respect to a central axis A.
  • the central axis A is oriented from the bottom to the top in the present description, by concern for clarity. However, it could have any orientation.
  • the acoustic resonator 12 is preferably metal, for example aluminum or duralumin (trademark).
  • the acoustic resonator 12 comprises a resonator disc 14 centered on the central axis A and having a flat top face 16.
  • the device 10 further comprises a piezoelectric transducer 18 fixed on the upper face 16 of the acoustic resonator 12.
  • the piezoelectric transducer 18 comprises an annular piezoelectric element 20, also having an axial symmetry with respect to the central axis A.
  • the annular piezoelectric element 20 is in the form of a flat washer having an external diameter equal to that of the resonator disc 14.
  • the piezoelectric element 20 is for example made of PZT ceramic.
  • the piezoelectric transducer 18 comprises in in addition to an upper electrode 22 consisting of an electrically conductive layer, for example a weldable silver paste covering an upper face of the piezoelectric element 20, and a lower electrode 24 (visible in FIG. 3) also consisting of a electrically conductive layer covering a lower face of the piezoelectric element 20.
  • the lower electrode 24 comprises a return 26, on the upper face of the piezoelectric element 20, facilitating its connection.
  • the piezoelectric transducer 18 has a fundamental resonant frequency in axial symmetry radial vibration mode which is very high, much higher than the fundamental resonance frequency in axially symmetric radial vibration mode of the resonator 12.
  • the fundamental resonance of the resonator 12 is chosen (by adapting its geometry) as a function of the support on which it is intended to be fixed.
  • the fundamental resonance frequency of the resonator 12 is preferably between 1 kilohertz and 10 kilohertz.
  • the resonator 12 will preferably be designed to have a fundamental resonant frequency of between 50 kilohertz and 100 kilohertz.
  • the fundamental resonance frequency of the resonator is again selected between 1 kilohertz and 10 kilohertz.
  • the resonator 12 Since the resonator 12 is much larger than the piezoelectric transducer 18, it acts as a filter which mainly passes the frequencies around its resonant frequencies, and in particular around its fundamental resonant frequency. Thus, the piezoelectric transducer is only subjected to frequencies close to the resonance frequency of resonator 12. This has the effect of protecting the piezoelectric transducer from high frequencies and to obtain a detection signal around this resonance frequency, which facilitates its processing.
  • the detection device 10 further comprises a printed circuit board, said PCB 28 (of the English "Printed Circuit Board”), of circular shape, fixed to the piezoelectric transducer 18, on its upper electrode 22 and on the return 26 its lower electrode 24.
  • the printed circuit board 28 is shown partially broken away in FIG.
  • the device 10 further comprises an upper conductive layer 30 covering an upper face of the printed circuit board 28 whose interest will be detailed later.
  • the device 10 further comprises a coaxial cable 32 whose core is connected to the upper electrode 22 and the return shield 26 of the lower electrode of the piezoelectric transducer 18, via the printed circuit board 28.
  • the resonator disc 14 has an annular peripheral portion 34 having a constant thickness and a planar lower annular surface.
  • the lower annular surface 35 of the annular peripheral portion 34 is a free surface, that is to say unobstructed, designed to be plated, as will be detailed below, on a support in which a seismic acoustic wave is intended to propagate, so that the seismic acoustic wave resonates the acoustic resonator 12 via this free surface 35.
  • the resonator disc 14 further comprises a circular central portion 36 filling the inner circular space delimited by the annular peripheral portion 34.
  • the central portion 36 has a decreasing thickness, since the annular peripheral portion 34 where this thickness is equal to that of the annular peripheral portion, towards the central axis A where this thickness is minimal.
  • the reduction in thickness is, for example, linear.
  • a conical cavity 38 open downward is arranged in the acoustic resonator 12, this cavity 38 being delimited by the central portion 36 of the resonator disc 14 and bordered by the lower annular surface 35.
  • the acoustic resonator 12 comprises a microphonic membrane 40 having a thickness that is less than, for example, 1 millimeter.
  • the circular central portion 36 of the resonator disc 14 comprises the microphonic membrane 40, the latter extending in the center of the circular central portion 36, where the thickness is less than 1 millimeter.
  • the microphonic membrane 40 is designed to vibrate under the action of an overhead acoustic wave, so that the overhead acoustic wave resonates the acoustic resonator 12 via the microphonic membrane 40.
  • the acoustic resonator 12 further comprises a resonant body 42 of greater thickness than the thickness of the microphonic membrane 40.
  • the resonant body 42 is formed by the annular peripheral portion and the portion of the portion circular central 36 extending around the membrane 40 to a thickness greater than 1 millimeter.
  • the resonant body 42 and the microphonic membrane 40 are separated by dotted lines.
  • the cavity 38 is delimited in part by the microphonic membrane 40.
  • the piezoelectric transducer 18 is fixed on the body of the resonator disc 14, both on the annular peripheral portion 34 and on the circular central portion 36.
  • the piezoelectric transducer 18 is fixed by liquid bonding, preferably with glue cyanoacrylate, for example of the Loctite 407 (trademark) type, which allows the resonator 12 to apply, when it resonates, a mechanical stress to the piezoelectric transducer 18, the latter consequently providing a detection signal in the form of a potential difference between its lower electrode 24 and its upper electrode 22.
  • the lower electrode 24 of the piezoelectric transducer 18 and the upper conductive layer 30 of the printed circuit 28 are both connected together, and connected to the electrical ground, for example by being both connected to the sheath of the cable 32
  • the lower electrode 24 and the upper conductive layer 30 then form a Faraday cage covering the piezoelectric element 20 from the top and the bottom and thus protecting it from external electrical disturbances, which improves the measurements.
  • the dimensions of the device 10 are as follows.
  • the diameter of the resonator disc 14 is between 20 millimeters and 100 millimeters, for example 50 millimeters.
  • the thickness of the annular peripheral portion 34 is between 1 and 5 millimeters, for example 2 millimeters, while the thickness at the center of the circular central portion 36 is between 0.1 and 1 millimeters, for example 0.5 millimeters.
  • the outer diameter of the piezoelectric element 20 is equal to that of the resonator disk 14, and its internal diameter is between 10 and 40 millimeters, for example 20 millimeters.
  • the thickness of the piezoelectric element 20 is less than or equal to 1 millimeter, for example 0.45 mm.
  • the thickness of electrodes 22 and 24, as well as conductive layer 30 is less than or equal to 50 micrometers, for example 35 micrometers.
  • the device 10 is illustrated in a position of use in which it is fixed, by its lower free annular surface 35, to an upper surface 43 of a support 44 in which a seismic acoustic wave is intended to spread.
  • the lower free annular surface 35 of the device 10 is for example glued to the upper surface 43 of the support 44, preferably with cyanoacrylate glue, for example of the Loctite 407 type or an epoxy glue.
  • the cavity 38 As the lower free annular surface 35 surrounds the cavity 38, the latter is closed by the support 44, so that the cavity 38 forms a resonance cavity for the membrane 40, that is to say that the pressure in the cavity is constant (with respect to the duration of an acoustic wave) relative to the pressure on the other side of the membrane 40.
  • the cavity 38 is sealed, to prevent air communication between the cavity 38 and the outside of the cavity 38.
  • FIG. 4 A device 50 for detecting acoustic waves according to a second embodiment of the invention is shown in FIG. 4.
  • This device 50 is for the most part similar to that of FIGS. 1 to 3, and the same references are used for identical elements. Only his resonator disc is of different shape and numbered now 52.
  • the resonator disc 52 has a circular central portion 54 of constant thickness, less than the thickness of the annular peripheral portion 34.
  • a cavity 55 of cylindrical shape is arranged in the acoustic resonator 12, the cavity 55 being delimited at the top by the circular central portion 54 and laterally by the annular peripheral portion 34.
  • the entire circular central portion 54 forms an acoustic membrane 56, while the entire annular peripheral portion 34 forms a resonant body 57.
  • the piezoelectric transducer 18 is fixed only on the annular peripheral portion 34 of the resonator disc 52.
  • the dimensions of the resonator disk 52 are as follows (the other elements having the dimensions indicated for the first mode of production).
  • the diameter of the resonator disk 52 is between 20 millimeters and 100 millimeters, for example 50 millimeters.
  • the thickness of the annular peripheral portion 34 is between 1 and 5 millimeters, for example 1 millimeter, while the thickness of the circular central portion 54 is between 0.1 and 1 millimeters, for example 0.2 millimeters.
  • the acoustic resonator 12 then has a fundamental resonant frequency in axially symmetric radial vibration mode of 3.5 kilohertz.
  • the device 50 according to the second embodiment is about three times more sensitive to the acoustic air waves than the device 10 according to the first embodiment.
  • a surface seismic acoustic wave 60 propagates in the support 44 on its upper surface 43.
  • the seismic acoustic wave 60 corresponds to a spreading deformation.
  • the seismic acoustic wave 60 is for example, in the case of a support 44 having a large thickness relative to its wavelength, a Rayleigh wave (shown in FIG. 5), or, in the case where the support 44 is in the form of a plate (smaller thickness, at most of the order of one wavelength), a Lamb wave.
  • the seismic acoustic wave 60 comprises a so-called "out-of-plane” component corresponding to a deformation of the material perpendicular to the upper surface 43, and a so-called “in-plane” component corresponding to a deformation of the material. along the upper surface 43.
  • the acoustic resonator 12 is particularly sensitive to the mechanical components of the seismic acoustic wave 60 for wavelengths equal to twice its diameter (ie 100 mm, for a diameter of the acoustic resonator 12 of 50 mm), which corresponds to to operation at its fundamental resonant frequency.
  • vibrations can be conveyed as well in a symmetric mode as in an antisymmetric mode but in different proportions when the two modes are generated by the same impact, which can pose a problem of location accuracy by time of differential transit if we do not know the intensity of the impact.
  • the risk of confusion between the two symmetrical and antisymmetrical modes is raised otherwise by the present invention: first by decreasing the working frequency (for the same plate thickness) to reduce the proportion of symmetrical mode contained in the signal relative to the antisymmetric mode; secondly by using a lower gain so as to allow a range of amplitude variation and be able to measure by analog-to-digital conversion the intensity of the impact directly at the head of the wave packet (in the state of the art the intensity is quantified by measuring the reverberation time of the seismic signal in the plate); thirdly, by analyzing the signal over a longer time taking advantage of the microphonic signal resulting from an impact.
  • a second method to remove the risk of confusion consists in exploiting the microphonic signal resulting from the impact and in locating by differential transit time on the air wave.
  • the acoustic resonator 12 resonates according to the axially symmetric radial vibration mode when the frequency spectrum of the seismic acoustic wave 60 comprises at least one resonance frequency according to this mode, and preferably the fundamental resonance frequency according to this mode since it is usually the one that produces the most important resonance.
  • the seismic acoustic wave 60 resonates the acoustic resonator 12 via the lower annular surface 35.
  • the acoustic resonator 12 thus resonated then applies a mechanical stress to the piezoelectric transducer 18, which results in the appearance of a potential difference between the electrodes 22 and 24, this potential difference constituting a component of the detection signal, hereinafter referred to as the seismic component.
  • an aerial acoustic wave propagating in the surrounding air reaches the microphonic membrane 40 or 56.
  • the microphonic membrane 40 or 56 vibrates, so that the aerial acoustic wave in resonance the acoustic resonator 14 via the microphonic membrane 40, also according to the axial symmetry resonance mode.
  • the acoustic resonator 12 thus resonated then applies a mechanical stress to the piezoelectric transducer 18, which results in the appearance of a potential difference between the electrodes 22 and 24, this potential difference constituting a component of the detection signal, subsequently called the microphonic component.
  • the detection signal provided by the device 10 or 50 thus comprises the seismic component or the microphonic component, depending on whether a seismic acoustic wave or an overhead acoustic wave is received.
  • the acoustic resonator 12 acts as a frequency filter on the seismic or aerial acoustic wave. Indeed, the frequencies of the wave corresponding to the resonance frequencies, and in particular to the fundamental resonance frequency, are strongly transmitted, while the frequencies outside the resonant frequencies are strongly attenuated.
  • a system 70 for locating an acoustic wave source comprises a support 72 in the form of a plate.
  • the support 72 is for example a floor of a house, or a thinner plate, for example a table.
  • the system 70 further comprises four acoustic wave detection devices 74A, 74B, 74C, 74D, fixed on the support. Each of these devices 74A, 74B, 74C, 74D is for example according to the first embodiment of FIGS. 1 to 3 or to the second embodiment of FIG. 4. Each device 74A, 74B, 74C, 74D provides a signal of detection comprising a seismic component when a seismic acoustic wave is detected by the device, via its surface 35 pressed against the support, or a microphonic component when a microphonic acoustic wave is detected by the device via its microphonic membrane 40 or 56.
  • the system 70 further comprises a processing unit 76 of the device detection signals 74A, 74B, 74C, 74D.
  • the processing unit 76 is designed to detect activity around a predefined frequency in each of the detection signals.
  • the predefined frequency is equal to the fundamental resonant frequency of the devices 74A, 74B, 74C, 74D in their axially symmetrical radial vibration mode.
  • the activity corresponds either to the appearance of a seismic component in the detection signal, or to the appearance of a microphonic component, or to both, seismic and microphonic.
  • the detection is for example carried out by broadband amplification, followed by filtering around the predefined frequency, followed by squaring, followed by peak detection, followed by integration.
  • the processing unit 76 When the processing unit 76 detects a first activity, that is to say an activity that has not been recently preceded by another activity, the processing unit initialises counters for timestamping all the activities. subsequently detected over a predetermined time interval, with respect to this first activity.
  • a pulse acoustic source such as an impact, typically generates a seismic wave and an air wave.
  • an impact on the support 72 generates a seismic wave, as well as a noise, that is to say an air wave.
  • a clap in the hands generates a noise, that is to say an air wave that propagates to the support 72 and generates a seismic wave in the latter.
  • the first activity usually corresponds to the detection of the seismic wave.
  • the processing unit 76 is designed to distinguish the activities corresponding to various interaction forms, for example of the impact type, characterized by an impulse waveform initially comprising a signal of low amplitude corresponding to the arrival of the seismic wave followed by a stronger amplitude signal corresponding to the arrival of the microphonic wave.
  • a snap type interaction pattern does not produce a signal corresponding to the arrival of the seismic wave, but only a microphone signal.
  • the processing electronics can be programmed so as not to react to this type of interaction.
  • the processing unit 76 is therefore designed to distinguish the activities corresponding to the seismic wave from those corresponding to the air wave, for example by the fact that they have the same signature, since they have the same shape of interaction (the impact on the support has a first form of interaction, the clapping of hands for a second).
  • the processing unit 76 is designed to locate the source from the time stamped detections. This is for example done in the manner described in the publication FR 2 81 1 107, that is to say by calculating differential transit time either from the detections of the seismic wave, or from the detections of the seismic wave. air wave.
  • the detections of the air wave it is possible to locate a source on the support or even at a distance from the support (for example, the clapping of hands).
  • the use of detections of the air wave may have certain advantages. Indeed, when the support is a thin plate, for example a glass plate 1 centimeter thick, an impact generates a seismic wave comprising a symmetrical mode propagating for example at 5400 meters per second and a slower antisymmetric mode is propagating for example at 3300 meters per second, and an air wave propagating for example at 343 meters per second.
  • the use of the air wave then makes it possible to avoid the problem of the difference in propagation speed of the two modes of the seismic wave.
  • the support is used to define the work plane and the attachment points of the detection devices. It also serves as a barrier and guide to the air waves generated by the impact that must propagate laterally to the sensors.
  • microphonic acoustic waves to detect an impact is also advantageous because, by judiciously choosing the seismic surface / microphonic surface ratio of the sensor, it is possible to ensure that the acoustic waves produce a much stronger signal, in general ten times stronger than seismic waves.
  • the antisymmetric mode is much stronger, usually ten times stronger, than the symmetric mode, and this is all the more true that the frequency is lower, or more precisely than the frequency product.
  • the thickness remains small, preferably less than 100 kHz.mm.
  • the processing unit 76 is preferably designed to record the detection signals, preferably on a sliding recording interval, for example of a duration of 3 to 5 seconds.
  • a sliding recording interval for example of a duration of 3 to 5 seconds.
  • the processing unit 76 is then designed to analyze, for example by Fourier analysis, the detection signals recorded on the thus prolonged recording interval.
  • the processing unit 76 is able to detect a sound activity preceding and following the impact, because this sound activity then generates a microphone component in at least one of the detection signals.
  • the analysis includes, for example, determining the nature of the sound activity, for example by comparing the recorded signal with a reference signal database.
  • the system 70 makes it possible to detect an emergency situation from both seismic and microphonic information, for example an impact followed by a cry which could result from a fall of person.
  • an acoustic wave detection device makes it possible to detect seismic and aerial acoustic waves on a support of which only one face is accessible, and which does not necessarily have bevelled edges.

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Abstract

Ce dispositif de détection d'ondes acoustiques comporte un transducteur piézoélectrique (18) conçu pour fournir un signal de détection. Il comporte en outre un résonateur acoustique (12) présentant une fréquence de résonance et comportant un corps résonant (42) présentant une surface libre (35) conçue pour être plaquée sur un support (44) dans lequel une onde acoustique sismique, qui présente un spectre de fréquences incluant la fréquence de résonance du résonateur, est destinée à se propager, de sorte que l'onde acoustique sismique met en résonance le résonateur acoustique (12) via cette surface libre (35), et une membrane microphonique (40) qui présente un spectre de fréquences incluant la fréquence de résonance du résonateur, conçue pour vibrer sous l'action d'une onde acoustique aérienne de sorte que l'onde acoustique aérienne met en résonance le résonateur acoustique (12) via la membrane microphonique (40). Le transducteur piézoélectrique (18) est fixé sur le résonateur acoustique (12) de sorte qu'il produit, d'une part, une première composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique (12) est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique sismique et, d'autre part, une seconde composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique (12) est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique aérienne.

Description

Dispositif de détection d'ondes acoustiques et système de localisation d'une source d'ondes acoustiques
La présente invention concerne un dispositif de détection d'ondes acoustiques et un système de localisation d'une source d'ondes acoustiques.
L'invention peut s'appliquer par exemple à la détection de chutes ou de situations anormales affectant des personnes âgées ou vulnérables vivant seules dans leur logement.
La demande de brevet français publiée sous le numéro FR 2 879 885 décrit le principe de localiser un impact sur une plaque, en utilisant le fait que cet impact génère une onde acoustique sismique dans la plaque. La localisation est réalisée au moyen d'un procédé de calcul de temps de transit différentiel entre le lieu d'impact et plusieurs paires de dispositifs de détection de l'onde acoustique comportant chacun un transducteur piézoélectrique. Dans ce document, les deux dispositifs de chaque paire sont fixés de part et d'autre d'un bord biseauté de la plaque. Cette configuration - les dispositifs fixés de part et d'autre de la plaque et le bord biseauté - permet d'obtenir une bonne sensibilité au mode antisymétrique de propagation de l'onde sismique par une atténuation du mode symétrique. Le fait de détecter un mode de propagation et pas l'autre permet de résoudre le problème de la différence de vitesse de propagation entre les deux modes.
Cependant, l'enseignement de ce document n'est applicable que dans le cas où la plaque est de faible épaisseur, possède des bords biseautés et présente ses deux faces accessibles.
Par ailleurs, le document FR 2 879 885 décrit que la plaque peut également éventuellement jouer le rôle d'une antenne acoustique et transmettre ainsi des ondes de compression de la voix aux dispositifs de détection d'ondes acoustiques, qui servent ainsi de microphone. Cependant, la plaque ne peut jouer le rôle d'antenne acoustique que dans le cas où elle est de faible épaisseur.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de détection d'ondes acoustiques qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
A cet effet, un objet de l'invention est un dispositif de détection d'ondes acoustiques comportant un transducteur piézoélectrique conçu pour fournir un signal de détection, et en outre un résonateur acoustique présentant une fréquence de résonance et comportant : - un corps résonant présentant une surface libre conçue pour être plaquée sur un support dans lequel une onde acoustique sismique, qui présente un spectre de fréquences incluant la fréquence de résonance du résonateur, est destinée à se propager, de sorte que l'onde acoustique sismique met en résonance le résonateur acoustique via cette surface libre, et
- une membrane microphonique conçue pour vibrer sous l'action d'une onde acoustique aérienne qui présente un spectre de fréquences incluant la fréquence de résonance du résonateur, de sorte que l'onde acoustique aérienne met en résonance le résonateur acoustique via la membrane microphonique,
le transducteur piézoélectrique étant fixé sur le résonateur acoustique de sorte qu'il produit, d'une part, une première composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique sismique et, d'autre part, une seconde composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique aérienne.
Ainsi, le résonateur acoustique transmet à la fois des ondes acoustiques sismiques et aériennes au transducteur piézoélectrique. En particulier, les ondes aériennes sont détectées sans compter sur l'éventuel rôle d'antenne acoustique du support. Le dispositif de l'invention peut donc être utilisé en tant que capteur bi-milieu (milieu aérien et milieu solide) quelle que soit l'épaisseur ou la superficie du support.
En outre le dispositif de détection obtenu ne nécessite pas d'avoir accès à deux faces du support et n'impose pas de prévoir des bords biseautés.
De façon optionnelle, le résonateur acoustique comporte un disque résonateur comprenant :
- une partie périphérique annulaire d'épaisseur constante, le transducteur piézoélectrique étant fixé au moins en partie sur la partie périphérique annulaire, et
- une partie centrale circulaire comportant la membrane microphonique. De façon optionnelle également, le transducteur piézoélectrique comprend un élément piézoélectrique annulaire fixé au moins sur la partie périphérique du disque résonateur.
De façon optionnelle également, la partie centrale circulaire du disque résonateur présente une épaisseur diminuant depuis sa périphérie jusqu'à son centre. De façon optionnelle également, le dispositif comporte une cavité aménagée dans le résonateur acoustique et délimitée partiellement par la membrane microphonique.
De façon optionnelle également, la partie centrale circulaire du disque résonateur présente une épaisseur constante, inférieure à l'épaisseur de la partie périphérique annulaire, de sorte que la cavité est de forme cylindrique.
De façon optionnelle également :
- l'élément piézoélectrique présente une symétrie axiale par rapport à un axe central, ainsi qu'une fréquence de résonance fondamentale en mode radial par rapport à l'axe central, et
- le résonateur acoustique présente une symétrie axiale par rapport à l'axe central, ainsi qu'une fréquence de résonance fondamentale en mode radial par rapport à l'axe central inférieure à la fréquence de résonance fondamentale de l'élément piézoélectrique.
De façon optionnelle également, la fréquence de résonance fondamentale du résonateur acoustique est comprise entre 1 et 10 kilohertz.
De façon optionnelle également, le résonateur acoustique est constitué d'une seule pièce.
Un autre objet de l'invention est un système de localisation d'une source d'ondes acoustiques, comportant :
- un support dans lequel une onde acoustique sismique est destinée à se propager,
- au moins deux dispositifs de détection d'ondes acoustiques selon l'invention, dont les surfaces libres sont plaquées sur le support, et - une unité de traitement des signaux de détection fournis par les dispositifs de détection d'ondes acoustiques, l'unité de traitement étant conçue pour localiser une source d'émission d'ondes acoustiques par calcul de temps de transit différentiel, à partir des signaux de détection fournis.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, de modes de réalisation préférés de l'invention. La description fait référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de dessus en trois dimensions d'un dispositif de détection d'ondes acoustiques selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue de dessous en trois dimensions du dispositif de la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue en coupe du dispositif de la figure 1 ,
- la figure 4 est une vue en coupe d'un dispositif de détection d'ondes acoustiques selon un second mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue en coupe d'un support dans lequel se propage une onde acoustique sismique, et sur lequel est fixé un dispositif de détection d'ondes acoustiques selon un mode de réalisation de l'invention,
- les figures 6 et 7 représentent le déplacement du dispositif de détection d'ondes acoustiques de la figure 5 sous l'effet de l'onde acoustique sismique, et
- la figure 8 est une vue schématique d'un système de localisation d'une source d'ondes acoustiques comportant plusieurs dispositifs de détection d'ondes acoustiques selon les figures 1 à 3 ou la figure 4.
Un dispositif 10 de détection d'ondes acoustiques sismiques et aériennes
(aussi appelées microphoniques), selon un premier mode de réalisation de l'invention, est représenté sur les figures 1 à 3.
En référence à la figure 1 , le dispositif 10 comporte tout d'abord un résonateur acoustique 12 destiné à être mis en résonance par une onde acoustique sismique ou aérienne, comme cela sera expliqué par la suite. Le résonateur acoustique 12 est constitué d'une seule pièce afin de propager efficacement les ondes acoustiques, et présente une symétrie axiale par rapport à un axe central A. L'axe central A est orienté du bas vers le haut dans la présente description, par souci de clarté. Cependant, il pourrait avoir n'importe quelle orientation. Le résonateur acoustique 12 est de préférence en métal, par exemple en aluminium ou en Duralumin (marque déposée). Dans le mode de réalisation illustré, le résonateur acoustique 12 comporte un disque résonateur 14 centré sur l'axe central A et présentant une face supérieure 16 plane.
Le dispositif 10 comporte en outre un transducteur piézoélectrique 18 fixé sur la face supérieure 16 du résonateur acoustique 12. Le transducteur piézoélectrique 18 comporte un élément piézoélectrique annulaire 20, possédant lui aussi une symétrie axiale par rapport à l'axe central A. Dans l'exemple illustré sur la figure 1 , l'élément piézoélectrique annulaire 20 est en forme de rondelle plate présentant un diamètre externe égal à celui du disque résonateur 14. L'élément piézoélectrique 20 est par exemple en céramique PZT. Le transducteur piézoélectrique 18 comporte en outre une électrode supérieure 22 constituée d'une couche électriquement conductrice par exemple une pâte d'argent soudable recouvrant une face supérieure de l'élément piézoélectrique 20, ainsi qu'une électrode inférieure 24 (visible sur la figure 3) constituée également d'une couche électriquement conductrice recouvrant une face inférieure de l'élément piézoélectrique 20. L'électrode inférieure 24 comprend un retour 26, sur la face supérieure de l'élément piézoélectrique 20, facilitant sa connexion.
Le transducteur piézoélectrique 18 présente une fréquence de résonance fondamentale en mode de vibration radiale à symétrie axiale qui est très élevée, largement supérieure à la fréquence de résonance fondamentale en mode de vibration radiale à symétrie axiale du résonateur 12.
La résonance fondamentale du résonateur 12 est choisie (en adaptant sa géométrie) en fonction du support sur lequel il est destiné à être fixé. Pour les supports d'épaisseur élevée, tel que le plancher d'une habitation, qui propagent des ondes à basses fréquences, la fréquence de résonance fondamentale du résonateur 12 est de préférence comprise entre 1 kilohertz et 10 kilohertz. Pour des applications de localisation sur des plaques minces, qui propagent des ondes à plus hautes fréquences, le résonateur 12 sera de préférence conçu pour présenter une fréquence de résonance fondamentale comprise entre 50 kilohertz et 100 kilohertz. Pour des applications de localisation sur des plaques minces qui ont de plus une taille réduite, par exemple inférieure à 10 mètres carrés, en particulier autour de 1 mètre carré, il est avantageux de détecter un impact par l'onde acoustique aérienne qu'il génère, en particulier car cette dernière se propage à une seule vitesse de propagation, par exemple 343 mètres par seconde à 20°C. Ainsi, cela permet de résoudre le problème des différences de vitesses de propagation entre les modes de propagation symétrique et antisymétrique dans une plaque mince. Dans ce cas, la fréquence de résonance fondamentale du résonateur est de nouveau choisie entre 1 kilohertz et 10 kilohertz.
Le résonateur 12 étant nettement plus volumineux que le transducteur piézoélectrique 18, il joue le rôle d'un filtre laissant surtout passer les fréquences situées autour de ses fréquences de résonance, et en particulier autour de sa fréquence de résonance fondamentale. Ainsi, le transducteur piézoélectrique n'est soumis qu'aux fréquences voisines de la fréquence de résonance du résonateur 12. Ceci a pour effet de protéger le transducteur piézoélectrique des fréquences élevées et d'obtenir un signal de détection autour de cette fréquence de résonance, ce qui facilite son traitement.
Le dispositif de détection 10 comporte en outre une carte de circuit imprimé, dite carte PCB 28 (de l'Anglais « Printed Circuit Board »), de forme circulaire, fixée au transducteur piézoélectrique 18, sur son électrode supérieure 22 et sur le retour 26 de son électrode inférieure 24. La carte de circuit imprimé 28 est représentée partiellement arrachée sur la figure 1 .
Le dispositif 10 comporte en outre une couche conductrice supérieure 30 recouvrant une face supérieure de la carte de circuit imprimé 28 dont l'intérêt sera détaillé ultérieurement.
Le dispositif 10 comporte en outre un câble coaxial 32 dont l'âme est connectée à l'électrode supérieure 22 et le blindage au retour 26 de l'électrode inférieure du transducteur piézoélectrique 18, via la carte de circuit imprimé 28.
En référence à la figure 2, le disque résonateur 14 comporte une partie périphérique annulaire 34 présentant une épaisseur constante et une surface annulaire inférieure 35 plane. La surface annulaire inférieure 35 de la partie périphérique annulaire 34 est une surface libre, c'est-à-dire dégagée, conçue pour être plaquée, comme cela sera détaillé plus loin, sur un support dans lequel une onde acoustique sismique est destinée à se propager, de sorte que l'onde acoustique sismique met en résonance le résonateur acoustique 12 via cette surface libre 35.
Le disque résonateur 14 comporte en outre une partie centrale circulaire 36 remplissant l'espace circulaire intérieur délimité par la partie périphérique annulaire 34. La partie centrale 36 présente une épaisseur diminuant, depuis la partie périphérique annulaire 34 où cette épaisseur est égale à celle de la partie périphérique annulaire, vers l'axe central A où cette épaisseur est minimale. La diminution d'épaisseur est par exemple linéaire. Ainsi, une cavité conique 38 ouverte vers le bas est aménagée dans le résonateur acoustique 12, cette cavité 38 étant délimitée par la partie centrale 36 du disque résonateur 14 et bordée par la surface annulaire inférieure 35.
En référence à la figure 3, le résonateur acoustique 12 comporte une membrane microphonique 40 présentant une épaisseur inférieure par exemple à 1 millimètre. Dans l'exemple illustré, la partie centrale circulaire 36 du disque résonateur 14 comporte la membrane microphonique 40, cette dernière s'étendant au centre de la partie centrale circulaire 36, là où l'épaisseur est inférieure à 1 millimètre. La membrane microphonique 40 est conçue pour vibrer sous l'action d'une onde acoustique aérienne, de sorte que l'onde acoustique aérienne met en résonance le résonateur acoustique 12 via la membrane microphonique 40.
Le résonateur acoustique 12 comporte en outre un corps résonant 42 d'épaisseur plus élevée que l'épaisseur de la membrane microphonique 40. Dans l'exemple illustré, le corps résonant 42 est formé par la partie périphérique annulaire et par la portion de la partie centrale circulaire 36 s'étendant autour de la membrane 40 sur une épaisseur supérieure à 1 millimètre. Sur la figure 3, le corps résonant 42 et la membrane microphonique 40 sont séparés par des pointillés.
Comme cela est visible sur la figure 3, la cavité 38 est délimitée en partie par la membrane microphonique 40.
Par ailleurs, le transducteur piézoélectrique 18 est fixé sur le corps du disque résonateur 14, à la fois sur la partie périphérique annulaire 34 et sur la partie centrale circulaire 36. Le transducteur piézoélectrique 18 est fixé par collage liquide, de préférence avec de la colle cyanoacrylate, par exemple de type Loctite 407 (marque déposée), ce qui permet au résonateur 12 d'appliquer, lorsqu'il résonne, une contrainte mécanique au transducteur piézoélectrique 18, ce dernier fournissant en conséquence un signal de détection sous la forme d'une différence de potentiel entre son électrode inférieure 24 et son électrode supérieure 22.
De préférence, l'électrode inférieure 24 du transducteur piézoélectrique 18 et la couche conductrice supérieure 30 du circuit imprimé 28 sont toutes les deux reliées ensemble, et reliées à la masse électrique, par exemple en étant toute les deux reliées à la gaine du câble 32. L'électrode inférieure 24 et la couche conductrice supérieure 30 forment alors une cage de Faraday recouvrant l'élément piézoélectrique 20 par le haut et par le bas et le protégeant ainsi des perturbations électriques extérieures, ce qui améliore les mesures.
De préférence, les dimensions du dispositif 10 sont les suivantes. Le diamètre du disque résonateur 14 est compris entre 20 millimètres et 100 millimètres, par exemple 50 millimètres. L'épaisseur de la partie périphérique annulaire 34 est comprise entre 1 et 5 millimètres, par exemple 2 millimètres, tandis que l'épaisseur au centre de la partie centrale circulaire 36 est comprise entre 0.1 et 1 millimètres, par exemple 0.5 millimètres. Le diamètre externe de l'élément piézoélectrique 20 est égal à celui du disque résonateur 14, et son diamètre interne est compris entre 10 et 40 millimètres, par exemple 20 millimètres. L'épaisseur de l'élément piézoélectrique 20 est inférieure ou égale à 1 millimètre, par exemple 0.45 mm. L'épaisseur des électrodes 22 et 24, ainsi que de la couche conductrice 30 est inférieure ou égale à 50 micromètres, par exemple 35 micromètres.
Toujours en référence à la figure 3, le dispositif 10 est illustré dans une position d'utilisation dans laquelle il est fixé, par sa surface annulaire inférieure libre 35, à une surface supérieure 43 d'un support 44 dans lequel une onde acoustique sismique est destinée à se propager. La surface annulaire inférieure libre 35 du dispositif 10 est par exemple collée à la surface supérieure 43 du support 44, de préférence avec de la colle cyanoacrylate, par exemple de type Loctite 407 ou encore une colle époxy.
Comme la surface annulaire inférieure libre 35 entoure la cavité 38, cette dernière est fermée par le support 44, de sorte que la cavité 38 forme une cavité de résonance pour la membrane 40, c'est-à-dire que la pression dans la cavité est constante (par rapport à la durée d'une onde acoustique) par rapport à la pression de l'autre côté de la membrane 40. De préférence, la cavité 38 est fermée de manière étanche, pour prévenir les communications d'air entre la cavité 38 et l'extérieur de la cavité 38.
Un dispositif 50 de détection d'ondes acoustiques selon un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4. Ce dispositif 50 est en majeure partie similaire à celui des figures 1 à 3, et les mêmes références sont utilisées pour les éléments identiques. Seul son disque résonateur est de forme différente et numéroté à présent 52.
Le disque résonateur 52 comporte une partie centrale circulaire 54 d'épaisseur constante, inférieure à l'épaisseur de la partie périphérique annulaire 34. Ainsi, une cavité 55 de forme cylindrique est aménagée dans le résonateur acoustique 12, cette cavité 55 étant délimitée en haut par la partie centrale circulaire 54 et latéralement par la partie périphérique annulaire 34. Une fois que le dispositif 50 est fixé sur le support 44, la cavité 55 est en outre délimitée en bas par ce support 44, comme cela est représenté sur la figure 4.
Dans ce mode de réalisation, toute la partie centrale circulaire 54 forme une membrane acoustique 56, tandis que toute la partie périphérique annulaire 34 forme un corps résonnant 57.
Par ailleurs, le transducteur piézoélectrique 18 est fixé uniquement sur la partie périphérique annulaire 34 du disque résonateur 52.
De préférence, les dimensions du disque résonateur 52 sont les suivantes (les autres éléments ayant les dimensions indiquées pour le premier mode de réalisation). Le diamètre du disque résonateur 52 est compris entre 20 millimètres et 100 millimètres, par exemple 50 millimètres. L'épaisseur de la partie périphérique annulaire 34 est comprise entre 1 et 5 millimètres, par exemple 1 millimètre, tandis que l'épaisseur de la partie centrale circulaire 54 est comprise entre 0.1 et 1 millimètres, par exemple 0.2 millimètres.
Le résonateur acoustique 12 présente alors une fréquence de résonance fondamentale en mode de vibration radiale à symétrie axiale de 3.5 kilohertz.
Le dispositif 50 selon le second mode de réalisation est environ trois fois plus sensible aux ondes acoustiques aériennes que le dispositif 10 selon le premier mode de réalisation.
Le fonctionnement des dispositifs 10 et 50, une fois fixés sur le support 44, va à présent être décrit.
En référence à la figure 5, une onde acoustique sismique de surface 60 se propage dans le support 44, sur sa surface supérieure 43. L'onde acoustique sismique 60 correspond à une déformation qui se propage. L'onde acoustique sismique 60 est par exemple, dans le cas d'un support 44 présentant une grande épaisseur par rapport à sa longueur d'onde, une onde de Rayleigh (représentée sur la figure 5), ou bien, dans le cas où le support 44 est en forme de plaque (épaisseur plus faible, au plus de l'ordre d'une longueur d'onde), une onde de Lamb. Dans les deux cas, l'onde acoustique sismique 60 comprend une composante dite « hors plan » correspondant à une déformation de la matière perpendiculairement à la surface supérieure 43, et une composante dite « dans le plan » correspondant à une déformation de la matière le long de la surface supérieure 43.
Le résonateur acoustique 12 est particulièrement sensible aux composantes mécaniques de l'onde acoustique sismique 60 pour les longueurs d'onde égales au double de son diamètre, (soit 100 mm, pour un diamètre du résonateur acoustique 12 de 50 mm), ce qui correspond à un fonctionnement à sa fréquence de résonance fondamentale. Dans une plaque, de telles vibrations peuvent être véhiculées aussi bien selon un mode symétrique que selon un mode antisymétrique mais dans des proportions différentes lorsque les deux modes sont engendrés par le même impact, ce qui peut poser un problème de précision de localisation par temps de transit différentiel si l'on ne connaît pas l'intensité de l'impact. La possible confusion de détection entre le mode symétrique et le mode antisymétrique est levée dans l'état de l'art en ayant recours à des capteurs collés en vis-à-vis de part et d'autre de la plaque de façon à discriminer totalement le mode symétrique, ce qui permet de travailler avec une électronique d'amplification à gain maximal. L'état de l'art conduit en pratique et en conséquence à une saturation de l'électronique d'amplification à l'arrivée du signal sismique car il ne s'intéresse pas à la corrélation qu'il peut y avoir entre le signal sismique et le signal aérien issu de l'impact.
Le risque de confusion entre les deux modes symétrique et antisymétrique est levé autrement par la présente invention : premièrement en diminuant la fréquence de travail (pour une même épaisseur de plaque) pour diminuer la proportion de mode symétrique contenu dans le signal relativement au mode antisymétrique ; deuxièmement en ayant recours à un gain plus faible de façon à permettre une plage de variation d'amplitude et pouvoir mesurer par conversion analogique/numérique l'intensité de l'impact directement au niveau de la tête du paquet d'ondes (dans l'état de l'art l'intensité est quantifiée en mesurant le temps de réverbération du signal sismique dans la plaque) ; troisièmement par une analyse du signal sur un temps plus long tirant parti du signal microphonique issu d'un impact.
Les analyses de Fourier et de la forme temporelle du signal dans la seconde qui suit un impact permettent de déduire la nature et l'intensité de l'impact ainsi que le mode d'interaction et a posteriori ce que devrait être l'amplitude du signal sismique dans les 10 millisecondes suivant l'impact. Elles permettent en particulier de vérifier que l'amplitude maximale attendue pour le mode symétrique n'est pas de nature à perturber la localisation dans le cas où l'on exploite le signal sismique. Ceci est encore plus vrai si la forme d'interaction est connue, par exemple pour un impact avec la pulpe, le plat de l'onde ou l'extrémité du doigt (pulpe et ongle).
Une deuxième méthode pour lever le risque de confusion consiste à exploiter le signal microphonique issu de l'impact et à procéder à une localisation par temps de transit différentiel sur l'onde aérienne.
Le résonateur acoustique 12 entre en résonance suivant le mode de vibration radiale à symétrie axiale lorsque le spectre de fréquences de l'onde acoustique sismique 60 comprend au moins une fréquence de résonance suivant ce mode, et de préférence la fréquence de résonance fondamentale suivant ce mode, puisque c'est généralement celle qui produit la résonance la plus importante. Ainsi, l'onde acoustique sismique 60 met en résonance le résonateur acoustique 12 via la surface annulaire inférieure 35.
Le résonateur acoustique 12 ainsi mis en résonance applique alors une contrainte mécanique au transducteur piézoélectrique 18, qui se traduit par l'apparition d'une différence de potentiel entre les électrodes 22 et 24, cette différence de potentiel constituant une composante du signal de détection, appelée par la suite composante sismique.
Par ailleurs, une onde acoustique aérienne se propageant dans l'air environnant atteint la membrane microphonique 40 ou 56. Sous l'action de l'onde acoustique aérienne, la membrane microphonique 40 ou 56 vibre, de sorte que l'onde acoustique aérienne met en résonance le résonateur acoustique 14 via la membrane microphonique 40, également suivant le mode de résonance radiale à symétrie axiale.
Le résonateur acoustique 12 ainsi mis en résonance applique alors une contrainte mécanique au transducteur piézoélectrique 18, qui se traduit par l'apparition d'une différence de potentiel entre les électrodes 22 et 24, cette différence de potentiel constituant une composante du signal de détection, appelée par la suite composante microphonique.
Le signal de détection fourni par le dispositif 10 ou 50 comprend ainsi la composante sismique ou la composante microphonique, selon qu'une onde acoustique sismique ou qu'une onde acoustique aérienne est reçue. On remarquera que le résonateur acoustique 12 joue le rôle d'un filtre fréquentiel sur l'onde acoustique sismique ou aérienne. En effet, les fréquences de l'onde correspondant aux fréquences de résonance, et en particulier à la fréquence de résonance fondamentale, sont fortement transmises, tandis que les fréquences hors des fréquences de résonance sont fortement atténuées.
En référence à la figure 8, un système 70 de localisation d'une source d'ondes acoustiques comporte un support 72 en forme de plaque. Le support 72 est par exemple un plancher d'une habitation, ou bien une plaque moins épaisse, par exemple une table.
Le système 70 comporte en outre quatre dispositifs de détection d'ondes acoustiques 74A, 74B, 74C, 74D, fixés sur le support. Chacun de ces dispositifs 74A, 74B, 74C, 74D est par exemple conforme au premier mode de réalisation des figures 1 à 3 ou bien au second mode de réalisation de la figure 4. Chaque dispositif 74A, 74B, 74C, 74D fournit un signal de détection comprenant une composante sismique lorsque une onde acoustique sismique est détectée par le dispositif, via sa surface 35 plaquée contre le support, ou bien une composante microphonique lorsqu'une onde acoustique microphonique est détectée par le dispositif via sa membrane microphonique 40 ou 56. Le système 70 comporte en outre une unité de traitement 76 des signaux de détection des dispositifs 74A, 74B, 74C, 74D.
L'unité de traitement 76 est conçue pour détecter une activité autour d'une fréquence prédéfinie dans chacun des signaux de détection. De préférence, la fréquence prédéfinie est égale à la fréquence de résonance fondamentale des dispositifs 74A, 74B, 74C, 74D dans leur mode de vibration radiale à symétrie axiale.
L'activité correspond soit à l'apparition d'une composante sismique dans le signal de détection, soit à l'apparition d'une composante microphonique, soit aux deux, sismique et microphonique.
La détection est par exemple réalisée par une amplification large bande, suivie d'un filtrage autour de la fréquence prédéfinie, suivi d'une élévation au carré, suivie d'une détection de crête, suivie d'une intégration.
Lorsque l'unité de traitement 76 détecte une première activité, c'est-à-dire une activité qui n'a pas été récemment précédée d'une autre activité, l'unité de traitement initialise des compteurs permettant d'horodater toutes les activités détectées ultérieurement sur un intervalle de temps prédéterminé, par rapport à cette première activité.
Une source acoustique impulsionnelle, telle qu'un impact, génère généralement une onde sismique et une onde aérienne. Par exemple, un impact sur le support 72 génère bien une onde sismique, ainsi qu'un bruit, c'est-à-dire une onde aérienne. De même, un claquement dans les mains génère un bruit, c'est-à-dire une onde aérienne qui se propage jusqu'au support 72 et génère une onde sismique dans ce dernier. Comme les ondes sismiques se propagent beaucoup plus vite que les ondes aériennes, la première activité correspond généralement à la détection de l'onde sismique.
L'unité de traitement 76 est conçue pour distinguer les activités correspondant à diverses formes d'interaction, par exemple de type impacts, caractérisées par une forme d'onde impulsionnelle comprenant au départ un signal de faible amplitude correspondant à l'arrivée de l'onde sismique, suivi d'un signal d'amplitude plus forte, correspondant à l'arrivée de l'onde microphonique. Une forme d'interaction de type claquement de mains ne produit pas de signal correspondant à l'arrivée de l'onde sismique, mais uniquement un signal microphonique. Dans un environnement sonore bruité, l'électronique de traitement peut être programmée de façon à ne pas réagir à ce type d'interaction. L'unité de traitement 76 est donc conçue pour distinguer les activités correspondant à l'onde sismique de celles correspondant à l'onde aérienne, par exemple par le fait qu'elles présentent la même signature, puisqu'elles ont la même forme d'interaction (l'impact sur le support a une première forme d'interaction, le claquement de mains une seconde).
L'unité de traitement 76 est conçue pour localiser la source à partir des détections horodatées. Cela est par exemple réalisé de la manière décrite dans la publication FR 2 81 1 107, c'est-à-dire par calcul de temps de transit différentiel soit à partir des détections de l'onde sismique, soit à partir des détections de l'onde aérienne.
Dans le cas où les détections de l'onde sismique sont utilisées, il est possible de localiser une source sur le support 72. Il est également possible de discriminer une source aérienne issue d'un impact d'une source aérienne sans impact.
Dans le cas où les détections de l'onde aérienne sont utilisées, il est possible de localiser une source sur le support ou même à distance du support (par exemple, le claquement de mains).
L'utilisation des détections de l'onde aérienne peut présenter certains avantages. En effet, lorsque le support est une plaque mince, par exemple une plaque de verre de 1 centimètre d'épaisseur, un impact génère une onde sismique comprenant un mode symétrique se propageant par exemple à 5400 mètres par seconde et un mode antisymétrique plus lent se propageant par exemple à 3300 mètres par seconde, ainsi qu'une onde aérienne se propageant par exemple à 343 mètres par seconde. L'utilisation de l'onde aérienne permet alors d'éviter le problème de la différence de vitesse de propagation des deux modes de l'onde sismique.
En outre, avec cette utilisation de l'onde aérienne, le support sert à définir le plan de travail et les points de fixation des dispositifs de détection. Il sert également de barrière et de guide aux ondes aériennes engendrées par l'impact qui doivent se propager latéralement vers les capteurs.
L'utilisation des ondes acoustiques microphoniques pour détecter un impact est en outre avantageuse car, en choisissant judicieusement le ratio surface sismique / surface microphonique du capteur, il est possible de s'assurer que les ondes acoustiques produisent un signal beaucoup plus fort, en général dix fois plus fort, que les ondes sismiques.
En outre, dans les ondes sismiques générées, le mode antisymétrique est beaucoup plus fort, en général dix fois plus fort, que le mode symétrique, et ceci est d'autant plus vrai que la fréquence est plus basse, ou de façon plus précise que le produit fréquence.épaiseur reste faible, préférentiellement inférieur à 100 kHz.mm. Ainsi, en choisissant une fréquence de résonance faible pour le résonateur, la proportion du mode symétrique engendré par l'impact baisse relativement à la proportion du mode antisymétrique, de sorte que le mode symétrique peut être considéré en pratique comme absent. Le fait de travailler à basse fréquence permet donc d'améliorer la sélectivité et la sensibilité, mais en défaveur de la résolution temporelle et donc de la précision de localisation, sauf à exploiter les ondes aériennes issues de l'impact pour lesquelles l'absence de dispersion permet d'identifier un point fixe dans le paquet d'ondes reçu, avec une précision meilleure que la demi période du signal.
Par ailleurs, l'unité de traitement 76 est de préférence conçue pour enregistrer les signaux de détection, de préférence sur un intervalle d'enregistrement glissant, par exemple d'une durée de 3 à 5 secondes. De préférence, lorsqu'un impact est détecté, c'est-à-dire qu'une source acoustique sismique est localisée par l'unité de traitement 76, cette dernière prolonge l'intervalle d'enregistrement de quelques secondes, par exemple, de 3 à 5 secondes. L'unité de traitement 76 est alors conçue pour analyser, par exemple par analyse de Fourier, les signaux de détections enregistrés sur l'intervalle d'enregistrement ainsi prolongé.
Ainsi, l'unité de traitement 76 est apte à détecter une activité sonore précédant et suivant l'impact, car cette activité sonore génère alors une composante microphonique dans au moins l'un des signaux de détection. L'analyse comprend par exemple la détermination de la nature de l'activité sonore, par exemple par comparaison du signal enregistré avec une base de données de signaux de référence.
Dans le cadre de la surveillance de personnes âgées ou vulnérables, le système 70 permet de détecter une situation d'urgence à partir à la fois d'informations sismiques et microphoniques, par exemple un impact suivi d'un cri qui pourraient résulter d'une chute de personne.
II apparaît clairement qu'un dispositif de détection d'ondes acoustiques selon l'invention permet de détecter des ondes acoustiques sismiques et aériennes sur un support dont une seule face est accessible, et ne possédant pas nécessairement de bords biseautés.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci- dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de détection d'ondes acoustiques comportant un transducteur piézoélectrique (18) conçu pour fournir un signal de détection, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un résonateur acoustique (12) présentant une fréquence de résonance et comportant :
- un corps résonant (42 ; 57) présentant une surface libre (35) conçue pour être plaquée sur un support (44) dans lequel une onde acoustique sismique qui présente un spectre de fréquences incluant la fréquence de résonance du résonateur, est destinée à se propager, de sorte que l'onde acoustique sismique met en résonance le résonateur acoustique (12) via cette surface libre (35), et
- une membrane microphonique (40 ; 56) conçue pour vibrer sous l'action d'une onde acoustique aérienne qui présente un spectre de fréquence incluant la fréquence de résonance du résonateur, de sorte que l'onde acoustique aérienne met en résonance le résonateur acoustique (12) via la membrane microphonique (40 ; 56), le transducteur piézoélectrique (18) étant fixé sur le résonateur acoustique (12) de sorte qu'il produit, d'une part, une première composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique (12) est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique sismique et, d'autre part, une seconde composante de signal de détection lorsque le résonateur acoustique (12) est mis en résonance sous l'action de l'onde acoustique aérienne.
2. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon la revendication 1 , dans lequel le résonateur acoustique (12) comporte un disque résonateur (14 ; 52) comprenant :
- une partie périphérique annulaire (34) d'épaisseur constante, le transducteur piézoélectrique (18) étant fixé au moins en partie sur la partie périphérique annulaire (34), et
- une partie centrale circulaire (36 ; 54) comportant la membrane microphonique (40 ; 56).
3. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon la revendication 2, dans lequel le transducteur piézoélectrique (18) comprend un élément piézoélectrique annulaire (20) fixé au moins sur la partie périphérique (34) du disque résonateur (14 ; 52).
4. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la partie centrale circulaire (36) du disque résonateur (14) présente une épaisseur diminuant depuis sa périphérie jusqu'à son centre.
5. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une cavité (38 ; 55) aménagée dans le résonateur acoustique (12) et délimitée partiellement par la membrane microphonique (40 ; 56).
6. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon les revendications 2 et 5, dans lequel la partie centrale circulaire (54) du disque résonateur (52) présente une épaisseur constante, inférieure à l'épaisseur de la partie périphérique annulaire (34), de sorte que la cavité (55) est de forme cylindrique.
7. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel :
- l'élément piézoélectrique (20) présente une symétrie axiale par rapport à un axe central (A), ainsi qu'une fréquence de résonance fondamentale en mode radial par rapport à l'axe central (A), et
- le résonateur acoustique (12) présente une symétrie axiale par rapport à l'axe central (A), ainsi qu'une fréquence de résonance fondamentale en mode radial par rapport à l'axe central (A) inférieure à la fréquence de résonance fondamentale de l'élément piézoélectrique (20).
8. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon la revendication 7, dans lequel la fréquence de résonance fondamentale du résonateur acoustique (12) est comprise entre 1 et 10 kilohertz.
9. Dispositif de détection d'ondes acoustiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le résonateur acoustique (12) est constitué d'une seule pièce.
10. Système de localisation d'une source d'ondes acoustiques, comportant :
- un support (72) dans lequel une onde acoustique sismique est destinée à se propager,
- au moins deux dispositifs de détection d'ondes acoustiques (74A, 74B, 74C, 74D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dont les surfaces libres sont plaquées sur le support (72), et
- une unité de traitement (76) des signaux de détection fournis par les dispositifs de détection d'ondes acoustiques, l'unité de traitement étant conçue pour localiser une source (78) d'émission d'ondes acoustiques par calcul de temps de transit différentiel, à partir des signaux de détection fournis.
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