EP3868127A1 - Enceinte acoustique et procédé de modulation pour une enceinte acoustique - Google Patents

Enceinte acoustique et procédé de modulation pour une enceinte acoustique

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Publication number
EP3868127A1
EP3868127A1 EP19808867.6A EP19808867A EP3868127A1 EP 3868127 A1 EP3868127 A1 EP 3868127A1 EP 19808867 A EP19808867 A EP 19808867A EP 3868127 A1 EP3868127 A1 EP 3868127A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
source
enclosure
ultrasonic
supply
Prior art date
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Pending
Application number
EP19808867.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thibault NOWAKOWSKI
Ilan KADDOUCH
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.)
Akoustic Arts
Original Assignee
Akoustic Arts
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 Akoustic Arts filed Critical Akoustic Arts
Publication of EP3868127A1 publication Critical patent/EP3868127A1/fr
Pending 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
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/403—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers loud-speakers
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2217/00—Details of magnetostrictive, piezoelectric, or electrostrictive transducers covered by H04R15/00 or H04R17/00 but not provided for in any of their subgroups
    • H04R2217/03—Parametric transducers where sound is generated or captured by the acoustic demodulation of amplitude modulated ultrasonic waves

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of directional loudspeakers, and in particular those which use the properties of acoustic non-linearities of air to recreate audible sound from ultrasound.
  • an acoustic enclosure comprising at least two sources capable of producing ultrasonic signals, and supply means suitable for processing and amplifying an input signal so as to produce for said sources supply signals of different amplitudes and phases.
  • the invention finds a particularly advantageous application when a sound is to be broadcast to a single listener or a reduced number of listeners, in a limited volume, away from the speakers.
  • the acoustic non-linearity properties of the air make it possible to recreate audible sound from ultrasound only. Indeed, when two ultrasonic waves, emitted at a high sound level (typically above 100 dB), propagate in the air, they interact by converting part of their energy to form two new waves whose frequencies are, on the one hand, the difference between the two ultrasonic frequencies and, on the other hand, the sum between the two ultrasonic frequencies. If the "sum” wave is located in the ultrasonic range and is therefore inaudible, the "difference” wave is located in the audible range as soon as the frequency difference between the two ultrasonic waves is less than 20 kHz. This non-linear phenomenon, occurring in the air, is called “self demodulation".
  • This acoustic effect occurs at each point of the ultrasonic beam emitted by the loudspeaker as long as the residual energy of the ultrasonic waves is high enough to generate it. All the audible waves demodulated at a point in the beam propagate along the latter and interact in a constructive manner with the audible waves demodulated at the next point (their amplitudes add up, we speak of virtual antenna). As a result, a new beam, called a secondary beam, appears. Its directivity is similar to that of the ultrasonic beam, since the demodulated audible waves interact little outside the ultrasonic beam.
  • the first step to be carried out is to translate the audio signals, between 20 Hz and 20 kHz, in the ultrasonic field.
  • amplitude modulation a method from the telecommunications field, is used.
  • An ultrasonic carrier (or ultrasonic carrier signal) is modulated by the input audio signal.
  • the result is a modulated signal whose bandwidth, of around 20 kHz, lies exclusively in the ultrasonic field.
  • This modulated signal is transmitted to piezoelectric transducers which enter into vibration and emit in the air the corresponding ultrasonic waves according to a diffusion cone.
  • the two carriers interact destructively at a certain propagation distance and therefore cancel each other out.
  • the dimensioning of the transmitting antenna then makes it possible to vary the distance at which the beams emitted by each surface cancel each other out. Studies have shown that demodulated audible levels are only slightly affected by the cancellation of the carrier.
  • the invention aims to remedy these drawbacks so as to guarantee the quality and level of the sound signal perceived by the listener by reducing the power levels of the ultrasonic waves emitted.
  • the invention relates to an acoustic enclosure of which at least one of said supply signals has a level of amplification different from the other supply signals.
  • the invention relates to an acoustic enclosure comprising:
  • supply means suitable for processing and amplifying at least one input signal so as to produce for said sources supply signals of the same frequency and of different phases,
  • the supply means are configured to apply separate gains and / or phase shifts to two separate frequency components of at least one of the supply signals.
  • applying a separate gain to different frequency components of the signal makes it easier to enlarge the size of the main lobe, while reducing the secondary lobes, while applying a separate phase shift to different frequency components makes it possible to shrink more easily. the size of the main lobe.
  • a combination of gains and distinct phase shifts makes it possible to obtain more easily and more effectively a compromise between the size of the main lobe and that of the secondary lobes.
  • this improved control prevents the emergence of side lobes of too high levels.
  • Another notable advantage is the control of health effects due to prolonged exposure to ultrasonic waves. Indeed, although no standard has been established in France for prolonged exposure to ultrasonic waves, different organizations and countries offer tables of exposure levels according to frequency bands and listening times, the invention makes it possible to respect these tables.
  • the gains and the phase shifts can be apodization functions dependent on the frequency of the frequency component.
  • the gains and the phase shifts can be apodization functions dependent on the position of the ultrasonic source. Apodization functions are particularly advantageous because they allow an effective reduction of the secondary lobes.
  • the ultrasonic sources are concentric and extend annularly around a central source. This characteristic makes it possible, when implementing a differentiated power supply according to the invention, to obtain better performance than the speakers according to the prior art.
  • efficiency is understood the relationship between the average level of the audible signal resulting from the constructive demodulation of the ultrasonic waves and the average level of the ultrasonic waves.
  • the supply means are configured for
  • the first source and the second source can together form the same ring extending around the central source.
  • said at least two sources are sets of at least two piezoelectric transducers adjacent in pairs to define a substantially continuous surface.
  • the transducers are juxtaposed and, since they are generally cylindrical in shape, they cannot cover a completely continuous surface, they form a substantially continuous surface.
  • the use of piezoelectric transducers to emit ultrasonic signals is simple and inexpensive, and known for this type of enclosure.
  • the choice of piezoelectric transducer model can be made according to the size of the enclosure, as well as the desired listening area.
  • the supply means comprise a signal processor adapted to generate, from an electrical audio input signal, supply signals resulting from the modulation of a carrier of a frequency substantially greater than 20 kHz by said input signal.
  • the carrier whose characteristics are its frequency fp, its phase 0h and its amplification level 0n, corresponds to the modulation of the input signal to the nth source.
  • a signal processor can include different modulation elements and tools, known to those skilled in the art and easy to install.
  • the supply means are adapted to generate a differentiated supply signal for each of the ultrasonic transducers of the enclosure and constituting the ultrasonic sources.
  • the enclosure comprises means for locating in real time a listener, and the supply signals are processed and amplified as a function of the position of said listener.
  • these localization means may include a position sensor of the infrared camera type which detects the position of the listener in real time.
  • the listener has freedom of movement, while keeping the same sound level.
  • this adaptability makes it possible to guarantee that the listener can never be exposed for a long period to excessively high ultrasonic levels in the area close to the enclosure.
  • the supply signal results from an amplitude or frequency or pulse width modulation of a carrier by the input signal. These modulation methods are known to those skilled in the art.
  • the invention also relates to a modulation method for an acoustic enclosure comprising the steps:
  • the gains and phase shifts can be apodization functions dependent on the frequency of the frequency component.
  • the gains and the phase shifts can be apodization functions dependent on the position of the ultrasonic source.
  • the method may include a step of applying separate phase shifts to at least two frequency components of at least one supply signal.
  • the enclosure comprises a first source and a
  • the sources are assemblies composed of at least two adjacent piezoelectric transducers in pairs to define a substantially continuous surface.
  • the adjustment of the amplification level and of the carrier phases of the sources is such that the ultrasonic level of the carrier is reduced by destructive interference, on at least the listening area.
  • FIG. 1 represents a block diagram of an acoustic enclosure according to the invention comprising n ultrasonic sources;
  • FIG.2 a schematic front view of an enclosure according to the invention comprising eight concentric ultrasonic sources each comprising a plurality of ultrasonic transducers;
  • FIG.3 shows a schematic view of the cone of acoustic perception of the ultrasonic enclosure illustrated in Fig. 2 when powered;
  • FIG. 4 represents, in axial section, the intensity of the ultrasonic field emitted by the enclosure illustrated in FIG. 2 when all the ultrasonic sources of the enclosure are all supplied with the same signal resulting from the modulation of the carrier by the acoustic signal.
  • FIG. 5 represents a table of normalized phase values and amplification levels of the supply signals from ultrasonic sources of the enclosure according to FIG. 2 in the context of the implementation of the method according to the invention
  • FIG. 6 represents, in axial section, the intensity of the ultrasonic field emitted by the enclosure illustrated in FIG. 2 when all the ultrasonic sources of the enclosure are all supplied by the supply signals according to the table in Fig. 5.
  • FIG. 7 shows a schematic front view of a variant of the enclosure according to the invention comprising eight concentric ultrasonic sources each comprising a plurality of ultrasonic transducers.
  • FIG. 8 shows a block diagram of an acoustic enclosure according to an embodiment of the invention, comprising n ultrasonic sources;
  • FIG. 9 represents certain components of an audible beam from a directional speaker.
  • FIG. 10 represents certain components of an audible beam of an enclosure according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a schematic front view of a stereophonic acoustic enclosure according to an embodiment of the invention comprising seven concentric annular ultrasonic sources and two semi-annular sources, each comprising a plurality of ultrasonic transducers;
  • FIG. 12 shows a block diagram of a stereophonic acoustic enclosure according to an embodiment of the invention and comprising n ultrasonic sources.
  • a unidirectional enclosure 10 according to the invention as shown schematically in FIG. 1 comprises a series of ultrasonic sources SU1 to Sun designated as a whole by the reference 11.
  • the sources 11 are supplied by supply means 12 ensuring the processing of an input audio signal SE.
  • the supply means 12 are adapted to generate from the input audio signal
  • the supply means can in particular be constituted by a dedicated signal processing processor but also by any other suitable signal processing system resulting from the assembly of discrete and / or integrated electronic components.
  • the input audio signal SE is generated from an audio source, such as a telephone, a computer, a hi-fi system, connected to the speaker, for example by an audio cable. It is also possible to envisage a Bluetooth or WI-FI box to recover this audio input SE signal.
  • the input audio signal can also come from a suitable system integrated into the enclosure 10 comprising means for reading a removable or non-removable memory and means for generating an input audio signal corresponding substantially to the signal capable to power a sound transducer such as for example a headset.
  • the supply means 12 are then adapted to modulate ultrasonic P carriers from the input audio signal SE to generate the supply signals SAn.
  • the carriers P all have the same relatively high frequency fp in the ultrasonic field, greater than 20 kHz and are generated from a reference carrier.
  • the supply means 12 are adapted to apply, according to the needs of the method according to the invention, different amplification levels and phases relative to the reference carrier to the supply signals SA1 to SAn supplying respectively the ultrasonic sources SU1 to SUn.
  • the supply signal SAn supplying the source SUn results from the modulation of the reference carrier by the input signal SE with an amplification or gain associated ⁇ n and an associated phase shift cpn. There will therefore be n levels of amplification T and n phases cp.
  • At least one amplification level associated with an ultrasonic source has a value different from that of at least one amplification level associated with another ultrasonic source and, on the other hand, at least one phase shift associated with an ultrasonic source has a value different from that of at least one phase shift associated with another ultrasonic source.
  • not all amplification levels have the same value and not all phase shifts have the same value.
  • the invention proposes, to make and arrange the ultrasonic sources as illustrated in FIG. 2.
  • the enclosure 10 comprises two hundred piezoelectric transducers 15 which are here of cylindrical shape of the same diameter, distributed over a substantially regular hexagonal surface inscribed in a circle C.
  • the transducers of cylindrical shape are arranged so as to best pave the surface hexagonal knowing that no transducer is centered on the center of the hexagonal surface.
  • the two hundred transducers are divided into eight groups each forming an ultrasonic source.
  • the eight sources 11 are arranged so as to be concentric and therefore all centered on the center of the hexagonal surface and of the circle C.
  • a first source occupies a central region of the hexagonal surface and comprises four transducers inscribed in a hexagon.
  • the other seven sources consist of concentric rings of substantially hexagonal shape, each ring being paved by transducers and having a width substantially equivalent to the diameter of an ultrasonic transducer.
  • the sources 11 are controlled the supply means 12 which supply for each source 11 a supply signal SA1 to SA8 respectively.
  • acoustic waves are emitted into the air with a perception cone shown diagrammatically in FIG. 3.
  • This cone corresponding to the region of space in which the ultrasonic waves have a sufficient intensity to generate by self-demodulation an acoustic signal perceptible by the human ear, in other words, audible.
  • This perception cone has an angle at the top less than 50 ° and whose axis AA passes through the center of the enclosure, this is the reason why we speak of a directional enclosure.
  • the distance from the listening area to the speaker results from the characteristics of the modulation of the carrier P by the input audio signal SE.
  • the supply means are adapted to apply a different phase shift and amplification to each of the supply signals SA1 to SA8 including the phase and the amplification level of the ultrasonic carrier.
  • P are different (the carrier frequency being identical for each source 11).
  • the carrier phases for these different sets of transducers 15 vary between - p rad and p rad.
  • Fig. 5 is a table showing the characteristics of the power supply signals of each of the ultrasonic sources in phase shift and in amplification with respect to the carrier.
  • the invention therefore reduces the levels of exposure to ultrasonic waves while maintaining listening comfort identical to that provided by the prior art.
  • comparative measurements were made in order to evaluate the ultrasonic and audible (demodulated) levels, at a distance of 1.5 m from the emitting surface of the enclosure as illustrated in FIG. 2 in three distinct modes of implementation.
  • mode 1 all the transducers of the enclosure are supplied with an identical signal so that the enclosure behaves like a single ultrasonic source.
  • mode 2 the enclosure is implemented in accordance with the method according to the invention so as to differentiate there from eight ultrasonic sources, a central and seven concentric annulars supplied by supply signals presenting a phase shift and a differentiated gain.
  • the respective phase shifts and gains were selected so as to obtain an attenuation of -10dB, relative to the first mode, of the ultrasonic level measured at 1.5m from the emission face of the enclosure defined by the substantially coplanar emission faces of the transducers.
  • mode 3 the enclosure is supplied as in the case of mode 1 so as to form a single ultrasonic source but amplification or gain of the single amplification signal is chosen to so as to obtain an attenuation of ⁇ 10 dB, compared to the first mode, of the ultrasonic level 1.5 m from the emission face of the enclosure, ie the same level of attenuation as in the second mode.
  • measurements were carried out at several measurement points distributed in a circle 20 cm in diameter facing the enclosure.
  • the table below indicates the average of the measurements with for reference in the case of the ultrasonic level the first mode and in the case of demodulated sound (audible) the average ultrasonic level at the level of the speaker in the considered mode.
  • mode 2 corresponding to the implementation of the method according to the invention, it is obtained, with the same ultrasonic level, an audible signal of a level higher than that obtained in mode 3, c that is to say with a single-source ultrasonic enclosure.
  • the invention therefore makes it possible to reduce the level of ultrasonic exposure by reducing the impact of this reduction on the level of the demodulated and therefore audible signal.
  • the invention therefore makes it possible to increase the efficiency of the speaker, namely the ratio between the ultrasonic power emitted and the power of the audio signal audible by a user in the listening area.
  • the transducers constituting the ultrasonic sources are arranged in the hexagon corresponding to the active surface of the enclosure 10 so that a transducer is perfectly concentric with the center of the hexagon.
  • the first ultrasonic source SU1 occupying a central position, then comprises seven ultrasonic transducers placed in staggered rows.
  • the seven annular sources SU2 to SU8 then surround the central source SU1 each having a width of a transducer while retaining the staggered arrangement.
  • Such a configuration makes it possible to obtain a greater density of transducers 15.
  • the supply means 12 are adapted to apply a time phase shift to the input signal located in the acoustic spectrum before the modulation of the carrier by the input signal thus phase shifted. More precisely, the supply means are adapted to induce a time difference in phase of the differentiated input signal for each of the transducers constituting an ultrasonic source and this for all the ultrasonic sources of the enclosure. This time shift is then determined as a function of the distance from each transducer to a plane passing through a target point located in the listening zone or as a function of the distance of each transducer to the so-called target point.
  • the sound signals corresponding to each of the transducers are then used to modulate the carrier so that as many ultrasonic signals are obtained as the enclosure comprises transducers.
  • all of the ultrasonic signals of the transducers constituting the same ultrasonic source are applied the phase shift and the gain corresponding to said source and likely to be different from those associated with other ultrasonic sources.
  • the ultrasonic beam is oriented in space while retaining the assurance that the phase and the amplification level of each carrier allow destructive interference reducing the ultrasonic level to the listening position of the user.
  • the enclosure comprises or is associated with locating means 13 of the listener.
  • These locating means 13 may comprise a position sensor 14 shown in FIG. 3.
  • the setting of the sources 11 is then adjusted as a function of these data in real time.
  • the position sensor 14 can be a camera or any other device making it possible to know the position of the listener.
  • the power supply means 12 are configured to apply a separate gain to different frequency components of the power supply signals SA.
  • the supply means 12 are configured to apply to each supply signal a gain y (f, z) whose value is a function of the frequency f and of the position z of the source SU receiving the signal d 'food.
  • the value of the gain y (f, z) is here defined by an apodization function.
  • the gain could depend only on the frequency f or only on the position z of the source SU.
  • the supply means 12 are further configured here to apply a separate phase shift to different frequency components of the supply signals.
  • the supply means 12 are configured to apply to each supply signal SA a phase shift cp (f, z) whose value is a function of the frequency f of the supply signal SA and of the position z of the ultrasonic source SU.
  • the phase shift could depend solely on the frequency f of the supply signal SA or only on the position z of the ultrasonic source SU.
  • the supply means could be configured to apply only a separate gain or only a separate phase shift to the different frequency components.
  • the apodization functions can be chosen from conventional functions, such as the Hamming window, the Hann window, the Nuttall window, the Blackman window, a rectangular window, or even a combination of these functions.
  • the apodization functions could be tailor-made, depending on the application envisaged.
  • the definition of the apodization function can be done during an experimental phase comprising a measurement of the directivity of the demodulated frequency components, that is to say of the attenuation of the demodulated frequency components according to their position relative to the enclosure and a corresponding modification of the gain and phase shift values of the ultrasonic frequency components of the power supply signals SA so as to standardize the directivity of the demodulated (audible) frequency components and thus obtain a sharper listening area.
  • Figures 9 and 10 are polar diagrams representing the directivity of four frequency components C1, C2, C3, C4 of the demodulated beam emitted by two speakers and corresponding respectively to the frequencies 500Hz, 1000Hz, 4000Hz, 8000Hz. For the sake of simplification of the figures, only these four components have been represented although the demodulated beam includes others. In FIG. 9, these components are those of a demodulated beam emitted by a directional enclosure in which the supply means do not apply gain or phase shift to the various frequency components of the supply signals.
  • the components C1 to C4 are those of an audible beam emitted by an enclosure according to the embodiment described above in connection with FIG. 8. It clearly appears that the different frequency components C1 to C4 have similar dimensions and geometries.
  • the listener in the first position PI, the listener always hears a good quality sound comprising all of the frequency components C1 to C4.
  • the listener no longer hears the audio signal at all.
  • the audible beam is better defined and the area of the spaces in which the listener risks perceiving a degraded sound is greatly reduced.
  • the enclosure 10 is a stereophonic enclosure.
  • the arrangement of the sources is analogous to that described in connection with FIG. 2 and the enclosure 10 comprises the seven sources SU1 to SU7, and two semi-annular sources in place of the source SU8 described previously.
  • the enclosure 10 comprises a left semi-annular source SU8g and a right semi-annular source SU8d forming a ring extending around the sources SU1 to SU7, called central sources, and specifically along the seventh source SU7.
  • FIG. 12 schematically illustrates the stereophonic enclosure according to the invention in which the supply means comprise a block 21 of filters separators by frequency bands.
  • the supply means 12 are configured to receive a first channel signal SCg, or left signal, and a second channel signal SCd, or straight signal, and for summing the frequency components BFg and BFd located in a lower frequency band of the two channel signals SCg and SCd, for example but not limitatively a frequency band between lOOFIz and 4KFIz, so as to form a low signal frequency BF.
  • the supply means 12 are further configured to perform a first summation of the frequency components HFg located in a higher frequency band of the first channel signal SCg, for example but not limited to a frequency band between 4KHz and 16Khz , with the low frequency signal BF so as to form a first input signal SEg, or left input signal, and to carry out a second summation of the frequency components HFd located in the upper frequency band of the second channel signal SCd, with the low frequency signal BF so as to form a second input signal SEd, or right input signal.
  • a first summation of the frequency components HFg located in a higher frequency band of the first channel signal SCg for example but not limited to a frequency band between 4KHz and 16Khz
  • the supply means 12 are further configured to perform a first summation of the frequency components HFg located in a higher frequency band of the first channel signal SCg, for example but not limited to a frequency band between 4KHz and 16Khz , with the low frequency signal BF so as
  • frequency bands for example a lower frequency band between 100 Hz and 8 kHz and a higher frequency band between 8 kHz and 16 kHz.
  • the choice of frequency bands may for example depend on the configuration of the enclosure, in particular the number and / or the nature of the transducers, the size of the emitting surface of the enclosure, etc.
  • the supply means 12 are configured to generate a supply signal SAg for the left semi-annular source SU8g from the first input signal SEg, a second supply signal SAd for the semi-annular source right SU8d from the second input signal SEd and a third power supply signal SEc from the sources SU1 to SU7 from the low frequency signal BF.
  • the enclosure 10 may include more semi-annular sources, and in particular only semi-annular sources. It is also possible that the stereo speaker has a different number of central sources.
  • the ultrasonic sources are constituted by ultrasonic transducers all of the same model and characteristic.
  • the sources 11 can be composed of different models of transducers 15 having different acoustic characteristics such as a different resonant frequency, a different carrier frequency, a different bandwidth or a different frequency response. The settings will be made according to these new parameters.

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Abstract

Enceinte acoustique (10) comprenant: -au moins deux sources (11) aptes à produire des signaux ultrasonores (SU), et -des moyens d'alimentation (12) adaptés pour traiter et amplifier au moins un signal d'entrée (SE) de manière à produire pour lesdites sources (11) des signaux d'alimentation (SAn) de même fréquence et de phases différentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation sont configurés pour appliquer des gains et/ou des déphasages distincts à au moins deux composantes fréquentielles distinctes de l'un au moins des signaux d'alimentation. Et procédé de modulation du signal pour une telle enceinte ultrasonore.

Description

Description
Titre de l'invention : Enceinte acoustique et procédé de modulation pour une enceinte acoustique
[0001] La présente invention concerne de manière générale le domaine des enceintes acoustiques directionnelles, et notamment celles qui utilisent les propriétés de non-linéarités acoustiques de l'air pour recréer du son audible à partir d'ultrasons.
[0002] Elle concerne en particulier une enceinte acoustique comprenant au moins deux sources aptes à produire des signaux ultrasonores, et des moyens d'alimentation adaptés pour traiter et amplifier un signal d'entrée de manière à produire pour lesdites sources des signaux d'alimentation d'amplitudes et de phases différentes.
[0003] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse lorsqu'un son doit être diffusé à destination d'un seul auditeur ou d'un nombre réduit d'auditeurs, dans un volume limité, à distance des enceintes.
[0004] Les propriétés de non linéarité acoustiques de l'air permettent de recréer du son audible à partir d'ultrasons uniquement. En effet, lorsque deux ondes ultrasonores, émises à un fort niveau sonore (typiquement au-dessus de 100 dB), se propagent dans l'air, elles interagissent en convertissant une partie de leur énergie pour former deux nouvelles ondes dont les fréquences sont, d'une part, la différence entre les deux fréquences ultrasonores et, d'autre part, la somme entre les deux fréquences ultrasonores. Si l'onde « somme » se situe dans le domaine ultrasonore et se trouve donc inaudible, l'onde « différence » se situe dans le domaine audible dès lors que l'écart fréquentiel entre les deux ondes ultrasonores est inférieur à 20 kHz. Ce phénomène non-linéaire, survenant dans l'air, est appelé « l'auto démodulation ». Cet effet acoustique survient en chaque point du faisceau ultrasonore émis par le haut-parleur tant que l'énergie résiduelle des ondes ultrasonores est suffisamment élevée pour le générer. Toutes les ondes audibles démodulées en un point du faisceau se propagent le long de ce dernier et interagissent de façon constructive avec les ondes audibles démodulées au point suivant (leurs amplitudes s'additionnent, on parle d'antenne virtuelle). De ce fait, un nouveau faisceau, appelé faisceau secondaire, apparaît. Sa directivité est semblable à celle du faisceau ultrasonore, car les ondes audibles démodulées interagissent peu en dehors du faisceau ultrasonore.
[0005] Afin de mettre en place un système d'émission ultra-directionnel pour diffuser des signaux audios, la première étape à effectuer est de translater les signaux audios, compris entre 20 Hz et 20 kHz, dans le domaine ultrasonore. Pour cela, la modulation en amplitude, méthode issue du domaine des télécommunications, est mise en oeuvre. Une porteuse ultrasonore (ou signal ultrasonore porteur) est modulée par le signal audio d'entrée. En résulte un signal modulé dont la bande passante, d'environ 20kHz, se situe exclusivement dans le domaine ultrasonore. Ce signal modulé est transmis à des transducteurs piézoélectriques qui entrent en vibration et émettent dans l'air les ondes ultrasonores correspondantes selon un cône de diffusion.
[0006] On connaît plusieurs études théoriques et expérimentales à travers le document «
Parametric audible sounds by phase cancellation excitation of primary waves », de T. Kamakura, S. Sakai, H. Nomura et M. Akiyama, présenté lors de la conférence Acoustics'08 Paris en 2008. Ces études menées en laboratoires ont proposé des méthodes afin de réduire considérablement le niveau de la porteuse ultrasonore au centre du faisceau ultrasonore. La méthode la plus simple est de considérer une surface d'émission circulaire. En ajoutant une seconde surface d'émission indépendante en forme d'anneau autour de la surface circulaire, de sorte que les deux surfaces aient la même aire, il est possible de moduler les signaux à transmettre avec deux porteuses de même fréquence mais de phases différentes sur chaque surface. Ainsi, en choisissant convenablement la phase de la porteuse émise sur la surface annulaire, les deux porteuses interagissent de façon destructive à une certaine distance de propagation et s'annulent donc. Le dimensionnement de l'antenne émettrice permet alors de varier la distance à laquelle les faisceaux émis par chaque surface s'annulent. Les études ont montré que les niveaux audibles démodulés ne sont que peu impactés par l'annulation de la porteuse.
[0007] Cette méthode présente des inconvénients. D'une part, la réduction d'amplitude de la porteuse n'est valable qu'au centre du faisceau ultrasonore total, ce qui est inconfortable et peu pratique pour l'auditeur. D'autre part, les lobes secondaires du faisceau se trouvent augmentés, ce qui peut modifier la directivité de l'enceinte et occasionner une exposition de l'auditeur à des niveaux d'ultrasons non souhaités.
[0008] L'invention vise à remédier à ces inconvénients de manière à garantir la qualité et le niveau du signal sonore perçu par l'auditeur en réduisant les niveaux de puissance des ondes ultrasonores émises.
[0009] Afin d'atteindre cet objectif, l'invention concerne une enceinte acoustique dont l'un au moins desdits signaux d'alimentation a un niveau d'amplification différent des autres signaux d'alimentation. [0010] Ainsi l'invention concerne une enceinte acoustique comprenant :
- au moins deux sources aptes à produire des signaux ultrasonores, et
- des moyens d'alimentation adaptés pour traiter et amplifier au moins un signal d'entrée de manière à produire pour lesdites sources des signaux d'alimentation de même fréquence et de phases différentes,
caractérisé en ce que les moyens d'alimentation sont configurés pour appliquer des gains et/ou des déphasages distincts à deux composantes fréquentielles distinctes de l'un au moins des signaux d'alimentation .
[0011] Ainsi grâce à l'invention, on obtient notamment un meilleur contrôle sur le faisceau
ultrasonore, et en particulier sur les tailles des lobes principaux des différentes composantes fréquentielles du faisceau ultrasonore, et donc sur celles du faisceau démodulé, c'est-à-dire du faisceau audible, ainsi qu'une réduction du niveau de la porteuse ultrasonore sur une zone plus large que celles obtenues jusqu'alors, élargissant alors la zone d'écoute.
[0012] Avantageusement, appliquer un gain distinct à différentes composantes fréquentielles du signal permet d'agrandir plus facilement la taille du lobe principal, tout en réduisant les lobes secondaires, tandis qu'appliquer un déphasage distinct à différentes composantes fréquentielles permet de rétrécir plus facilement la taille du lobe principal.
[0013] Une combinaison de gains et de déphasages distincts permet d'obtenir plus aisément et plus efficacement un compromis entre la taille du lobe principal et celle des lobes secondaires.
[0014] Avantageusement, ce contrôle amélioré empêche l'émergence de lobes secondaires de niveaux trop élevés. Un autre avantage notable est l'encadrement des effets sanitaires dus à l'exposition prolongée aux ondes ultrasonores. En effet, bien qu'aucune norme ne soit établie en France concernant l'exposition prolongée aux ondes ultrasonores, différents organismes et pays proposent des tables de niveaux d'exposition suivant les bandes fréquentielles et les durées d'écoute, l'invention permet de respecter ces tables.
[0015] Les gains et les déphasages peuvent être des fonctions d'apodisation dépendantes de la fréquence de la composante fréquentielle.
[0016] Les gains et les déphasages peuvent être des fonctions d'apodisation dépendantes de la position de la source ultrasonore. [0017] Les fonctions d'apodisation sont particulièrement avantageuses car elles permettent une réduction efficace des lobes secondaires.
[0018] Selon une caractéristique de l'invention les sources ultrasonores sont concentriques et s'étendent de façon annulaire autour d'une source centrale. Cette caractéristique permet lors de la mise en oeuvre d'une alimentation différenciée selon l'invention, d'obtenir un meilleur rendement que les enceintes selon l'art antérieur. Par rendement il est entendu le rapport entre le niveau moyen du signal audible résultant de la démodulation constructive des ondes ultrasonores et le niveau moyens des ondes ultrasonore.
[0019] Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'alimentation sont configurés pour
- recevoir un premier signal de canal et un deuxième signal de canal,
- sommer les composantes fréquentielles situées dans une bande de fréquence inférieure des deux signaux de canal de façon à former un signal basse fréquence,
- sommer les composantes fréquentielles situées dans une bande de fréquence supérieure du premier, respectivement deuxième, signal de canal avec le signal basse fréquence de façon à former un premier, respectivement deuxième, signal d'entrée,
- générer un premier signal d'alimentation pour une première source à partir du premier signal d'entrée, un deuxième signal d'alimentation pour une deuxième source à partir du deuxième signal d'entrée et un troisième signal d'alimentation pour la source centrale à partir du signal basse fréquence.
[0020] Il est ainsi possible de générer, par une même enceinte, deux signaux audibles formant par exemple un signal audio stéréophonique. Ici, seules les composantes de plus haute fréquence des signaux de canaux sont émises de façon stéréophonique, les composantes de plus basse fréquence étant combinées et émise par toutes les sources. Cela permet avantageusement d'optimiser la puissance sonore ; en effet, bien que le niveau audible, c'est-à-dire la puissance sonore du signal, soit proportionnelle à la surface d'émission, elle est aussi proportionnelle au carré de sa fréquence. Ainsi, pour les plus hautes fréquences, l'atténuation engendrée par la répartition des composantes hautes fréquences de chacun des signaux de canal sur certaines seulement des sources ultrasonores est négligeable.
[0021] Avantageusement, la première source et la deuxième source peuvent former ensemble un même anneau s'étendant autour de la source centrale.
[0022] Ainsi, un même anneau de l'enceinte audio est employé à la génération du signal stéréophonique. L'enceinte demeure ainsi compacte. [0023] Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdites au moins deux sources sont des ensembles d'au moins deux transducteurs piézoélectriques adjacents deux à deux pour définir une surface sensiblement continue. Les transducteurs sont juxtaposés et, puisqu'ils sont généralement de forme cylindrique, ils ne peuvent pas couvrir une surface totalement continue, ils forment une surface sensiblement continue. L'utilisation de transducteurs piézoélectriques pour émettre des signaux ultrasonores est simple et peu onéreuse, et connue pour ce type d'enceinte. Le choix du modèle de transducteurs piézoélectriques peut se faire en fonction du dimensionnement de l'enceinte, ainsi que de la zone d'écoute voulue.
[0024] Selon une caractéristique de l'invention, les moyens d'alimentation comprennent un processeur de signal adapté pour générer, à partir d'un signal électrique d'entrée audio, des signaux d'alimentation résultant de la modulation d'une porteuse d'une fréquence sensiblement supérieure à 20 kHz par ledit signal d'entrée. La porteuse, dont les caractéristiques sont sa fréquence fp, sa phase 0h et son niveau d'amplification 0n, correspond à la modulation du signal d'entrée à destination de la nième source. Un processeur de signal peut comporter différents éléments et outils de modulation, connus de l'homme de métier et facile à installer.
[0025] Selon une autre caractéristique de l'invention les moyens d'alimentation sont adaptés pour générer un signal d'alimentation différencié pour chacun des transducteurs ultrasonores de l'enceinte et constitutifs des sources ultrasonores.
[0026] Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte comprend des moyens de localisation en temps réels d'un auditeur, et les signaux d'alimentation sont traités et amplifiés en fonction de la position dudit auditeur. Ainsi il est possible de définir une zone d'écoute qui change selon la position de l'auditeur. Ces moyens de localisation peuvent comprendre un capteur de position de type caméra infrarouge qui détecte en temps réel la position de l'auditeur. L'auditeur a une liberté de mouvement, tout en gardant le même niveau sonore. De plus, cette adaptabilité permet de garantir que l'auditeur ne puisse jamais être exposé sur une longue durée à des niveaux ultrasonores trop importants dans la zone proche de l'enceinte. Un autre avantage est que si un tiers vient se placer entre l'auditeur et l'enceinte, le niveau sonore s'adaptera à ce tiers et donc ce dernier ne sera pas non plus exposé à des niveaux trop élevés d'ultrasons. [0027] Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal d'alimentation résulte d'une modulation d'amplitude ou de fréquence ou de largeur d'impulsions d'une porteuse par le signal d'entrée. Ces méthodes de modulation sont connues de l'homme du métier.
[0028] L'invention concerne également un procédé de modulation pour une enceinte acoustique comprenant les étapes :
- une étape de définition d'au moins deux sources de la surface émettrice de l'enceinte ;
- une étape d'alimentation de chacune des sources par un signal d'alimentation résultant de la modulation d'une porteuse de même fréquence par un signal d'entrée, pour chacune desdites sources, ladite porteuse possédant un niveau d'amplification différent et une phase différente pour au moins une source
- une étape d'application de gains et/ou de déphasages distincts à au moins deux composantes fréquentielles de l'un au moins des signaux d'alimentation
[0029] Les gains et les déphasages peuvent être des fonctions d'apodisation dépendantes de la fréquence de la composante fréquentielle.
[0030] Les gains et les déphasages peuvent être des fonctions d'apodisation dépendantes de la position de la source ultrasonore.
[0031] Le procédé peut comprendre une étape d'application de déphasages distincts à au moins deux composantes fréquentielles d'au moins un signal d'alimentation.
[0032] Selon un mode de mise en oeuvre, l'enceinte comporte une première source et une
deuxième source semi-annulaires formant ensemble un même anneau s'étendant autour d'une source centrale, le procédé comprenant
- une étape de réception d'un premier signal de canal et d'un deuxième signal de canal,
- une étape de sommation des composantes fréquentielles situées dans une bande de fréquence inférieure des deux signaux de canal de façon à former un signal basse fréquence,
- une première, respectivement deuxième, sommation des composantes fréquentielles située dans une bande de fréquence supérieure du premier, respectivement deuxième, signal de canal avec le signal basse fréquence de façon à former un premier,
respectivement deuxième, signal d'entrée,
- une étape de génération d'un premier signal d'alimentation pour la première source à partir du premier signal d'entrée , d'un deuxième signal d'alimentation pour la deuxième source à partir du deuxième signal d'entrée, et d'un troisième signal d'alimentation pour la source centrale à partir du signal basse fréquence. [0033] Selon une caractéristique du procédé selon l'invention, les sources sont des ensembles composés d'au moins deux transducteurs piézoélectriques adjacents deux à deux pour définir une surface sensiblement continue.
[0034] Selon une autre caractéristique de l'invention, le réglage du niveau d'amplification et des phases des porteuses des sources est tel que le niveau ultrasonore de la porteuse est réduit par interférences destructrices, sur au moins la zone d'écoute.
[0035] Bien entendu, les différentes variantes et formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
[0036] De même, les différentes caractéristiques, variantes et formes de mise en oeuvre du procédé selon l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
[0037] De plus, diverses autres caractéristiques de l’invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l’invention et où :
[0038] [Fig. 1] représente un schéma de principe d’une enceinte acoustique selon l'invention comprenant n sources ultrasonores ;
[0039] [Fig.2] une vue de face schématique d'une enceinte selon l'invention comprenant huit sources ultrasonores concentriques comprenant chacune une pluralité de transducteurs ultrasonores ;
[0040] [Fig.3] représente une vue schématique du cône de perception acoustique de l'enceinte ultrasonore illustrée Fig. 2 lorsqu'elle est alimentée ;
[0041] [Fig. 4] représente, en section axiale, l'intensité du champ ultrasonore émis par l'enceinte illustrée Fig. 2 lorsque que toutes les sources ultrasonores de l'enceinte sont toutes alimentées par le même signal résultant de la modulation de la porteuse par le signal acoustique.
[0042] [Fig. 5] représente un tableau de valeurs de phase et niveaux d'amplification normalisés des signaux d'alimentation de sources ultrasonores de l'enceinte selon la Fig. 2 dans le cadre de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; [0043] [Fig. 6] représente, en section axiale, l'intensité du champ ultrasonore émis par l'enceinte illustrée Fig. 2 lorsque que toutes les sources ultrasonores de l'enceinte sont toutes alimentées par les signaux d'alimentation selon le tableau de la Fig.5 .
[0044] [Fig. 7] représente une vue de face schématique d'une variante de l'enceinte selon l'invention comprenant huit sources ultrasonores concentriques comprenant chacune une pluralité de transducteurs ultrasonores.
[0045] [Fig. 8] représente un schéma de principe d’une enceinte acoustique selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant n sources ultrasonores ;
[0046] [Fig. 9] représente certaines composantes d'un faisceau audible d'une enceinte directionnelle.
[0047] [Fig. 10] représente certaines composantes d'un faisceau audible d'une enceinte selon un mode de réalisation de l'invention.
[0048] [Fig. 11] est une vue de face schématique d'une enceinte acoustique stéréophonique selon un mode de réalisation de l'invention comprenant sept sources ultrasonores annulaires concentriques et deux sources semi-annulaires, comprenant chacune une pluralité de transducteurs ultrasonores ;
[0049] [Fig. 12] représente un schéma de principe d’une enceinte acoustique stéréophonique selon un mode de réalisation de l'invention et comprenant n sources ultrasonores.
[0050] Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
[0051] Une enceinte 10 unidirectionnelle conforme à l'invention telle qu'illustrée de manière schématique Fig. 1 comprend une série de sources ultrasonores SU1 à Sun désignées dans leur ensemble par la référence 11. Les sources 11 sont alimentées par des moyens d'alimentation 12 assurant le traitement d'un signal audio d'entrée SE.
[0052] Les moyens d'alimentation 12 sont adaptés pour générer à partir du signal audio d'entrée
SE autant de signaux d'alimentation SA1 à SAn que l'enceinte comprend de sources ultrasonores SU1 à SUn. Les moyens d'alimentation peuvent notamment être constitués par un processeur de traitement du signal dédié mais aussi par tout autre système de traitement du signal adapté résultant de l'assemblage de composants électroniques discrets et/ou intégrés. [0053] Le signal audio d'entrée SE est généré à partir d'une source audio, telle qu'un téléphone, un ordinateur, une chaîne hi-fi, connectée à l'enceinte, par exemple par un câble audio. Il est aussi envisageable un boîtier Bluetooth ou WI-FI pour récupérer ce signal audio d'entrée SE. Le signal audio d'entrée peut également provenir d'un système adapté intégré à l'enceinte 10 comprenant des moyens de lecture d'une mémoire amovible ou non et des moyens de génération d'un signal audio d'entrée correspondant sensiblement au signal susceptible d'alimenter un transducteur sonore tel que par exemple une oreillette.
[0054] Les moyens d'alimentation 12 sont alors adaptés pour moduler des porteuses P ultrasonores à partir du signal audio d'entrée SE pour générer les signaux d'alimentation SAn. Les porteuses P possèdent toutes la même fréquence relativement élevée fp dans le domaine ultrasonore, supérieure à 20kHz et sont générées à partir d'une porteuse de référence. Cependant, les moyens d'alimentation 12 sont adaptés pour appliquer, selon les besoins du procédé conforme à l'invention, des niveaux d'amplification et des phases différents par rapport à la porteuse de référence aux signaux d'alimentations SA1 à SAn alimentant respectivement les sources ultrasonore SU1 à SUn. Ainsi, le signal d'alimentation SAn alimentant la source SUn résulte de la modulation de la porteuse de référence par le signal d'entrée SE avec une amplification ou gain associé ïn et un déphasage associé cpn . Il y aura donc n niveaux d'amplification T et n phases cp.
[0055] Selon une caractéristique essentielle de l'invention, d'une part, au moins un niveau d'amplification associé à une source ultrasonore possède une valeur différente de celle d'au moins un niveau d'amplification associé à une autre source ultrasonore et, d'autre part, au moins un déphasage associé à une source ultrasonore possède une valeur différente de celle d'au moins un déphasage associé à une autre source ultrasonore. En d'autres termes, tous les niveaux d'amplification n'ont pas la même valeur et tous les déphasages n'ont également pas la même valeur.
[0056] Afin, de mettre en oeuvre ce procédé de commande ou de modulation des signaux pour une enceinte acoustique directionnelle, l'invention propose, de réaliser et disposer les sources ultrasonores comme illustré à la figure 2.
[0057] Ainsi selon cette forme de réalisation de l'invention, l'enceinte 10 comprend deux cents transducteurs piézoélectriques 15 qui sont ici de forme cylindrique de même diamètre, répartis sur une surface hexagonale sensiblement régulière inscrite dans un cercle C. Les transducteurs de forme cylindrique sont disposés de manière à paver au mieux la surface hexagonale sachant qu'aucun transducteur n'est centré sur le centre de la surface hexagonale.
[0058] Selon l'exemple illustré les deux cents transducteurs sont répartis en huit groupes formant chacun une source ultrasonore. Les huit sources 11 sont disposées de manière à être concentriques et donc toutes centrée sur le centre de la surface hexagonale et du cercle C. Ainsi, une première source occupe une région centrale de la surface hexagonale et comprend quatre transducteurs inscrits dans un hexagone. Les sept autres sources sont constituées par des anneaux concentriques de forme sensiblement hexagonale chaque anneau étant pavé par des transducteurs et présentant une largeur sensiblement équivalente au diamètre d'un transducteur ultrasonore.
[0059] Les sources 11 sont pilotées les moyens d'alimentation 12 qui fournissent pour chaque source 11 un signal d'alimentation respectivement SA1 à SA8.
[0060] Lors de l'alimentation des sources ultrasonores par les moyens alimentation 12, des ondes acoustiques sont émises dans l'air avec un cône de perception illustré schématiquement à la Fig. 3. Ce cône correspondant à la région de l'espace dans laquelle les ondes ultrasonores ont une intensité suffisante pour générer par auto-démodulation un signal acoustique perceptible par l'oreille humaine, autrement dit, audible. Ce cône de perception possède un angle au sommet inférieur à 50° et dont l'axe AA passe par le centre de l'enceinte c'est la raison pour laquelle on parle d'enceinte directionnelle. Il existe, dans le cône de perception, une zone d'écoute, hachurée sur la Fig. 3, dans laquelle un auditeur est susceptible d'entendre parfaitement le signal acoustique résultant de l'auto-démodulation des ondes ultrasonores. La distance de la zone d'écoute à l'enceinte résulte des caractéristiques de la modulation de la porteuse P par le signal audio d'entrée SE.
[0061] Lors de l'alimentation de l'ensemble des sources ultrasonores et donc de tous les transducteurs par un seul et même signal résultant de la modulation de la porteuse P par le signal d'entrée SE comme le propose l'art antérieur, c'est-à-dire lorsque toutes les sources sont alimentées avec le même niveau d'amplification et le même déphasage par rapport à la porteuse, une section du champ ultrasonore généré par l'enceinte est illustrée à la Fig.4. Ce champ correspond à celui nécessaire pour permettre une écoute de qualité satisfaisante dans la zone d'écoute. Or, il apparaît que la zone la plus sombre dans laquelle l'intensité est la plus important est relativement étendue de sorte qu'un sujet se trouvant dans le cône de perception est soumis à une intensité ultrasonore relativement importante susceptible de ne pas respecter les recommandations en matière de niveau d'exposition. [0062] L'invention permet de remédier à cet inconvénient en assurant une alimentation différenciée des sources ultrasonores. Ainsi, conformément au procédé de modulation selon l'invention, les moyens d'alimentation sont adaptés pour appliquer un déphasage et une amplification différentiés à chacun des signaux d'alimentation SA1 à SA8 dont la phase et le niveau d'amplification de la porteuse ultrasonore P sont différents (la fréquence des porteuses étant identique pour chaque source 11).
[0063] Selon l'exemple illustré, les niveaux d'amplification de la porteuse P pour les différentes sources ultrasonores SU1 à SU8, tels que définies précédemment, évoluent en valeurs normalisées entre OdB et -60 dB. Les phases de la porteuse pour ces différents ensembles de transducteurs 15 évoluent entre - p rad et p rad. La Fig. 5 est un tableau indiquant les caractéristiques des signaux d'alimentation de chacune des sources ultrasonores en déphasage et en amplification par rapport à la porteuse.
[0064] Lors de l'alimentation des sources SU1 à SU8 constitutive de l'enceinte selon l'invention avec de tels signaux, il en résulte l'émission d'un champ ultrasonore dont l'intensité vue en section axial du cône de perception correspond à la Fig.6. Il apparaît que les régions de forte intensité sont moins étendues que dans le cas de l'alimentation uniforme des sources ultrasonores alors même que la qualité de perception du signal sonore par un auditeur est sensiblement identique.
[0065] L'invention permet donc de diminuer les niveaux d'exposition aux ondes ultrasonores tout en conservant un confort d'écoute identique à celui procuré par l'art antérieur. A cet égard, il a été effectué des mesures comparatives afin d'évaluer les niveaux ultrasonores et audibles (démodulés), à une distance de 1,5 m de la surface d'émission de l'enceinte telle qu'illustrée à la figure 2 dans trois modes de mise en oeuvre distincts.
[0066] Dans un premier mode de mise en oeuvre, mode 1, l'ensemble des transducteurs de l'enceinte sont alimentés avec un signal identique de sorte que l'enceinte se comporte comme une unique source ultrasonore.
[0067] Dans un deuxième mode de mise en oeuvre, mode 2, l'enceinte est mise en oeuvre conformément au procédé selon l'invention de manière à y différencier huit sources ultrasonores une centrale et sept annulaires concentrique alimentées par des signaux d'alimentation présentant un déphasage et un gain différencié. Dans ce deuxième mode de mise en oeuvre, les déphasages et gains respectifs ont été sélectionnés de manière à obtenir une atténuation de -lOdB, par rapport au premier mode, du niveau ultrasonore mesuré à 1,5m de la face d'émission de l'enceinte définie par les faces d'émission sensiblement coplanaires des transducteurs.
[0068] Dans un troisième mode de mise en oeuvre, mode 3, l'enceinte est alimentée comme dans le cas du mode 1 de manière à former une unique source ultrasonore mais amplification ou gain de l'unique signal d'amplification est choisi de manière à obtenir une atténuation de - lOdB, par rapport au premier mode, du niveau ultrasonore à 1,5m de la face d'émission de l'enceinte soit le même niveau d'atténuation que dans le deuxième mode.
[0069] Pour les trois modes de mise en oeuvre, il a été procédé des mesures en plusieurs points de mesure répartis dans un cercle de 20 cm de diamètre face à l'enceinte. Le tableau ci- dessous indique la moyenne des mesures avec pour référence dans le cas du niveau ultrasonore le premier mode et dans le cas du son démodulé (audible) le niveau ultrasonore moyen au niveau de l'enceinte dans le mode considéré.
[0070] [Tableau 1]
[0071] Il apparaît que dans le mode 2, correspondant à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est obtenu, avec un même niveau ultrasonore, un signal audible d'un niveau supérieur à celui obtenu au mode 3, c'est-à-dire avec une enceinte ultrasonore monosource. L'invention permet donc de réduire le niveau d'exposition ultrasonore en réduisant l'impact de cette diminution sur le niveau du signal démodulé et donc audible. L'invention permet donc d'augmenter le rendement de l'enceinte à savoir le rapport entre la puissance ultrasonore émise et la puissance du signal audio audible par un utilisateur dans la zone d'écoute.
[0072] Selon une variante de réalisation de l'invention plus particulièrement illustrée Fig. 7, les transducteurs constitutifs des sources ultrasonore sont disposés dans l'hexagone correspondant à la surface active de l'enceinte 10 de manière qu'un transducteur est parfaitement concentrique avec le centre de l'hexagone. La première source ultrasonore SU1, occupant une position centrale, comprend alors sept transducteurs ultrasonores placés en quinconces. Les sept sources annulaires SU2 à SU8 entourent alors la source centrale SU1 en ayant chacune une largeur d'un transducteur tout en conservant la disposition en quinconce. Une telle configuration permet d'obtenir une plus grande densité de transducteurs 15. Ainsi il est possible de placer 217 transducteurs alors que selon la forme illustrée à la Fig.2 il y a 200 transducteurs disposés dans un hexagone de même surface.
[0073] Par ailleurs dans une autre forme de réalisation de l'invention et de manière à permettre de décaler angulairement l'axe du cône de perception par rapport à l'axe AA de l'enceinte, les moyens d'alimentation 12 sont adaptés pour appliquer un déphasage temporel au signal d'entrée situé dans le spectre acoustique avant la modulation de la porteuse par le signal d'entrée ainsi déphasé. Plus précisément, les moyens d'alimentation sont adaptés pour induire un déphasage temporel du signal d'entrée différentié pour chacun des transducteurs constitutifs d'une source ultrasonore et cela pour toutes les sources ultrasonores de l'enceinte. Ce déphasage temporel est alors déterminé en fonction de la distance de chaque transducteur à un plan passant par un point cible situé dans la zone d'écoute ou en fonction de la distance de chaque transducteur au point dit cible. Les signaux sonores correspondants à chacun des transducteurs sont alors utilisés pour moduler la porteuse de sorte qu'il est obtenu autant de signaux ultrasonores que l'enceinte comprend de transducteurs. Conformément au procédé selon l'invention, l'ensemble des signaux ultrasonores des transducteurs constitutif d'une même source ultrasonore se voit appliquer le déphasage et le gain correspondants à ladite source et susceptible d'être différents de ceux associés aux autres sources ultrasonores. Ainsi le faisceau ultrasonore est orienté dans l'espace tout en conservant l'assurance que la phase et le niveau d'amplification de chaque porteuse permettent des interférences destructrices réduisant le niveau ultrasonore à la position d'écoute de l'utilisateur.
[0074] Dans la cadre de cette forme de réalisation, l'enceinte comprend ou est associée à des moyens de localisation 13 de l'auditeur. Ces moyens de localisations 13 peuvent comprendre un capteur de position 14 représenté figure 3. Le réglage des sources 11 est alors ajusté en fonction de ces données en temps réels. Le capteur de position 14 peut être une caméra ou tout autre dispositif permettant de connaître la position de l'auditeur.
[0075] Selon une variante de réalisation de l'invention illustrée par la figure 8, les moyens d'alimentations 12 sont configurés pour appliquer un gain distinct à différentes composantes fréquentielles des signaux d'alimentation SA. Par exemple, les moyens d'alimentation 12 sont configurés pour appliquer à chaque signal d'alimentation un gain y(f, z) dont la valeur est une fonction de la fréquence f et de la position z de la source SU recevant le signal d'alimentation. En particulier, la valeur du gain y(f, z) est ici définie par une fonction d'apodisation. En variante, le gain pourrait dépendre uniquement de la fréquence f ou uniquement de la position z de la source SU.
[0076] Les moyens d'alimentation 12 sont en outre configurés ici pour appliquer un déphasage distinct à différentes composantes fréquentielles des signaux d'alimentation. Par exemple, les moyens d'alimentation 12 sont configurés pour appliquer à chaque signal d'alimentation SA un déphasage cp(f, z) dont la valeur est une fonction de la fréquence f du signal d'alimentation SA et de la position z de la source ultrasonore SU. En variante, le déphasage pourrait dépendre uniquement de la fréquence f du signal d'alimentation SA ou uniquement de la position z de la source ultrasonore SU.
[0077] En variante, les moyens d'alimentation pourraient être configurés pour appliquer uniquement un gain distinct ou uniquement un déphasage distinct au différentes composantes fréquentielles.
[0078] Par exemple, les fonctions d'apodisation peuvent être choisies parmi des fonctions classiques, telles que la fenêtre de Hamming, la fenêtre de Hann, la fenêtre de Nuttall, la fenêtre de Blackman, une fenêtre rectangulaire, ou encore une combinaison de ces fonctions.
[0079] En outre, les fonctions d'apodisation pourraient être définies sur mesure, en fonction de l'application envisagée. Par exemple, la définition de la fonction d'apodisation peut se faire lors d'une phase expérimentale comportant une mesure de la directivité des composantes fréquentielles démodulées, c'est à dire de l'atténuation des composantes fréquentielles démodulées selon leur position par rapport à l'enceinte et une modification correspondante des valeurs de gain et de déphasage des composantes fréquentielles ultrasonores des signaux d'alimentation SA de façon à uniformiser la directivité des composantes fréquentielles démodulées (audibles) et ainsi obtenir une zone d'écoute plus nette. En variante, il est également possible d'utiliser, lors de la phase expérimentale, un modèle acoustique non-linéaire permettant de prédire la directivité des fréquences démodulées comme une fonction de la directivité de la porteuse et de la composante fréquentielle ultrasonore (modulée).
[0080] Les figures 9 et 10 sont des diagrammes polaires représentant la directivité de quatre composantes fréquentielles Cl, C2, C3, C4 du faisceau démodulé émis par deux enceintes et correspondant respectivement aux fréquences 500Hz, 1000Hz, 4000Hz, 8000Hz. A des fins de simplification des figures, seules ces quatre composantes ont été représentées bien que le faisceau démodulé en comprenne d'autres. [0081] Sur la figure 9, ces composantes sont celles d'un faisceau démodulé émis par une enceinte directionnelle dans laquelle les moyens d'alimentation n'appliquent pas de gain ni de déphasage aux différentes composantes fréquentielles des signaux d'alimentation.
[0082] Il apparaît distinctement que les différentes composantes fréquentielles démodulée présentent des formes différentes. Ainsi, un auditeur situé à une première position PI face à l'enceinte entendrait un signal de bonne qualité comportant toutes ces composantes fréquentielles.
[0083] Toutefois en se plaçant à une deuxième position P2, l'auditeur ne percevrait que certaines de ces composantes fréquentielles seulement, c'est-à-dire qu'il percevrait un son dégradé et donc gênant.
[0084] Sur la figure 10, les composantes Cl à C4 sont celles d'un faisceau audible émis par une enceinte selon le mode de réalisation décrit précédemment en lien avec la figure 8. Il apparaît distinctement que les différentes composantes fréquentielles Cl à C4 présentent des dimensions et géométries similaires.
[0085] Ainsi, à la première position PI, l'auditeur entend toujours un son de bonne qualité comportant l'ensemble des composantes fréquentielles Cl à C4. A la deuxième position P2, l'auditeur n'entend plus du tout le signal audio. Ainsi, puisque les géométries des composantes du faisceau audible sont similaires, le faisceau audible est mieux défini et la zone de l'espaces dans laquelle l'auditeur risque de percevoir un son dégradé est fortement réduite.
[0086] Selon une variante de réalisation illustrée par la figure 11, l'enceinte 10 est une enceinte stéréophonique. Ainsi, la disposition des sources est analogue à celle décrite en lien avec la figure 2 et l'enceinte 10 comporte les sept sources SU1 à SU7, et deux sources semi- annulaires à la place de la source SU8 décrite précédemment.
[0087] L'enceinte 10 comporte une source semi-annulaire gauche SU8g et une source semi- annulaire droite SU8d formant un anneau s'étendant autour des sources SU1 à SU7, dîtes sources centrales, et spécifiquement le long de la septième source SU7.
[0088] La figure 12 illustre schématiquement l'enceinte stéréophonique selon l'invention dans laquelle les moyens d'alimentation comportent un bloc 21 de filtres séparateurs par bandes de fréquence.
[0089] Selon ce mode de réalisation, les moyens d'alimentation 12 sont configurés pour recevoir un premier signal de canal SCg, ou signal gauche, et un deuxième signal de canal SCd, ou signal droit, et pour sommer les composantes fréquentielles BFg et BFd situées dans une bande de fréquence inférieure des deux signaux de canal SCg et SCd, par exemple mais non limitativement une bande de fréquences comprise entre lOOFIz et 4KFIz, de façon à former un signal basse fréquence BF.
[0090] Les moyens d'alimentation 12 sont en outre configurés pour réaliser une première sommation des composantes fréquentielles HFg situées dans une bande de fréquences supérieure du premier signal de canal SCg, par exemple mais non limitativement une bande de fréquence comprise entre 4KHz et 16Khz, avec le signal basse fréquence BF de façon à former un premier signal d'entrée SEg, ou signal d'entrée gauche, et pour réaliser une deuxième sommation des composantes fréquentielles HFd située dans la bande de fréquence supérieure du deuxième signal de canal SCd, avec le signal basse fréquence BF de façon à former un deuxième signal d'entrée SEd, ou signal d'entrée droit.
[0091] Il serait parfaitement possible de choisir des bandes de fréquences différentes, par exemple une bande de fréquences inférieure comprise entre lOOHz et 8kHz et une bande de fréquence supérieure comprise entre 8kHz et 16Khz. Le choix des bandes de fréquences peut par exemple dépendre de la configuration de l'enceinte, notamment le nombre et/ou la nature des transducteurs, la taille de la surface émettrice de l'enceinte, etc.
[0092] Les moyens d'alimentation 12 sont configurés pour générer un signal d'alimentation SAg pour la source semi-annulaire gauche SU8g à partir du premier signal d'entrée SEg, un deuxième signal d'alimentation SAd pour la source semi-annulaire droite SU8d à partir du deuxième signal d'entrée SEd et un troisième signal d'alimentation SEc des sources SU1 à SU7 à partir du signal basse fréquence BF.
[0093] Bien qu'il ait été décrit ici une enceinte stéréophonique comportant seulement deux sources semi-annulaires, il serait possible que l'enceinte 10 comporte davantage de sources semi-annulaires, et en particulier uniquement des sources semi-annulaires. Il serait également possible que l'enceinte stéréophonique comporte un nombre différent de sources centrales.
[0094] Selon les exemples décrits précédemment les sources ultrasonores sont constituées par des transducteurs ultrasonores tous de même modèle et caractéristique. Cependant, les sources 11 peuvent être composées de modèles différents de transducteurs 15 possédant des caractéristiques acoustiques différentes telles qu'une fréquence de résonance différente, une fréquence de porteuse différente, une bande passante différente ou une réponse fréquentielle différente. Les réglages se feront en fonction de ces nouveaux paramètres.
[0095] Bien entendu diverses autres modifications ou variantes de l'enceinte ou du procédé selon l'invention peuvent être envisagées dans le cadre des revendications annexées.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Enceinte acoustique (10) comprenant :
- une première source et au moins une deuxième source (11) aptes à produire des signaux ultrasonores (SU), et
- des moyens d'alimentation (12) adaptés pour traiter et amplifier au moins un signal d'entrée (SE) de manière à produire pour lesdites sources (11) des signaux d'alimentation (SAn) de même fréquence et de phases différentes,
caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (12) sont configurés pour appliquer des gains et/ou des déphasages distincts à au moins deux
composantes fréquentielles distinctes de l'un au moins des signaux
d'alimentation .
[Revendication 2] Enceinte selon la revendication 1, dans laquelle les gains et les déphasages sont des fonctions d'apodisation dépendantes de la fréquence (f) de la composante fréquentielle à laquelle elles sont appliquées.
[Revendication 3] Enceinte selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle les gains et les déphasages sont des fonctions d'apodisation dépendantes de la position (z) de la source ultrasonore à laquelle elles sont appliquées.
[Revendication 4] Enceinte selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les sources ultrasonores sont concentriques et s'étendent de façon annulaire autour d'une source centrale.
[Revendication 5] Enceinte selon la revendication 4, dans laquelle les moyens d'alimentation (12) sont configurés pour
- recevoir un premier signal de canal (SCg) et un deuxième signal de canal (SCd),
- sommer les composantes fréquentielles (BFg, BFd) situées dans une bande de fréquence inférieure des deux signaux de canal (SCg, SCd) de façon à former un signal basse fréquence (BF),
- sommer les composantes fréquentielles (HFg, H Fd) situées dans une bande de fréquence supérieure du premier, respectivement deuxième, signal de canal (SCg, SCd) avec le signal basse fréquence (BF) de façon à former un premier, respectivement deuxième, signal d'entrée (SEg, SEd),
- générer un premier signal d'alimentation (SAg) pour une première source (SU8g) à partir du premier signal d'entrée (SEg), un deuxième signal d'alimentation (SAd) pour une deuxième source (SU8d) à partir du deuxième signal d'entrée (SEd) et un troisième signal d'alimentation (SEc) pour la source central à partir du signal basse fréquence (BF).
[Revendication 6] Enceinte selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle la première source (SU8g) et la deuxième source (SU8d) sont semi-annulaires et forment ensemble un même anneau s'étendant autour de la source centrale
[Revendication 7] Enceinte (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites au moins deux sources (11) sont des ensembles d'au moins deux transducteurs piézoélectriques (15) adjacents deux à deux pour définir une surface sensiblement continue.
[Revendication 8] Enceinte selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens
d'alimentation sont adaptés pour générer un signal d'alimentation différencié pour chacun des transducteurs ultrasonores de l'enceinte et constitutifs des sources ultrasonores.
[Revendication 9] Enceinte (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'alimentation (12) comprennent un processeur de signal (16) adapté pour générer, à partir d'un signal électrique d'entrée audio (SE), des signaux d'alimentation (SAn) résultant de la modulation d'une porteuse (P) d'une fréquence sensiblement supérieure à 20 kHz par ledit signal d'entrée (SE).
[Revendication 10] Enceinte (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comprend des moyens de localisation (13) en temps réels d'un auditeur, et lesdits signaux d'alimentation (SAn) sont traités et amplifiés en fonction de la position dudit auditeur.
[Revendication 11] Enceinte (10) selon la revendication 10, dans laquelle les moyens de localisation
(13) comprennent un capteur de position (14).
[Revendication 12] Enceinte (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le signal d'alimentation (SA) résulte en partie d'une modulation d'amplitude ou de fréquence ou de largeur d'impulsions d'une porteuse (P) par un signal d'entrée (SE).
[Revendication 13] Procédé de modulation pour une enceinte acoustique (10) comprenant les étapes :
- une étape de définition d'une première source et d'au moins une deuxième source (11) de la surface émettrice de l'enceinte (10) ;
- une étape d'alimentation de chacune des sources par signal d'alimentation résultant de la modulation d'une porteuse (P) de même fréquence par un signal d'entrée (SE), ladite porteuse (P) possédant un niveau d'amplification différent et une phase différente pour au moins une source (11)
- une étape d'application de gains et/ou de déphasages distincts à au moins deux composantes fréquentielles distinctes de l'un au moins des signaux d'alimentation (SAn).
[Revendication 14] Procédé selon la revendication 13, dans lequel les gains et les déphasages sont des fonctions d'apodisation dépendantes de la fréquence de la composante fréquentielle.
[Revendication 15] Procédé selon la revendication 13, dans lequel les gains et les déphasages sont des fonctions d'apodisation dépendantes de la position de la source ultrasonore.
[Revendication 16] Procédé selon l'une des revendication 13 à 15, dans lequel l'enceinte comporte une première source (SU8g) et une deuxième source (SU8d) semi-annulaires formant ensemble un même anneau s'étendant autour d'une source centrale, le procédé comprenant,
- une étape de réception d'un premier signal de canal (SCg) et d'un deuxième signal de canal (SCd),
- une étape de sommation des composantes fréquentielles (BFg, BFd) situées dans une bande de fréquence inférieure des deux signaux de canal (SCg, SCd) de façon à former un signal basse fréquence (BF),
- une première, respectivement deuxième, sommation des composantes fréquentielles (HFg, H Fd) situées dans une bande de fréquence supérieure du premier, respectivement deuxième, signal de canal (SCd, SCg) avec le signal basse fréquence (BF) de façon à former un premier, respectivement deuxième, signal d'entrée (SEg, SEd),
- une étape de génération d'un premier signal d'alimentation (SAg) pour la première source (SU8g) à partir du premier signal d'entrée (SEg), un deuxième signal d'alimentation (SAd) pour la deuxième source (SU8d) à partir du deuxième signal d'entrée (SEd) et un troisième signal d'alimentation (SEc) pour la source centrale à partir du signal basse fréquence (BF).
[Revendication 17] Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, dans lequel lesdites sources (11) sont des ensembles composés d'au moins deux transducteurs piézoélectriques (15) adjacents deux à deux pour définir une surface
sensiblement continue. [Revendication 18] Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, dans lequel le réglage du niveau d'amplification et des phases des porteuses (P) desdites sources (11) est tel que le niveau ultrasonore de la porteuse est réduit par interférences destructrices, sur au moins la zone d'écoute.
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