EP4081769A1 - Procédé et système d'estimation d'une grandeur représentative de l'énergie sonore - Google Patents

Procédé et système d'estimation d'une grandeur représentative de l'énergie sonore

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EP4081769A1
EP4081769A1 EP20830216.6A EP20830216A EP4081769A1 EP 4081769 A1 EP4081769 A1 EP 4081769A1 EP 20830216 A EP20830216 A EP 20830216A EP 4081769 A1 EP4081769 A1 EP 4081769A1
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EP
European Patent Office
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antenna
antennas
point
representative
concerned
Prior art date
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Pending
Application number
EP20830216.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Epain
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Fondation B Com
Original Assignee
Fondation B Com
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Publication date
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Publication of EP4081769A1 publication Critical patent/EP4081769A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01S5/20—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10—Amplitude; Power
    • 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
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system
    • 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
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/8006—Multi-channel systems specially adapted for direction-finding, i.e. having a single aerial system capable of giving simultaneous indications of the directions of different signals

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of acoustics and the processing of acoustic signals.
  • It relates in particular to a method and a system for estimating a quantity representative of the sound energy.
  • the present invention proposes a method for estimating a quantity representative of the sound energy at at least one point of a three-dimensional space where a plurality of antennas are located each comprising at least K acoustic sensors with K greater than or equal to 2, comprising the following steps:
  • antennas each comprising at least 2 acoustic sensors (and preferably at least 4 acoustic sensors) makes it possible to finely analyze the sound field at the level of the antenna.
  • the various signals resulting from this analysis make it possible to generate a matrix which accurately renders the sound field present at the level of the antenna.
  • the sound field analysis is thus both rich and compact so that it is possible to correctly map the sound field at the antenna level.
  • the number K of acoustic sensors per antenna is greater than or equal to 9. In the case of ambisonic signals of order 3, the number K of acoustic sensors per antenna antenna is greater than 16.
  • the step of determining a raw value for a given antenna may include the following sub-steps:
  • the estimation method can comprise, for each antenna of the plurality of antennas, a step of determining, on the basis of said matrix, a plurality of directional values of the magnitude representative of the sound energy received at the level of the antenna concerned respectively from a plurality of directions.
  • the estimation method can further comprise in this case, for each antenna of the plurality of antennas, a step of determining raw values of said magnitude at a plurality of points on the basis of the directional values determined for the antenna concerned.
  • the method can then comprise, for each point of said plurality of points, a step of determining an estimated value of said magnitude at the point concerned by combining the raw values determined for the different antennas of the plurality of antennas at the point concerned.
  • the method may further include a step of refining the raw values using a beamforming technique using the estimated values for different points of the plurality of points.
  • the estimated value of said quantity can be determined by application to the raw values of a function with several variables whose image is equal to zero for any antecedent comprising at least one zero variable, which makes it possible to determine in a relatively simple manner the estimated value of said quantity on the basis of the raw values.
  • the estimated value of said quantity can, for example, be equal to the inverse of the sum of the inverses of the raw values.
  • the estimated value of said quantity may be equal to the root M th of the product of the raw values, where M is the number of antennas of the plurality of antennas.
  • the two-by-two combinations of representative signals are, for example, each an estimate of the mathematical expectation of the product of the representative signals concerned.
  • the aforementioned representative signals can be produced by processing measurements respectively acquired by the acoustic sensors of the antenna concerned.
  • the aforementioned quantity is, for example, the sound power.
  • it could be the sound pressure (defined on the basis of the square root of the sound power).
  • the present invention also relates to a system for estimating a quantity representative of the sound energy at at least one point of a three-dimensional space comprising: - a plurality of antennas each comprising at least K acoustic sensors and each designed to produce a plurality of signals representative of the sound field at the level of the antenna concerned and to determine a raw value of said magnitude at said point on the basis of minus K + 1 elements of a matrix based respectively on two-by-two combinations of representative signals produced by the antenna concerned, with K greater than or equal to 2; and
  • a processor designed to determine an estimated value of said magnitude at said point by combining the raw values of said magnitude at said point determined respectively by the different antennas of the plurality of antennas.
  • FIG. 1 schematically shows a system comprising a processor and a plurality of antennas
  • FIG. 2 is a flowchart showing the main steps of a method for estimating a quantity representative of the sound energy in accordance with the invention
  • FIG. 3 schematically shows a particular direction of space relative to one antenna of the plurality of antennas of Figure 1;
  • FIG. 4 shows schematically a mesh of the space around the antenna of Figure 3;
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method of refining directional values using a beamforming technique
  • FIG. 6 is a flowchart showing a process for refining raw and estimated values using a beamforming technique.
  • the system represented in FIG. 1 comprises a processor P and a plurality of antennas (here M antennas) A 1, A m , A M.
  • the different antennas A 1 , A m , A M are respectively located at different points of a three-dimensional space E.
  • Each antenna in English: “array”
  • a m comprises several acoustic sensors S i each capable of performing a measurement of a sound field present at the level of the acoustic sensor S i concerned.
  • FIG. 1 schematically represents an acoustic wave emitted by a sound source ⁇ , but the invention applies regardless of the number of sound sources.
  • each antenna A m comprises exactly K acoustic sensors (with K greater than or equal to 2, preferably K greater than or equal to 4), for example 35 acoustic sensors.
  • K acoustic sensors
  • some acoustic antennas could include more than K acoustic sensors.
  • Each antenna A m also comprises a processing unit U designed to process the signals measured by the acoustic sensors S i of the antenna concerned, as explained below.
  • Each antenna A m can also communicate with the processor P (for example by means of a wireless link or, as a variant, a wired link) in order to allow data exchanges between the processing unit U of this antenna A m and processor P.
  • FIG. 2 represents the main steps of a method for estimating a quantity representative of the sound energy in accordance with the invention.
  • the quantity used to represent sound energy is sound power.
  • Steps E2 to E8 described now are implemented in each of the antennas A 1 , A m , A M.
  • a m the reference of a single antenna is mentioned below:
  • the method begins a step E2 of acquiring respective measurements by the K acoustic sensors S i of each antenna A m of the plurality of antennas.
  • step E2 further comprises processing (by the processing unit U of each antenna A m ) of the measurements acquired by the K acoustic sensors S, of the antenna A m concerned in order to produce signals S k (t) representative of the sound field at the level of the antenna A m concerned.
  • these signals S k (t) can be complex signals (ie represented as a complex number in order to define a modulus, or amplitude, and a phase) or real signals.
  • signals S k (t) are for example ambisonic signals of order L.
  • the number K of acoustic sensors is greater than or equal to the number N of signals S k (t) produced.
  • the method then continues, at the level of each antenna A m (and by means of the processing unit U of the antenna A m concerned), with a step E4 of determining directional values p (m) ( ⁇ ) of the acoustic power received at the level of the antenna A m coming from a plurality of directions ⁇ .
  • the processing unit U determines for example the directional value p (m) ( ⁇ ) for a set of directions ⁇ forming an angular mesh around the antenna concerned A m , each direction ⁇ corresponding to particular spherical angular coordinates ( ⁇ , ⁇ ), where ⁇ is the elevation (between 0 and ⁇ ) and ⁇ the azimuth (between 0 and 2TT).
  • a mesh (such as a Lebedev mesh) comprising a number of directions between a few tens and several thousand (that is to say between 50 and 5000) is used for example in practice.
  • each processing unit U determines for this purpose the elements of a covariance matrix C ss in which:
  • each diagonal element is an estimate of the mathematical expectation of the square of the modulus of one of the signals S k (t) representative of the sound field (the covariance matrix C ss here comprises N diagonal elements);
  • each non-diagonal element is an estimate of the mathematical expectation of the product of one s i (t) of the signals representative of the sound field by the conjugate of another s j (t) of the signals representative of the sound field (the covariance matrix C ss here includes N (N-1) non-diagonal elements).
  • the covariance matrix C ss provides a set of statistical information on the spatial properties of the sound field, in particular on the position of sound sources and the more or less strong correlation of the signals they emit. From this point of view, each element of the matrix enriches the information and therefore makes it possible to refine the analysis carried out.
  • the function E can be an indicator of the central tendency of the signal concerned over a predetermined number of samples of this signal (the samples used in the calculation of the central tendency indicator are generally the last samples produced).
  • the function E is for example the (sliding) average of the signal over this predetermined number of (last) samples.
  • the directional value p (m) ( ⁇ ) of the acoustic power received from a direction ⁇ is then written: where (.) H is the transpose-conjugate operator and where a ( ⁇ ) is a steering vector for the ⁇ direction defined as follows in the case of S k (t) ambisonic signals: where Y I q is the spherical harmonic function with real value of order I and of degree q and where the variables ⁇ and ⁇ represent the direction ⁇ in spherical coordinates.
  • the directional values p (m) ( ⁇ ) obtained for a given antenna A m can optionally be refined by means of a formation technique.
  • beam in English "beamforming technique", as described below with reference to Figure 5.
  • the processing unit U of each antenna A m then performs a step E6 of determining raw values p (m) (r) of the acoustic power at a plurality of points in three-dimensional space E, the position of a point given by a vector of coordinates r.
  • the points where the raw values p (m) (r) of acoustic power are determined are for example predefined and are the same for all the antennas A m. These points form for example a mesh of the region of the three-dimensional space of interest (region which therefore includes all the antennas A m ).
  • FIG. 4 A part of this mesh around a particular antenna A m has been shown schematically in FIG. 4.
  • the mesh shown in FIG. 4 is two-dimensional, but this mesh can be three-dimensional in practice.
  • a number of points included between a few tens and tens of thousands (that is to say in practice between 50 and 50,000).
  • only points situated in a given plane could be considered (as shown in FIG. 4).
  • the raw value p (m) (r) of the sound power at that point is determined on the basis of the directional value r (m) ( ⁇ ) determined in step E4 for the direction w connecting this point and the antenna A m concerned, for example by interpolation of the directional values r (m) ( ⁇ ) determined in step E4.
  • the possible directions vary in azimuth and in elevation, it may for example be an interpolation by spherical spline or using spherical harmonic functions. If the mesh is two-dimensional and where the directions considered thus extend in the plane of the mesh, one can use a linear or quadratic interpolation.
  • the raw values p (m) (r) determined by this antenna A m are then transmitted in step E8 to the processor P.
  • the processor P thus receives in step E10 all of the raw values p (m) (r) determined by all the antennas A m of the plurality of antennas.
  • the processor P can thus determine in step E12, for all the points considered, an estimated value p (all) (r) of the acoustic power at the point concerned by combining the raw values p (m) (r) for this point received from the various antennas A m .
  • the estimated value p (all) (r) for a given point (of coordinates r) is for example determined by applying, to the raw values p (m) (r) for this given point, a function f with several variables (the number of variables x 1 , x 2 , ..., x M being equal to the number of antennas) and whose image f (x 1 , x 2 , ..., x M ) is equal to zero for any antecedent ( x 1 , x 2 , ..., x M ) comprising at least one variable x, zero.
  • p (all) (r) f (p (1) (r), p (2) (r), ..., p (M ) (r)).
  • the estimated value p (all) (r) for a given point can be determined as follows:
  • the estimated value p (all) (r) is equal to the inverse of the sum of the inverses of the M raw values p (m) (r).
  • the processor determines the estimated value p (all) (r) for a given point can be determined as follows: In other words, in this case, the estimated value p (all) (r) is equal to the root M th of the product of the raw values p (m) (r).
  • Figure 5 shows a method of refining directional values p (m) ( ⁇ ) using a beamforming technique.
  • the implementation of this refining method for a particular antenna A m is described here, but the method may be implemented (for example by the processing unit U of the antenna concerned) for several of said antennas ( or even for all said antennas).
  • this refining process can take place when a set of D directional values p (m) ( ⁇ i ) have been determined (as indicated above with regard to step E4) respectively for D directions ⁇ 1 , ..., ⁇ D
  • V (m) W (m) A H (AW (m) A H + R) -1 , with
  • W (m) is the diagonal matrix comprising (diagonally) the directional values p (m) ( ⁇ i ) previously determined for the D directions ⁇ 1 , ..., ⁇ D,
  • R is a regularization matrix which makes it possible to take account of the presence of diffuse noise in the measured signals.
  • W (m) diag (Z (m) )
  • C ss (m) is the determined covariance matrix (as indicated above in step E4) for the antenna A m concerned (and at the instant concerned ), where diag is the operator which to the matrix Z (m) associates the diagonal matrix W (m) whose diagonal elements are identical to those of the matrix Z (m) (and whose other elements are zero).
  • the new directional values ⁇ (m) ( ⁇ i ) present on the diagonal of the matrix W (m) thus obtained can be used for the rest of the process.
  • Steps E20 and E22 can in practice be repeated several times to further refine the directional values ⁇ (m) ( ⁇ i ).
  • Figure 6 shows a method of refining the raw values p (m) (r) and the estimated values p (all) (r) by means of a beamforming technique
  • This refining process begins with a step E30 at which the processor P determines, for each antenna A m , a matrix V (m) as follows:
  • V ( m) w (all) A (m) H (A (m) W (all) A (m) H + R) -1 , with
  • a (m) a matrix obtained by concatenating the pointing vectors a ( ⁇ i ) defined, for a set of T points (of the region of interest) identified by vectors r 1 , r 2 , ..., r ⁇ , by the direction ⁇ , connecting the antenna A m to the point r i concerned (the pointing vector associated with a particular direction being defined above),
  • W (m) is the diagonal matrix comprising (diagonally) the estimated values p (all) (n) previously determined for the T points of coordinates r 1 , r 2 , ..., r T ,
  • R is a regularization matrix which takes into account the presence of diffuse noise in the measured signals and of sound sources present outside the region of interest.
  • the refining process continues with a step E32 of determining, for each antenna A m , refined raw values p ( m) (r i ).
  • the processor P determines the matrix V (m) C ss (m) V (m) H , the refined raw values p (m) (r 1 ), p (m) (r2), ..., p (m) (r T ) then being the diagonal elements of this matrix V (m) C ss (m) V (m) H (the matrix C ss (m) being, as previously, the covariance matrix determined in step E4 for the antenna A m concerned).
  • Steps E30 to E34 can in practice be repeated several times to further refine the raw values p (m) (r i ) and the estimated values p (all) (r i ).

Landscapes

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Abstract

Un procédé d'estimation d'une grandeur représentative de l'énergie sonore en au moins un point (r) d'un espace tridimensionnel (E) où sont situées une pluralité d'antennes (A1, Am, AM) comprenant chacune au moins K capteurs acoustiques (Si) avec K supérieur ou égal à 2, comprend les étapes suivantes : - pour chaque antenne de la pluralité d'antennes, production d'une pluralité de signaux représentatifs du champ sonore au niveau de l'antenne (Am) concernée; - pour chaque antenne de la pluralité d'antennes, détermination d'une valeur brute de ladite grandeur audit point (r) sur la base d'au moins K+1 éléments d'une matrice basés respectivement sur des combinaisons deux à deux de signaux représentatifs produits par l'antenne (Am) concernée; - détermination d'une valeur estimée de ladite grandeur audit point (r) par combinaison des valeurs brutes de ladite grandeur audit point (r) déterminées respectivement pour les différentes antennes de la pluralité d'antennes. Un système associé est également décrit.

Description

Procédé et système d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine technique de l’acoustique et du traitement des signaux acoustiques.
Elle vise en particulier un procédé et un système d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore.
Etat de la technique
Il a déjà été envisagé d’estimer une grandeur représentative de l’énergie sonore en au moins un point d’un espace tridimensionnel au moyen d’une pluralité d’antennes comprenant chacune plusieurs capteurs acoustiques et situées dans cet espace tridimensionnel.
L’article "Localization of Multiple Acoustic Sources with a Distributed Array of Unsynchronized First-Order Ambisonics Microphones", de C. Shörkhuber, P. Hack, M. Zaunschirm, F. Zotter et A. Sontacchi, in Proceedings of the 6th Congress of the Alps-Adria Acoustics Association, octobre 2014, Graz, Autriche propose une solution dans laquelle, sous l’hypothèse de séparation temporelle et spectrale, on construit pour chaque antenne un histogramme de différence d’arrivée couvrant un ensemble de directions autour de l’antenne, puis on calcule une fonction de probabilité discrétisée dans l’espace en combinant les histogrammes obtenus pour les différentes antennes.
Présentation de l'invention
Dans ce contexte, la présente invention propose un procédé d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore en au moins un point d’un espace tridimensionnel où sont situées une pluralité d’antennes comprenant chacune au moins K capteurs acoustiques avec K supérieur ou égal à 2, comprenant les étapes suivantes :
- pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, production d’une pluralité de signaux représentatifs du champ sonore au niveau de l’antenne concernée ;
- pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, détermination d’une valeur brute de ladite grandeur audit point sur la base d’au moins K+1 éléments d’une matrice basés respectivement sur des combinaisons deux à deux de signaux représentatifs produits par l’antenne concernée ; - détermination d’une valeur estimée de ladite grandeur audit point par combinaison des valeurs brutes de ladite grandeur audit point déterminées respectivement pour les différentes antennes de la pluralité d’antennes.
L’utilisation d’antennes comprenant chacune au moins 2 capteurs acoustiques (et de préférence au moins 4 capteurs acoustiques) permet d’analyser finement le champ sonore au niveau de l’antenne. Les différents signaux issus de cette analyse permettent quant à eux de générer une matrice qui rende avec précision le champ sonore présent au niveau de l’antenne. L’analyse du champ sonore est ainsi à la fois riche et réalisée de manière compacte de sorte qu’il est possible de cartographier correctement le champ sonore au niveau de l’antenne.
Dans le cas de l’utilisation de signaux ambisoniques d’ordre 2 par exemple, le nombre K de capteurs acoustiques par antenne est supérieur ou égal à 9. Dans le cas de signaux ambisoniques d’ordre 3, le nombre K de capteurs acoustiques par antenne est supérieur à 16.
L’étape de détermination d’une valeur brute pour une antenne donnée peut comprendre les sous-étapes suivantes :
- détermination, sur la base de ladite matrice, d’une valeur directionnelle de la grandeur représentative de l’énergie sonore reçue au niveau de l’antenne donnée en provenance d’une direction reliant ledit point et l’antenne donnée ;
- détermination de la valeur brute pour l’antenne donnée sur la base de la valeur directionnelle déterminée.
Afin de couvrir un ensemble de directions autour de chaque antenne, le procédé d’estimation peut comprendre, pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, une étape de détermination, sur la base de ladite matrice, d’une pluralité de valeurs directionnelles de la grandeur représentatives de l’énergie sonore reçue au niveau de l’antenne concernée respectivement en provenance d’une pluralité de directions.
On peut prévoir par ailleurs, pour au moins une antenne de la pluralité d’antennes, une étape d’affinage des valeurs directionnelles au moyen d’une technique de formation de faisceau.
Le procédé d’estimation peut en outre comprendre dans ce cas, pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, une étape de détermination de valeurs brutes de ladite grandeur en une pluralité de points sur la base des valeurs directionnelles déterminées pour l’antenne concernée.
Le procédé peut alors comprendre, pour chaque point de ladite pluralité de points, une étape de détermination d’une valeur estimée de ladite grandeur au point concerné par combinaison des valeurs brutes déterminées pour les différentes antennes de la pluralité d’antennes au point concerné.
On effectue ainsi une cartographie de la grandeur représentative de l’énergie sonore.
Le procédé peut en outre comprendre une étape d’affinage des valeurs brutes au moyen d’une technique de formation de faisceau utilisant les valeurs estimées pour les différents points de la pluralité de points.
En pratique, la valeur estimée de ladite grandeur peut être déterminée par application aux valeurs brutes d’une fonction à plusieurs variables dont l’image vaut zéro pour tout antécédent comprenant au moins une variable nulle, ce qui permet de déterminer de manière relativement simple la valeur estimée de ladite grandeur sur la base des valeurs brutes.
La valeur estimée de ladite grandeur peut par exemple être égale à l’inverse de la somme des inverses des valeurs brutes.
Selon une autre possibilité envisageable, la valeur estimée de ladite grandeur peut être égale à la racine Mème du produit des valeurs brutes, où M est le nombre d’antennes de la pluralité d’antennes.
Les combinaisons deux à deux de signaux représentatifs sont par exemple chacune une estimation de l’espérance mathématique du produit des signaux représentatifs concernés.
Les signaux représentatifs susmentionnés peuvent quant à eux être produits par traitement de mesures respectivement acquises par les capteurs acoustiques de l’antenne concernée.
La grandeur susmentionnée est par exemple la puissance acoustique. En variante, il pourrait s’agir de la pression acoustique (définie sur la base de la racine carrée de la puissance acoustique).
La présente invention concerne également un système d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore en au moins un point d’un espace tridimensionnel comprenant : - une pluralité d’antennes comprenant chacune au moins K capteurs acoustiques et conçues chacune pour produire une pluralité de signaux représentatifs du champ sonore au niveau de l’antenne concernée et pour déterminer une valeur brute de ladite grandeur audit point sur la base d’au moins K+1 éléments d’une matrice basés respectivement sur des combinaisons deux à deux de signaux représentatifs produits par l’antenne concernée, avec K supérieur ou égal à 2 ; et
- un processeur conçu pour déterminer une valeur estimée de ladite grandeur audit point par combinaison des valeurs brutes de ladite grandeur audit point déterminées respectivement par les différentes antennes de la pluralité d’antennes.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, 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.
Description détaillée de l'invention
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 :
- la figure 1 représente schématiquement un système comprenant un processeur et une pluralité d’antennes ;
- la figure 2 est un logigramme représentant les étapes principales d’un procédé d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore conforme à l’invention ;
- la figure 3 représente schématiquement une direction particulière de l’espace relativement à une antenne de la pluralité d’antennes de la figure 1 ;
- la figure 4 représente schématiquement un maillage de l’espace autour de l’antenne de la figure 3 ;
- la figure 5 est un logigramme représentant un procédé d’affinage de valeurs directionnelles au moyen d’une technique de formation de faisceau ; et
- la figure 6 est un logigramme représentant un procédé d’affinage de valeurs brutes et estimées au moyen d’une technique de formation de faisceau.
Le système représenté à la figure 1 comprend un processeur P et une pluralité d’antennes (ici M antennes) A1 , Am, AM. Comme schématiquement représenté sur la figure 1, les différentes antennes A1, Am, AM sont respectivement situées en différents points d’un espace tridimensionnel E.
Chaque antenne (en anglais : "array") Am comprend plusieurs capteurs acoustiques Si aptes chacun à effectuer une mesure d’un champ sonore présent au niveau du capteur acoustique Si concerné. On a représenté schématiquement sur la figure 1 une onde acoustique émise par une source sonore σ, mais l’invention s’applique quel que soit le nombre de sources sonores.
Dans l’exemple décrit ici, chaque antenne Am comprend exactement K capteurs acoustiques (avec K supérieur ou égal à 2, de préférence K supérieur ou égal à 4), par exemple 35 capteurs acoustiques. En variante toutefois, certaines antennes acoustiques pourraient comprendre plus de K capteurs acoustiques.
Chaque antenne Am comprend également une unité de traitement U conçue pour traiter les signaux mesurés par les capteurs acoustiques Si de l’antenne concernée, comme expliqué dans la suite.
Chaque antenne Am peut par ailleurs communiquer avec le processeur P (par exemple au moyen d’une liaison sans fil ou, en variante, d’une liaison filaire) afin de permettre des échanges de données entre l’unité de traitement U de cette antenne Am et le processeur P.
La figure 2 représente les étapes principales d’un procédé d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore conforme à l’invention. Dans l’exemple décrit ici, la grandeur utilisée pour représenter l’énergie sonore est la puissance acoustique.
Les étapes E2 à E8 décrites à présent sont mises en oeuvre dans chacune des antennes A1, Am, AM. On mentionne toutefois ci-dessous par souci de concision la référence d’une seule antenne : Am.
Le procédé débute une étape E2 d’acquisition de mesures respectives par les K capteurs acoustiques Si de chaque antenne Am de la pluralité d’antennes.
Dans l’exemple décrit ici, l’étape E2 comprend en outre un traitement (par l’unité de traitement U de chaque antenne Am) des mesures acquises par les K capteurs acoustiques S, de l’antenne Am concernée afin de produire des signaux Sk(t) représentatifs du champ sonore au niveau de l’antenne Am concernée. Selon la représentation utilisée, ces signaux Sk(t) peuvent être des signaux complexes (i.e. représentés sous forme de nombre complexe afin de définir un module, ou amplitude, et une phase) ou des signaux réels.
Ces signaux Sk(t) sont par exemple des signaux ambisoniques d’ordre L. La représentation ambisonique d’ordre L permet en effet de représenter le champ sonore au niveau de l’antenne Am concernée au moyen de N signaux Sk(t) avec N=(L+1 )2. De manière générale, le nombre K de capteurs acoustiques est supérieur ou égal au nombre N de signaux Sk(t) produits.
Le procédé se poursuit alors, au niveau de chaque antenne Am (et au moyen de l’unité de traitement U de l’antenne Am concernée), par une étape E4 de détermination de valeurs directionnelles p(m)(Ω) de la puissance acoustique reçue au niveau de l’antenne Am en provenance d’une pluralité de directions Ω.
Comme schématiquement représenté en figure 3, l’unité de traitement U détermine par exemple la valeur directionnelle p(m)(Ω) pour un ensemble de directions Ω formant un maillage angulaire autour de l’antenne concernée Am, chaque direction Ω correspondant à des coordonnées angulaires sphériques (θ, φ) particulières, où θ est l’élévation (comprise entre 0 et π) et φ l’azimut (compris entre 0 et 2TT). On utilise par exemple en pratique un maillage (tel qu’un maillage de Lebedev) comprenant un nombre de directions compris entre quelques dizaines et plusieurs milliers (c’est-à-dire compris en pratique entre 50 et 5000).
Pour chaque direction Ω (et à chaque instant pour lequel l’estimation est effectuée), chaque unité de traitement U détermine pour ce faire les éléments d’une matrice de covariance Css dans laquelle :
- chaque élément diagonal est une estimation de l’espérance mathématique du carré du module de l’un des signaux Sk(t) représentatif du champ sonore (la matrice de covariance Css comprend ici N éléments diagonaux) ;
- chaque élément non-diagonal est une estimation de l’espérance mathématique du produit de l’un si(t) des signaux représentatifs du champ sonore par le conjugué d’un autre sj(t) des signaux représentatifs du champ sonore (la matrice de covariance Css comprend ici N(N-1 ) éléments non diagonaux).
La matrice de covariance Css fournit un ensemble d’informations statistiques sur les propriétés spatiales du champ sonore, en particulier sur la position des sources sonores et la corrélation plus ou moins forte des signaux qu’elles émettent. De ce point de vue, chaque élément de la matrice enrichit l’information et permet donc d’affiner l’analyse réalisée.
Dans le cas où des signaux ambisoniques Sk(t) à valeurs réelles sont utilisés comme décrit ici, la matrice de covariance Css s’écrit : où E est une fonction d’estimation de l’espérance mathématique du signal concerné.
En pratique, la fonction E peut être un indicateur de tendance centrale du signal concerné sur un nombre prédéterminé d’échantillons de ce signal (les échantillons utilisés dans le calcul de l’indicateur de tendance centrale étant en général les derniers échantillons produits). La fonction E est par exemple la moyenne (glissante) du signal sur ce nombre prédéterminé de (derniers) échantillons.
La valeur directionnelle p(m)(Ω) de la puissance acoustique reçue en provenance d’une direction Ω s’écrit alors : où (.)H est l’opérateur transposé-conjugué et où a(Ω) est un vecteur de pointage (en anglais "steering vector ") pour la direction Ω défini comme suit dans le cas de signaux Sk(t) ambisoniques : où YI q est la fonction harmonique sphérique à valeur réelles d’ordre I et de degré q et où les variables θ et φ représentent la direction Ω en coordonnées sphériques. (Le nombre de fonctions harmoniques sphériques d’ordre inférieur où égal à L étant égal à (L+1 )2, le vecteur a(Ω) est de dimension N = (L+1 )2 et la matrice de covariance Css précitée de dimensions NxN.)
Les valeurs directionnelles p(m)(Ω) obtenues pour une antenne Am donnée peuvent éventuellement être affinées au moyen d’une technique de formation de faisceau (en anglais "beamforming technique"), comme décrit ci-dessous en référence à la figure 5.
L’unité de traitement U de chaque antenne Am effectue ensuite une étape E6 de détermination de valeurs brutes p(m)(r) de la puissance acoustique en une pluralité de points de l’espace tridimensionnel E, la position d’un point étant donnée par un vecteur de coordonnées r.
Les points où les valeurs brutes p(m)(r) de puissance acoustique sont déterminées sont par exemple prédéfinis et sont les mêmes pour toutes les antennes Am. Ces points forment par exemple un maillage de la région de l’espace tridimensionnel d’intérêt (région qui comprend donc toutes les antennes Am).
On a représenté schématiquement en figure 4 une partie de ce maillage autour d’une antenne Am particulière. (Par souci de clarté, le maillage représenté sur la figure 4 est bidimensionnel, mais ce maillage peut être tridimensionnel en pratique.) On utilise par exemple en pratique un nombre de points compris (en fonction de la taille du maillage) entre quelques dizaines et des dizaines de milliers (c’est-à-dire en pratique entre 50 et 50000). En variante, on pourrait ne considérer que des points situés dans un plan donné (comme représenté sur la figure 4).
Pour chaque point désigné par ses coordonnées r (comprenant par exemple trois coordonnées (x,y,z) comme représenté en figure 4), la valeur brute p(m)(r) de la puissance acoustique en ce point est déterminée sur la base de la valeur directionnelle r(m)(ω) déterminée à l’étape E4 pour la direction w reliant ce point et l’antenne Am concernée, par exemple par interpolation des valeurs directionnelles r(m)(ω) déterminées à l’étape E4. Dans le cas décrit ici où les directions possibles varient en azimut et en élévation, il peut s’agir par exemple d’une interpolation par spline sphérique ou à l’aide de fonctions harmoniques sphériques. Dans le cas où le maillage est bidimensionnel et où les directions considérées s’étendent donc dans le plan du maillage, on peut utiliser une interpolation linéaire ou quadratique.
Pour chaque antenne Am, les valeurs brutes p(m)(r) déterminées par cette antenne Am (précisément par l’unité de traitement U de cette antenne Am) sont alors transmises à l’étape E8 au processeur P.
Le processeur P reçoit ainsi à l’étape E10 l’ensemble des valeurs brutes p(m)(r) déterminées par toutes les antennes Am de la pluralité d’antennes. Le processeur P peut ainsi déterminer à l’étape E12, pour tous les points considérés, une valeur estimée p(all)(r) de la puissance acoustique au point concerné par combinaison des valeurs brutes p(m)(r) pour ce point reçues des différentes antennes Am.
La valeur estimée p(all)(r) pour un point donné (de coordonnées r) est par exemple déterminée par application, aux valeurs brutes p(m)(r) pour ce point donné, d’une fonction f à plusieurs variables (le nombre de variables x1, x2, ... , xM étant égal au nombre d’antennes) et dont l’image f( x1, x2, ... , xM) vaut zéro pour tout antécédent ( x1, x2, ... , xM) comprenant au moins une variable x, nulle.
Autrement dit, la fonction f vérifie : f( x1, x2, ... , xM ) = 0 s’il existe (au moins) un indice i compris entre 1 et M tel que x, = 0.
La valeur estimée p(all)(r) pour un point donné vaut alors : p(all)(r) = f(p(1)(r), p(2)(r),... , p(M)(r)).
L’utilisation d’une telle fonction f est intéressante du fait qu’elle permet d’obtenir une valeur estimée p(all)(r) nulle (ou très faible en pratique) dès lors que l’une des valeurs brutes p(m)(r) est nulle (ou très faible en pratique), ce qui a tendance à réduire l’apparition de bruit dans le processus d’estimation.
En pratique, la valeur estimée p(all)(r) pour un point donné peut être déterminée comme suit :
Autrement dit, dans ce cas, la valeur estimée p(all)(r) est égale à l’inverse de la somme des inverses des M valeurs brutes p(m)(r).
Cette solution, basée sur l’hypothèse d’absence d’interaction entre les différentes antennes, est simple à mettre en oeuvre et donne de bons résultats pratiques.
On remarque que cette possibilité de réalisation correspond au cas d’une fonction f telle que proposée ci-dessus du fait que l’expression de p(all)(r) qui précède peut également s’écrire :
Selon une variante envisageable, le processeur détermine la valeur estimée p(all)(r) pour un point donné peut être déterminé comme suit : Autrement dit, dans ce cas, la valeur estimée p(all)(r) est égale à la racine Mème du produit des valeurs brutes p(m)(r).
Une fois les valeurs estimées p(all)(r) déterminées pour la pluralité de points considérés, il est possible d’affiner les valeurs brutes correspondantes p(m)(r) associées aux différentes antennes Am, et ainsi les valeurs estimées p(all)(r) elles- mêmes, au moyen d’une technique de formation de faisceau, comme décrit ci- dessous en référence à la figure 6.
La figure 5 représente un procédé d’affinage des valeurs directionnelles p(m)(Ω) au moyen d’une technique de formation de faisceau. On décrit ici la mise en œuvre de ce procédé d’affinage pour une antenne particulière Am, mais le procédé peut- être mis en œuvre (par exemple par l’unité de traitement U de l’antenne concernée) pour plusieurs desdites antennes (voire pour toutes lesdites antennes).
Comme indiqué ci-dessus, ce procédé d’affinage peut intervenir lorsque un ensemble de D valeurs directionnelles p(m)( Ωi) ont été déterminées (comme indiqué ci-dessus à propos de l’étape E4) respectivement pour D directions Ω1 , ..., ΩD
Ce procédé d’affinage débute par une étape E20 de détermination d’une matrice V(m) définie comme suit : V(m) = W(m) AH ( AW(m) AH + R)-1, avec
A une matrice obtenue en concaténant les vecteurs de pointage a(Ωi) définis comme ci-dessus, chacun pour une direction Ωi, et associés respectivement aux D directions Ω1 , ..., ΩD
W(m) est la matrice diagonale comprenant (en diagonale) les valeurs directionnelles p(m)(Ωi) préalablement déterminées pour les D directions Ω1, ..., ΩD,
R est une matrice de régularisation qui permet de tenir compte de la présence de bruit diffus dans les signaux mesurés.
On pourra se référer à l’ouvrage "Geophysical Data Analysis: Diverse Inverse Theory, 4th Edition", Academie Press, 2008, p. 62 pour plus de détails sur cette technique désignée comme la solution au problème des moindres carrés pondérés amortis (en anglais : "weighted damped least-square problem").
Le procédé d’affinage se poursuit par une étape E22 à laquelle l’unité de traitement U concernée détermine une version affinée de la matrice W(m) (et par conséquent des valeurs directionnelles p(m )( Ωi) présentes sur la diagonale de cette matrice) comme suit : Z(m) = V(m)Css (m)V(m)H
W(m) = diag(Z(m)) où Css (m) est la matrice de covariance déterminée (comme indiqué ci-dessus à l’étape E4) pour l’antenne Am concernée (et à l’instant concerné), où diag est l’opérateur qui à la matrice Z(m) associe la matrice diagonale W(m) dont les éléments diagonaux sont identiques à ceux de la matrice Z(m) (et dont les autres éléments sont nuls).
Les nouvelles valeurs directionnelles ρ(m )(Ωi) présentes sur la diagonale de la matrice W(m) ainsi obtenue peuvent être utilisées pour la suite du procédé.
Les étapes E20 et E22 peuvent en pratique être répétées plusieurs fois pour affiner encore les valeurs directionnelles ρ(m )(Ωi).
La figure 6 représente un procédé d’affinage des valeurs brutes p(m)(r) et des valeurs estimées p(all)(r) au moyen d’une technique de formation de faisceau
Ce procédé d’affinage débute par une étape E30 à laquelle le processeur P détermine, pour chaque antenne Am, une matrice V(m) comme suit :
V(m) = w(all)A(m)H(A(m)W(all)A(m)H + R)-1, avec
A(m) une matrice obtenue en concaténant les vecteurs de pointage a(ω i) définis, pour un ensemble de T points (de la région d’intérêt) repérés par des vecteurs r1, r2, ... , rτ , par la direction ω, reliant l’antenne Am au point ri concerné (le vecteur de pointage associé à une direction particulière étant défini ci-dessus),
W(m) est la matrice diagonale comprenant (en diagonale) les valeurs estimées p(all)(n) préalablement déterminées pour les T points de coordonnées r1, r2, ... , rT ,
R est une matrice de régularisation qui permet de tenir compte de la présence de bruit diffus dans les signaux mesurés et de sources sonores présentes hors de la région d’intérêt.
Cette solution est du même type que celle proposée ci-dessus pour l’affinage des valeurs directionnelles et on pourra donc ici également se référer à l’ouvrage précité pour plus de détails à ce sujet.
Le procédé d’affinage se poursuit par une étape E32 de détermination, pour chaque antenne Am, de valeurs brutes affinées p( m)(ri). Pour ce faire, le processeur P détermine la matrice V(m)Css (m)V(m)H , les valeurs brutes affinées p(m)(r1), p(m)(r2), ... , p(m)(rT) étant alors les éléments diagonaux de cette matrice V(m)Css (m)V(m)H (la matrice Css (m) étant comme précédemment la matrice de covariance déterminée à l’étape E4 pour l’antenne Am concernée).
Le processeur P peut alors obtenir à l’étape E34, pour chaque point ri de la pluralité de T points de coordonnées r1, r2, ..., rT, une valeur estimée affinée p(all)(ri) en combinant les M valeurs brutes affinées p(m)(ri) obtenues pour ce point ri respectivement pour les différentes antennes Am, par exemple par la méthode de combinaison décrite ci-dessus à l’étape E12 : p (all) (ri) = f(p(1)(ri), p(2)(ri), p(M)(ri)).
Les étapes E30 à E34 peuvent en pratique être répétées plusieurs fois pour affiner encore les valeurs brutes p(m)(ri) et les valeurs estimées p(all)(ri).

Claims

i Revendications
1. Procédé d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore en au moins un point (r) d’un espace tridimensionnel (E) où sont situées une pluralité d’antennes (A1, Am, AM) comprenant chacune au moins K capteurs acoustiques (Si) avec K supérieur ou égal à 2, comprenant les étapes suivantes :
- pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, production (E2) d’une pluralité de signaux représentatifs du champ sonore au niveau de l’antenne (Am) concernée ;
- pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, détermination (E6) d’une valeur brute (p(m)(r)) de ladite grandeur audit point (r) sur la base d’au moins K+1 éléments d’une matrice basés respectivement sur des combinaisons deux à deux de signaux représentatifs produits par l’antenne (Am) concernée ;
- détermination (E12) d’une valeur estimée (p(all)(r)) de ladite grandeur audit point (r) par combinaison des valeurs brutes (p(m)(r)) de ladite grandeur audit point (r) déterminées respectivement pour les différentes antennes de la pluralité d’antennes.
2. Procédé d’estimation selon la revendication 1, dans lequel l’étape de détermination d’une valeur brute (p(m)(r)) pour une antenne (Am) donnée comprend les sous-étapes suivantes :
- détermination (E4), sur la base de ladite matrice, d’une valeur directionnelle (p(m)(Ω)) de la grandeur représentative de l’énergie sonore reçue au niveau de l’antenne (Am) donnée en provenance d’une direction (ω) reliant ledit point (r) et l’antenne donnée (Am) ;
- détermination (E6) de la valeur brute (p(m)(r)) pour l’antenne donnée sur la base de la valeur directionnelle déterminée (p(m)(Ω)).
3. Procédé d’estimation selon la revendication 1 ou 2, comprenant, pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, une étape de détermination (E4), sur la base de ladite matrice, d’une pluralité de valeurs directionnelles (p(m)(Ω)) de la grandeur représentatives de l’énergie sonore reçue au niveau de l’antenne concernée respectivement en provenance d’une pluralité de directions.
4. Procédé selon la revendication 3, comprenant, pour au moins une antenne de la pluralité d’antennes, une étape d’affinage (E20, E22) des valeurs directionnelles (p(m)(Ω)) au moyen d’une technique de formation de faisceau.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, comprenant, pour chaque antenne de la pluralité d’antennes, une étape de détermination (E6) de valeurs brutes (p(m)(r)) de ladite grandeur en une pluralité de points sur la base des valeurs directionnelles (r(m)(Ω)) déterminées pour l’antenne concernée.
6. Procédé d’estimation selon la revendication 5, comprenant, pour chaque point de ladite pluralité de points, une étape de détermination (E12) d’une valeur estimée (p(all)(r)) de ladite grandeur au point concerné par combinaison des valeurs brutes (p(m)(r)) déterminées pour les différentes antennes de la pluralité d’antennes au point concerné.
7. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape d’affinage (E30, E32, E34) des valeurs brutes (p(m)(r)) au moyen d’une technique de formation de faisceau utilisant les valeurs estimées (p(all)(r)) pour les différents points de la pluralité de points.
8. Procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la valeur estimée (p(all)(r)) de ladite grandeur est déterminée par application aux valeurs brutes (p(m)(r)) d’une fonction à plusieurs variables dont l’image vaut zéro pour tout antécédent comprenant au moins une variable nulle.
9. Procédé d’estimation selon la revendication 8, dans lequel la valeur estimée de ladite grandeur (p(all)(r)) est égale à l’inverse de la somme des inverses des valeurs brutes (p(m)(r)).
10. Procédé d’estimation selon la revendication 8, dans lequel la valeur estimée de ladite grandeur (p(all)(r)) est égale à la racine Mème du produit des valeurs brutes (p(m)(r)), où M est le nombre d’antennes de la pluralité d’antennes.
11. Procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel lesdites combinaisons deux à deux de signaux représentatifs sont chacune une estimation de l’espérance mathématique du produit des signaux représentatifs concernés.
12. Procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel lesdits signaux représentatifs sont produits par traitement de mesures respectivement acquises par les capteurs acoustiques (Si) de l’antenne (Am) concernée.
13. Procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel ladite grandeur est la puissance acoustique.
14. Système d’estimation d’une grandeur représentative de l’énergie sonore en au moins un point (r) d’un espace tridimensionnel (E) comprenant :
- une pluralité d’antennes (A1, Am, AM) comprenant chacune au moins K capteurs acoustiques (Si) et conçues chacune pour produire une pluralité de signaux représentatifs du champ sonore au niveau de l’antenne concernée et pour déterminer une valeur brute (p(m)(r)) de ladite grandeur audit point (r) sur la base d’au moins K+1 éléments d’une matrice basés respectivement sur des combinaisons deux à deux de signaux représentatifs produits par l’antenne concernée, avec K supérieur ou égal à 2 ; et - un processeur (P) conçu pour déterminer une valeur estimée (p(all)(r)) de ladite grandeur audit point (r) par combinaison des valeurs brutes (p(m)(r)) de ladite grandeur audit point déterminées respectivement par les différentes antennes de la pluralité d’antennes.
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