FR2536891A2 - Appareil d'attenuation des vibrations sonores et de suppression de vibrations - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN APPAREIL D'ATTENUATION ACOUSTIQUE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL D'ATTENUATION ACOUSTIQUE ACTIVE COMPRENANT UN DISPOSITIF 33 DE DETECTION D'UNE VIBRATION SONORE A COMPENSER, UN FILTRE D'ADAPTATION 23 COMMANDANT UN GENERATEUR 21 D'UNE VIBRATION COMPENSATRICE, ET UN DETECTEUR 35 D'UN SIGNAL D'ERREUR QUI PERMET LA MODIFICATION DES CARACTERISTIQUES DE LA VIBRATION COMPENSATRICE AFIN QUE L'ONDE ACOUSTIQUE DE LA SOURCE SOIT EFFICACEMENT COMPENSEE. APPLICATION A L'ATTENUATION DES ONDES ACOUSTIQUES DANS LES MILIEUX BRUYANTS.

Description

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L'invention concerne de façon générale l'atténua-

tion acoustique et plus précisément un appareil d'atténua-

tion d'une bande de sons à fréquences relativement faibles et à des fréquences séparées se propageant à partir d'une source donnée, par introduction de sons de compensation. Le brevet principal décrit un certain nombre d'exemples d'arrangements actifs d'atténuation acoustique, concernant essentiellement des systèmes physiques comprenant

la propagation du son dans un conduit L'appareil et les pro-

cédés décrits dans le brevet principal s'appliquent manifes-

tement à d'autres conditions de suppression ou de compensa-

tion acoustique, par exemple des pièces fermées et l'espace

libre Dans certaines applications de la présente in-

vention, on considère certains modes de réalisation illus-

tratifs d'atténuateur acoustique actif dans l'espace libre.

Dans les enceintes confinées telles que les con-

duits, la réduction importante du niveau de pression acous-

tique du son transporté a posé un problème qui n'a pas été résolu pendant de nombreuses années Par exemple, dans les usines, le bruit dû aux machines et à diverses opérations de fabrication peut être transmis à partir des conduits de chauffage et de ventilation de ces zones aux conduits qui rejoignent des bureaux et d'autres parties de l'usine dans lesquels il est souhaitable que le niveau de bruit soit faible Le problème est particulièrement important dans le-cas du bruit à basse fréquence, compris entre les infra-sons et

800 Hz, car les dispositifs passifs d'atténuation de ces fré-

quences sont coûteux, relativement peu efficaces et de grande dimension si bien qu'ils sont difficilement utilisés

en pratique dans la plupart des applications des basses fré-

quences.

Depuis 1925 et à une très grande vitesse actuel-

lement, les progrès de l'électronique ont rendu l'atténuation

"active" du bruit non seulement possible mais encore une al-

ternative intéressante à l'atténuation passive des basses fré-

quences Le principe de l'atténuation dite active repose sur le fait que la vitesse du son dans l'air est bien inférieure

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à celle des signaux électriques Pendant le temps qu'il faut

pour qu'une onde acoustique se propage d'un emplacement au-

quel elle est détectée à un emplacement éloigné auquel elle peut être atténuée, le temps est bien suffisant pour que l'onde qui se propage-soit échantillonnée, pour que l'in- formation soit traitée par un circuit électronique et pour qu'un signal de pilotage d'un haut-parleur quiintroduit un son compensatoire déphasé de 180 avec la même amplitude que le son qui se propage soit formé Bien que le procédé d'atténuation active du son indiqué précédemment paraisse simple en principe, une revue de la technique antérieure

dans ce domaine montre la complexité du problème et la dif-

ficulté de l'obtention d'une bonne atténuation sur une plage

relativement large des fréquences basses.

L'un des premiers efforts consacrés dans le do-

maine des atténuateurs -actifs est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 2 043 416 de Lueg Le système décrit est un monopôle, comprenant un microphone, un amplificateur et un haut-parleur Le microphone détecte le son de la source

et le transforme en un signal électrique transmis à l'ampli-

ficateur Le haut-parleur, piloté par l'amplificateur, est placé en aval du microphone, à un emplacement qui donne le

retard temporaire nécessaire à un déphasage de 1800 par rap-

port au son de la sourde Le haut-parleur injecte une image spéculaire du son de la source dans le conduit si bien que,

lorsque le son de la source passe à l'emplacement du haut-

parleur, un certain volume d'air à pression élevée ou faible

est introduit avec un déphasage-de 1800 par rapport au vo-

lume d'air correspondant à pression élevée ou faible du son

de la source Lorsque le haut-parleur est parfaitement syn-

chronisé sur le passage du bruit de la source, la pression du bruit de la source et celle du haut-parleur donnent une moyenne nulle (pression ambiante statique) et le bruit est "supprimé".

L'examen du système de Lueg montre que 1 'atténua-

tion se produit lorsque les distances-entre le microphone (au niveau duquel le son de la source est échantillonné) et le haut-parleur (au niveau duquel le son compensatoire est introduit)-sont telles que le retard temporel du signal électrique transmis à l'amplificateur est égal à 1800 ou un multiple impair de 1803 Cependant, cette condition ne se produit que pour un signal acoustique fixe déterminé qui ne varie pas au cours du temps En pratique,au cours du temps,

le système de Lueg n'est efficace que pour une fréquence uni-

que car aucun dispositif ne permet une compensation du dépha-

sage Ce que montre cette restriction du système de Lueg est

qu'il existe deux paramètres qui doivent satisfaire des condi-

tions pour que l'atténuation -soit bonne, l'un étant le temps de retard, afin que l'onde acoustique puisse se déplacer du point de détection au point d'atténuation, et l'autre étant la phase, afin que l'atténuation se produise bien au point

d'introduction de l'onde acoustique de suppression.

En plus de la restriction posée' par la détection et la compensation de la phase dans le système de Lueg, un problème se pose dans la création des ondes stationnaires par le haut-parleur vers l'aval, vers le microphone Etant

donné'le diagramme des ondes stationnaires, la pression du -

champ acoustique au niveau du microphone a un défaut artifi-

ciel dluniformité si bien que, à une fréquence donnée, le microphone peut se'trouver à un noeud ou à un ventre d'une onde stationnaire -En conséquence, le signal de compensation produit par le haut-parleur peut être rendu trop élevé ou trop faible Il en résulte que le champ acoustique peut être amplifié par les ondes stationnaires d'une manière telle

que la propagation résultante vers l'aval, depuis le haut-

parleur,peut être supérieure au son produit par la-source.

En outre, le champ des ondes stationnaires peut intensifier -la pression sonore dans le conduit et accroître le son qui

peut traverser les parois du conduit en posant un problème.

secondaire.

On a mis au point, après le système de Lueg, plu-

sieurs systèmes d'atténuation active, afin d'essayer d'éviter le problème des ondes stationnaires, indiqué précédemment,

et d'élargir la plage des fréquences d'atténuation Un sys-

tème connu met en oeuvre la combinaison d'un arrangement mono-

pdle-dip 1 le, le dipôle étant placé sur une première paroi du conduit et le monopole étant placé sur la face opposée

du conduit comme représenté Ce système a d'abord été intro-

duit par M Jessel et G Mangiante et il est décrit dans l'article "Active Sound Absorbers In An Air Duct", JSV ( 1972) 23 ( 3, 383-390) Le dipôle et le monopôle du système de Jessel ont des phases telles qu'ils s'ajoutent vers l'aval

et se soustraient vers l'amont, permettant ainsi une propa-

gation unidirectionnelle lorsque les sources sont équili-

-10 brées On a cependant constaté que les résultats qui pou-

vaient être obtenus avec le système de Jessel dépendaient de

la demi-longueur d'onde de la distance de séparation du di-

pôle et étaient reliés à celle-ci En outre, la complexité de

ce système ne se prête pas à de nombreuses applications pra-

tiques.

On a mis au point d'autres systèmes destines à simplifier-le système de Jessel et à donner de meilleures caractéristiques L'un d'eux est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 044 203 de Swinbankso Celuici

supprime le monopôle du système de Jessel et modifie les-

caractéristiques de phase du dipôle afin que la propagation des deux sources s'ajoute vers l'aval et se compense vers

l'amont, vers le microphone Un autre atténuateur actif dé-

crit dans le brevet ds Etats-Unis d'Amérique n 4 109 108 de Coxon et al, place le microphone entre deux hauts-parleurs

afin qu'il donne un niveau minimal à la position du haut-

parleur lorsque le déphasage entre les hauts-parleurs est convenable Bien que ce système soit de type réfléchissant et forme un diagramme d'ondes stationnaires en amont du

' dipôle, le système de détection (microphone) n'est pas af-

fecté car il est placé entre les hauts-parleurs, contrai-

rement au système de Swinbanks.

En étudiant les caractéristiques des systèmes dipolaire et dipôlemonopôle, on a constaté-que chacun de ces systèmes à plusieurs sources paraissaient présenter des

restrictions dues à la configuration géométrique La dis-

tance physique séparant les haut parleurs et les microphones donne un effet d'accord" qui fixe la fréquence des meilleures caractéristiques et la largeur de bande Bien qu'on puisse

obtenir des atténuations importantes, surtout avec des sys-

tèmes de Swinbanks, de telles caractéristiques ne sont ob-

tenues que dans une largeurde bande relativement faible, de l'ordre d'environ 2,5 octaves au maximum Ainsi, les appro- ches les plus récentes concernant l'atténuation active du bruit dans les conduits se concentrent sur l'amélioration du système monopolaire d'abord introduit par Lueg comme décrit précédemment Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 122 303 de Chaplin et al est un exemple de système monopolaire dans

lequel un circuit électronique relativement élaboré est incor-

poré à une construction fondamentale microphone-haut-parleur déjà trouvée dans le système de Lueg Selon Chaplin et ai, une onde secondaire de suppression est produite par un premier signal électrique qui représente l'onde acoustique principale détectée par le microphone Le premier signal électrique

subit une convolution avec un second signal tiré de la ré-

ponse impulsionnelle du système, dans un programme d'étape

de traitement Ce processus représente une opération clas-

sique d'un filtre adaptatif comme décrit dans les articles "Feedback and Control Systems", Schaum's Outline Series, 1967, p 179-185; "Adaptive Filters", Widrow, B Aspects of Network and System Theory, ( 1971); "Principles and Applications of Adaptives Filters: A Tutorial Review", McCool, J M; Widrow, B, Institute of Electrical Engineers, ( 1976) Chaplin et al suggère d'éviter le problème des ondes stationnaires créées

par le haut-parleur et qui se propagent en amont vers le mi-

crophone par utilisation d'un microphone unidirectionnel ou

par revêtement du conduit entre le haut-parleur et le micro-

phone par un matériau absorbant les ondes acoustiques En outre, Chaplin et al suggère la possibilité d'incorporation

d'un circuit destiné à assurer une seconde convolution capa-

ble de compenser le signal de réaction produit par les ondes

stationnaires en amont Cependant, comme décrit plus en dé-

tail dans la suite, le processus précité d'adaptation du sys-

tème de Chaplin et al s'effectue sur une période de 5 à min et dépend ainsi du maintien à une valeur pratiquement constante du signal de la source pendant cette période En outre, le système de commande a un fonctionnement si lent

que, dans la plupart des cas -en pratiqué, il doit être ar-

rêté manuellement pendant que la première convol Ution est encore en cours afin que le problème du "tremblement" ou de l'oscillation entre des résultats meilleurs et moins bons

soit évité.

Il faut aussi noter que tous les systèmes indiqués

précédemment posent un problème commun qui, dans de nom-

breuses applications pratiques, réduit sinon élimine leur

utilisation potentielle Dans tous les cas, la partie du sys-

tème comprenant le haut-parleur se trouve directement dans l'environnement du conduit afin que le son compensateur soit

introduit On peut prévoir que, dans de nombreuses applica-

tions, les haut-parleurs existants ne peuvent pas supporter

les températures, les particules ou d'autres matières étran-

gères présentes dans le conduit ou dans des zones non pro-

tégées à l'extérieur du conduit Dans le cas du montage dans un conduit, un atténuateur acoustique actif peut être utilisé sous forme d'une variante d'atténuateur acoustique

actif de type monopolaire qui peut être considéré comme -

comprenant trois éléments séparés comprenant un système phy-

sique, un circuit électronique et un élément de couplage en-

tre le système physique et le circuit Le système physique

est formé du conduit dans lequel les ondes sonores se pro-

pagent à partir d'une source donnée, d'un mélangeur acousti-

que raccordé au conduit, d'un haut-parleur placé dans une enceinte protectrice, à distance du conduit, et d'un guide

d'onde raccordant le haut-parleur au mélangeur acoustique.

L'élément formant le circuit électronique de l'atténuateur actif est formé de trois filtres distincts d'adaptation

mettant en oeuvre une variante de l'algorithme LMS de-

Widrow-Hoff, en configuration de compensation acoustique véritable par adaptation Un arrangement de microphones, disposés dans le conduit en amont du mélangeur acoustique et un microphone placé dans le mélangeur acoustique en aval du guide d'onde forment le dispositif de couplage du système

physique au circuit électronique.

Comme décrit: dans la'suitée du présent mémoire, l'arrangement de microphones détecte-le son de la source

dans le conduit et le transforme en un signal'électrique-

qui est transmis à un filtre modifié d'adaptation placé dans l'élément formant le circuit électronique Le filtre-d'adap- tation crée un signal de pilotage du haut-parleur afin qu'il forme le son "compensateur" déphasé de 180 par rapport au son de la source, se propageant dans le guide d'onde vers le mélangeur acoustique dans lequel il est combiné au son -10 de la source Le microphone placé en aval du'guide d'onde dans le mélangeur acoustique détecte le son résultant de la combinaison du son de la source et du son de compensation et

crée un signal qui représente la différence ou "erreur" en-

tre l'atténuation réalisée dans le mélangeur acoustique et l'atténuation voulue, compte tenu de niveaux préréglés Ce signal d'erreur est introduit dans le filtre d'adaptation qui ajuste alors le signal de pilotage du haut-parleur afin que le son de compensation se propageant dans le mélangeur

corresponde mieux à l"image spéculaire du son de la source.

Des niveaux importants d'atténuation sont aussi obtenus dans

le mélangeur acoustique et ailleurs en champ lointain.

Dans un mode de réalisation avantageux d'atténua-

teur acoustique actif, un filtre d'adaptation de compensa-

tion est destin à assurer un fonctionnement stable par mise en oeuvre d'une variante d'algorithme LMS lors de la

production du son compensatoire Ce filtre d'adaptation as-

sure la correction du-déphasage et il est utilisé à la place d'un filtre correcteur de déphasage qui devrait être étalonné manuellement Dans des conditions en espace libre, il est avantageux que le générateur du son compensatoire soit aussi

proche que possible de la source-du son à compenser Le fil-

tre d'adaptation de compensation doit être placé convenable-

ment dans l'atténuateur acoustique actif afin qu'il facilite

cette disposition convenable de la source acoustique de com-

pensation Dans un mode de réalisation de l'invention, le fil-

tre d'adaptation de compensation est retiré de la boucle de compensation de l'atténuateur si bien que les retards dans la boucle de compensation sont réduits De cette manière, la source du son de compensation peut être rapprochée de la

source du son à compenser.

Selon une autre caractéristique de' l'invention, lors de l'utilisation de l'atténuateur acoustique actif pré-

cité en espace libre, plusieurs générateurs de-son compensa-

toire sont placés à distance de la source du son à compenser, dans des directions différentes de propagation de ce son o

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux deé la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels:

la figure 1 est un schéma d'une version simpli-

fiée d'atténuateur acoustique actif; la figure 2 est un diagramme synoptique partiel d'un mode de réalisation numérique de filtre d'adaptation mettant en oeuvre l'algorithme classique LMS de Widrow-Hoff; la figure 3 est un diagramme synoptique partiel d'un mode de réalisation numérique d'un filtre d'adaptation selon l'invention avec une variante d"algorithme LMS de Widrow-Hoff;

la figure 4 est un diagramme synoptique de l'en-

semble formant le circuit électrique du filtre d'adaptation; la figure 5 est-un diagramme synoptique de la

partie du filtre de découplage d'adaptation du filtre d'adap-

tation selon l'invention;

la figure 6 est un diagramme synoptique de la par-

tie formant filtre de compensation d'adaptation du filtre

d'adaptation selon l'invention;.

la figure 7 est un schéma des orientations rela-

tives d'une source acoustique dont le son doit être compensé et des sources de son compensateur;

la figure 8 est un diagramme synoptique repré-

sentant les orientations relatives des sources acoustiques

telles représentées sur la figure 7 avec l'addition d'un dis-

positif de détection et d'un atténuateur acoustique actif;

la figure 9 est un diagramme synoptique d'une va-

riante du circuit électrique de la figure 4 et

les figures 10 à 14 sont des représentations de -

courbes simulées de rayonnement en champ lointain dans le cas de certaines positions particulières des éléments de l'atténuateur acoustique actif par rapport à une source acoustique. On se réfère maintenant au dessin et en particu- lier à la figure 1 qui représente un atténuateur placé en coopération avec un conduit, l'atténuateur acoustique actif portant la -référence générale 11 Cet atténuateur 11 peut être considéré comme formé de trois éléments distincts, et

le début de la description qui suit concerne essentielle-

ment l'élément constituant le système physique, les autres

éléments étant considérés de façon générale le cas échéant.

Le système physique comporte un conduit 13 dans lequel se propage le son d'une source acoustique donnée,un mélangeur acoustique 15 raccordé au conduit 13, un haut-parleur 17 constituant la source du son de compensation et un guide

d'onde 19 qui relie le haut-parleur 17 au mélangeur acous-

tique 15.

Bien qu'on ait représenté le mélangeur acoustique 15 avec un diamètre légèrement supérieur à celui du conduit 13, cette disposition géométrique n'est pas indispensable

à l'obtention des caractéristiques convenables de l'atténua-

teur actif 13, et cette caractéristique n'est indiquée qu'à

titre illustratif.

L'un des avantages de l'atténuateur actif 11 par rapport aux s Vstèmes connus et qui apparaît immédiatement est que le haut-parleur 17 est placé à distance du conduit 13 et est raccordé au mélangeur acoustique 15 par un guide

d'onde allongé 19 qui peut comporter un obturateur (non re-

présenté) destiné à empêcher les particules de poussière, de matière caustique et d'autres débris circulant dans le conduit 13 de détériorer le haut-parleur 17 Les atténuateurs acoustiques connus sont tels que le haut-parleur se trouve

directement dans le conduit dans lequel les conditions in-

ternes et externes qui peuvent être rencontrées dans de nombreuses applications, provoquent une détérioration ou une destruction rapide Non seulement le haut-parleur 17 est

protégé contre les conditions Internes régnant dans le con-

duit 13 et le mélangeur acoustique 15 par le guide d'onde 19, mais aussi il est logé dans-un e enceinte 21 qui le

protège contre des conditions régnant à l'extérieur du con-

duit 13 L'enceinte 21 doit'présenter-des pertes élevées par transmission et elle peut aussi être revêtue d'un matériau absorbant acoustiquement afin que le signal du haut-parleur 17 ne puisse pas se propager autrement que dans le guide d'onde 19 Il faut noter que ce dernier est totalement séparé du conduit 13 et du mélangeur acoustique 15, c'est-à-dire

que le guide d'onde 19 n'est pas un conduit monté en dériva-

tion et qu'aucun courant ne circule du conduit principal 13 dans le guide d'onde 19 Ce dernier est disposé uniquement de manière qu'il transmette le bruit compensateur provenant du haut-parleur 17 au mélangeur acoustique 15 et qu'il isole et protège le haut-parleur 17 des conditions régnant dans le

conduit 13.

L'élément électronique de l'atténuateur actif 11 est représenté sur la figure 1 sous sa forme la plus simple,

dans cette partie de la description La suite de celle-ci

donne les détails du circuit électronique selon l'invention et notamment l'explication du circuit complet utilisé à cet effet La version simplifiée de l'élément électronique de l'atténuateur actif 11 comporte un filtre 23 d'adaptation, un amplificateur 25, un filtre 29 correcteur de déphasage

et une boucle continue portant la référence générale 31.

L'élément de couplage selon l'invention, destiné à coupler le

système physique au système électronique, comporte un ar-

rangement 33 de microphones placés dans le conduit 13 avant

le guide d'onde 19 ou en amont de celui-ci, afin qu'il dé-

tecte le son de la source, et un microphone 35 placé dans le mélangeur acoustique 15 en aval du guide d'onde 19, dans

un but décrit dans la suite du présent mémoire.

Dans le mode de fonctionnement provoquant la com-

pensation ou annulation, l'atténuateur actif 11 a le fonc-

tionnement général suivant Du bruit d'une large bande se

propage le long du conduit 13 et il est détecté par l'arran-

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gement 33 de microphones qui forme un signal transmis au

filtre 23 d'adaptation Celui-ci transmet un signal de sor-

tie destiné à exciter le haut-parleur 17 qui introduit un

bruit "compensateur" dans le guide d'onde 19 et dans le mé-

langeur acoustique 15 Comme une onde sonore est formée d'une suite de compressions et de dépressions avec une phase et une

fréquence données, la pression de ces ondes peut être ré-

duite ou"annulée' par création d'une onde secondaire dont les compressions et dépressions ont une même amplitude mais

un déphasage de 180 par rapport aux ondes du son principal.

Le microphone 35, placé en aval du guide d'onde 19 dans le mélangeur, acoustique 15, détecte le degré d'atténuation ou

d'annulation du son de la source après que les ondes acous-

tiques produites par -le haut-parleur 17 lui ont été combinées.

Le signal du microphone 35 est transmis au filtre 23 d'adap-

tation sous forme d'un signal d'erreur qui, en fait, est une

indication de l'atténuation obtenue dans le mélangeur acous-

tique 15 Le filtre d'adaptation, pendant son fonctionnement, règle son signal de sortie en fonction du son 'compensateur" de manière que celuici ait une amplitude et un déphasage de 180 par rapport au son de la source avec une meilleure approximation. Le second élément principal de l'atténuateur

acoustique actif 11 selon l'invention-est le circuit élec-

tronique de commande du système physique tel que décrit

précédemment Une description rapide des circuits connus

peut être utile pour l'appréciation des-progrès constitués par le circuit électrique de commande selon l'invention La sommation linéaire de deux signaux égaux mais opposés a été reconnue depuis longtemps comme une technique donnant un

signal électronique ou acoustique nul Plusieurs circuits -

de compensation acoustique créés jusqu'à présent reposent sur ce principe d'annulation des signaux "égaux et opposés", selon lequel une onde compensatrice créée par un haut-parleur est introduite dans un espace confiné tel qu'un conduit afin

que les variations de pressions produites par les ondes so-

nores se propageant dans le conduit à partir d'une source donnée soient réduites Dans le modèle le plus simple, le

signal créé par la source est considéré comme un son pur re-

présenté par un seul vecteur tournant Lae signal compensa-

teur doit suivre la source, avec une certaine erreur per-

mise maximale, afin que l'atténuation voulue soit obtenue. Un problème important posé par cette technique, est que les erreurs permises sur l'amplitude et le déphasage doivent être inférieures à des tolérances quine peuvent être obtenues

qu'avec les dispositifs acoustiques les meilleurs Par exem-

ple, lorsque la compensation doit atteindre 20 décibels, les erreurs créées par des microphones, le haut-parleur et le

circuit électronique de-tels systèmes-doivent être infé-

rieures à l décibel en amplitude et 60 en déphasage Comme décrit plus en détail dans la suite, l'invention résout ce problème par mise en oeuvre d'une technique de relaxation

des tolérances mettant en oeuvre des principes de réaction.

Un circuit de réaction concentre les critères serrés-portant sur les caractéristiques sur un petit nombre de dispositifs dont la commande est facile au lieu de nécessiter une grande

précision dans tous les éléments.

* Le brevet des Etats-Unis d'Amérique na 4 122 303 de Chaplin et al décrit l'un des systèmes les plus récents

d'atténuation active et met en oeuvre ostensiblement un -pro-

cessus "d'adaptation" pour la création d'une onde compensa-

triée compable -d'obtenir une annulation en combinaison avec des ondes acoustiques d'une source L'examen de ce système montre-cependant que le circuit électronique ne met pas en

oeuvre un véritable processus d'adaptation mais au con-

traire une approche empirique dans laquelle des estimations -

sont effectuées en série sur le signal d'erreur qui est constitué par la différence entre l'atténuation voulue-et l'atténuation réelle Enfin, les estimations sur le signal

d'erreur deviennent des approximations de plus en plus ser-

rées de l'erreur voulue, en fonction de valeurs préréglées.

Non seulement un tel procédé empirique est très long (il nécessite de 5 à 30 min) mais, lorsqu'il a été exécuté, le système doit être arrêté manuellement afin qu'il ne puisse pas présenter une oscillation ou un basculement entre des résultats relativement bons et relativement mauvais En outre, lorsque le processus empirique a commencé dans le système

de Chaplin et al, toute variation du son de la source, pen-

dant les 5 à 30 min nécessaires à l'exécution du processus, provoque aussi-une oscillation du fonctionnement. Un aspect essentiel du circuit électronique selon

l'invention est qu'il s'agit d'un système déterministe met-

tant en oeuvre des véritables filtres d'adaptation contrai-

rement à l'approche empirique décrite par Chaplin et al. Cela signifie quele circuit électronique selon l'invention règle automatiquement ses propres paramètres et cherche à

optimiser ses caractéristiques en fonction de critères spé-

cifiques En outre, grâce aux principes précités de réaction, le circuit électronique selon l'invention n'est pas aussi

sensible aux tolérances fixées pour les dispositifs acous-

tiques utilisés que dans de nombreux systèmes connus En fait, lorsque les erreurs permises sur l'amplitude et le

déphasage des dispositifs acoustiques utilisés dans les sys-

tèmes connus sont de l'ordre de 1 décibel en amplitude et 6 en déphasage, le circuit électronique selon l'invention peut tolérer les erreurs en amplitude et en déphasage de

l'ordre d'au moins 10 décibels et 450, Grâce à la relaxa-

tion de ces tolérances, la mise en place et le maintien en état de l'ensemble de l'appareillage peuvent être réalisés par des techniciens de compétence ordinaire, si bien que

l'atténuateur acoustique actif 11 devient utilisable indus-

triellement dans diverses applications.

Le circuit électronique de l'atténuateur actif il met en oeuvre une variante de l'algorithme d'adaptation

LMS de Widrow-Hoff, en configuration-de compensation acous-

tique par adaptation véritable L'algorithme LMS a été réa-

lisé afin d'être utilisé dans des systèmes d'accentuation de signaux, l'amélioration du rapport signal/bruit ou la réduction du bruit étant obtenue uniquement dans le circuit électronique Cet algorithme a été notablement modifié pour le circuit selon l'invention afin qu'il puisse être utilisé lorsque la compensation et/ou la réduction des vibrations et du bruit doivent être obtenues dans un système physique présentant des retards propres, par exemple dans un champ acoustique Les variantes d'algorithme LMS de Widrow-Hof f conservent les avantages du traitement des signaux propres à l'algorithme d'origine et permettent l'application de ces avantages aux problèmes de compensation acoustique active. D'autres algorithmesd'adaptation existent pour la résolution de la fonction erreur quadratique et de nombreux algorithmes peuvent être modifiés afin qu'ils fonctionnent d'une manière

satisfaisante dans un appareil de compensation acoustique.

Le rôle de l'algorithme d'adaptation, comme décrit en dé-

tail dans la suite du présent mémoire, est de déterminer une solution optimale ou presque optimale au problème posé par

le filtrage compensateur De tels autres algorithmes,-mo-

difiés suivant les enseignements du présent mémoire, peu-

vent remplir cette fonction et doivent être considérés comme

incorporés à la présente invention.

Avant description de la variante de l'algorithme

LMS miseen oeuvre dans les filtres d'adaptation selon l'in-

vention, on considère un filtre d'adaptation mettant en oeu-

vre l'algorithme LMS classique pour la commande de son fonc-

tionnement La figure 2 représente un filtre d'adaptation

mettant en oeuvre-l'algorithme LMS normal de Widrow-Hoff.

L'élément essentiel du filtre d'adaptation est connu sous le nom de filtre transversal 53 comme indiqué dans le cadre en traits interrompus de la figure 2 Le filtre transversal 53 peut être considéré comme une série d'éléments à retard, le signal de sortie du filtre étant obtenu par sommation pondérée de signaux retardés de sortie Sur la figure 2, un jeu de N mesures S(t) est échantillonné et forme N mesures

d'échantillon S(j), j étant l'index temporel échantillonné.

Chacun des points 37 sur la figure 2 peut être considéré comme constituant des valeurs échantillonnées d'ent 2 rée, le

facteur Z_ 1 représentant un retard Chaque valeur d'échantil-

lon 37 est multipliée par un coefficient correspondant de pondération W(j) dans un circuit multiplicateur 39, et les mesures pondérées sont transmises à un additionneur 41 afin qu'elles forment un signal de sortie yj qui constitue le

signal de sortie du filtre transversal 53 Ce signal de sor-

tie est comparé à une réponse voulue d dans un addition-

3.

neur 43 afin qu'un signal d'erreur ej soit formé.

Le rôle de l'algorithme LMS qui contrôle le fonc-

tionnement du filtre transversal 53 est d'obtenir d'une ma-

nière déterministe le coefficient de pondération d'une ma- nière telle que le signal d'erreur ej soit minimal et que la somme pondérée des signaux d'entrée correspondant lé

mieux à la réponse voulue soit trouvée Les variations du-

vecteur de pohdération, nécessaires à ce résultat, sont réa-

lisées dans la direction du vecteur gradient estimé par-

mise en oeuvre de la méthode de la descente la plus grande sur la surface d'erreur quadratique Un traitement détaillé de ce sujet figure dans l'article de Prof Bernard Widrow "Adaptive Filters" dans Aspects of Network and System Theory édité par Rudolph E Kalman et Nicholas De Claris La figure 2 donne, dans le cadre 55 de droite en traits interrompust une représentation sous forme d'un diagramme synoptique d'une réalisation numérique de l'algorithme LMS Il faut noter que, bien qu'il soit représenté sous forme numérique, ce circuit peut être réalisé sous forme analogique, un filtre transversal pouvant aussi être utilisé A titre illustratif, on n'a représenté sur -es dessins que deux valeurs d'échantillon des signaux d'entrée

et les fonctions pondérées correspondantes Le signal d'en-

trée S(j) est transmis à un circuit multiplicateur 45 Le signal d'erreur ej, avec un facteur d'échelle u qui règle la vitesse de convergence et la stabilité de l'algorithme, est introduit dans un circuit multiplicateur 47 Le signal d'erreur ayant le facteur d'échelle convenable est alors

multiplié dans un circuit 45 par le signal S(j), et ce pro-

duit est introduit dans un additionneur 49 et un circuit 51

à retard unitaire ou mémoire à accès direct de coefficient.

La valeur de la pondération W 1 (j+l) est renvoyée au circuit 39 de pondération réglable correspondant au signal d'entrée 3.5 S(j+l) dont le produit fait alors partie du signal de sortie du filtre transversal 53 La même opération est réalisée

pour le signal d'entrée S(j-1) correspondant au poids W 2 (j).

Comme indiqué précédemment, l'algorithme LMS s'est révélé -efficace dans de nombreuses applications de traitement de

signaux par adaptation dans lesuldles le réglage de la pondé-

ration déterminé d'après le signal d'erreur peut être direc-

tement renvoyé comme pondération réglable-correspondant au signal dentrée pour lequel il a été déterminé, pratiquement

sans aucun retard.

Dans le mode de réalisation-de la figure 2, l'algo-

rithme LMS et le filtre transversal ne conviendraient pas à la

résolution d'un problème de compensation acoustique La com-

pensation d'une onde acoustique se propageant le long d'un conduit nécessite qu'un signal égal et de sens opposé coopère

avec le signal à compenser afin que les variations de la pres-

sion maximale créées dans le mélangeur acoustique 15 soient réduites L'interaction des deux ondes nécessite un parcours

de longueur déterminée et une durée correspondante On se ré-

fère maintenant aux figures 3 et 4 qui montrent que, dans le système physique de l'atténuateur actif 11,g il faut un temps

fini pour qu'une onde acoustique se propage à partir de l'ar-

rangement 33 de microphones au niveau duquel le signal d'en-

trée est détecté En outre, un retard existe pour la propaga-

tion du son compensateur produit par le haut-parleur 17 dans le guide d'onde 19 jusqu'au mélangeur acoustique 15 Ces

retards peuvent être-évalués approximativement d'après la dis-

tance parcourue dans le conduit 13, le mélangeur 1 5 et le

guide d'onde 19, divisé par la vitesse du son Le retard pré-

vu pour la plupart des systèmes sont compris entre quelques

millisecondes et quelques dixièmes de seconde Avec une fré-

quence d'échantillonnage dépassant 2 000 par seconde, le re-

tardexprimé en intervalles d'échantillonnage est compris

entre quelques unités et plusieurs centaines.

Le retard, exprimé en intervalles d'échantillon-

nage, peut être représenté sous la forme: retard = K ( 1/fréquence d'échantillonnage)

K étant un nombre entier constant.

: 35 L'algorithme LMS de Widrow-Hoff a été modifié afin qu'il tienne compte du retard propre dans le système

physique de l'atténuateur actif 1 l si bien que les coeffi-

cients de pondération déterminés dans l'algorithme-corres-

2 36891

pondent aux signaux correspondants d'entrée dp filtre trans-

versal pour lesquels les coefficients de pondération ont été déterminés.

Le coefficient de pondération d'un nouvel échan-

tillon S(j) du signal d'entrée peut être exprimé sous la forme: WI(j) = W 1 (j-l) + u Slj (K+ 1)j e (j-1) ( 1)

u étant un facteur d'échelle.

La nouvelle valeur des poids peut être écrite sous la forme suivante: Wi (j+l) = Wi(j) + u S (j-K) e (j) ( 2) i étant l'identification de la prise et s(j-k) les K intervalles d'échantillonsd'entrée passés. Lorsque chaque nouvelle valeur d'échantillon du signal d'entrée est transmise au filtre transversal 53, elle provoque la création du produit du premier coefficient de pondération et du dernier échantillon du signal d'entrée qui est ajouté au produit du second poids et de l'avant dernier

échantillon du signal, et ainsi de suite jusqu'à l'accumula-

tion du dernier poids multiplié par 'l'échantillon le plus ancien L'accumulation totale de ces termes forme le signal de sortie y(j) du filtre transversal 53 Les coefficients de pondération sont remis à jour par l'échantillon correspondant d'entrée et le signal d'erreur afin que les retards propres

au système physique soient pris en compte La figure 3 repré-

sente un mode de réalisation numérique de l'algorithme LMS modifié selon l'invention (avec K = 2) dans lequel le retard

indiqué est compensé si bien que des coefficients correspon-

dants de pondération, des échantillons du signal d'entrée et le signal d'erreur sont combinés dans le filtre d'adaptation

en formant le signal de sortie y(j).

On se réfère maintenant aux figures 1 à 4 pour

la description du circuit électronique de l'atténuateur

actif 11 comprenant des filtres d'adaptation mettant en oeuvre un algorithme LMS modifié de Widrow-Hoffo Sous sa

forme la plus simple représentée sur la figure 1, le fonc-

tionnement du circuit électrique'de l'atténuateur actif 11 peut être décrit par la séquence suivante 1 échantillonnage de l'onde acoustique de la source se propageant le long du conduit 13 (signal) 2 retardement, filtrage et changement d'échelle du-signal 3 pilotage du haut-parleur 17 'avec le signal de sortie obtenu en 2 afin que la réplique convenable du signal soit injectée 4 détection du signal acoustique de sortie du mélangeur acoustique 15 (erreur) ajustement de ( 2) à l'aide de l'algorithme mo- difié LMS

6 retour à ( 1).

Le filtre d'adaptation 23 représenté sur la figure 1 est un

arrangement à trois voies comprenant deux entrées et une sor-

tie Il reçoit un signal d'entrée de l'arrangement 33 de mi-

crophones, sous forme d'un signal électrique correspondant au son de la source dans le conduit 13, et il forme un signal de sortie destiné à exciter le haut-parleur 17 afin quil forme

une réplique qui est une image séclahre du son de la source, cette ré-

plique étant introduite dans le mélangeur acoustique 15 par

le guide d'onde 19 Le signal de sortie du mélangeur 15, détec-

té par le microphone 35, est introduit dans le filtre 23 d'adaptation sous forme d'un signal d'erreur, ou le mélangeur acoustique 15 assure la sommation du son de la source et de la réplique. Le retard acoustique de propagation propre au système physique de l'atténuateur actif il doit apparaître sous forme d'un retard dans toute la plage des fréquences

intéressantes La tolérance de phase sur ce retard est d'en-

viron + 450 à chaque fréquence Dans le diagramme synoptique

du circuit électronique de la figure 1, un filtre 29 correc-

teur du déphasage du second ordre est introduit afin qu'il compense les résonances acoustiques dans le mélangeur 15 Les caractéristiques du filtre 29 doivent être déterminées à la

main, à l'aide d'instruments convenables, d'après les caracté-

ristiques du conduit dans une application particulière Comme.

19 36891

décrit dans la suite, cette fonction peut être réalisée à

l'aide d'un filtre d'adaptation si bien que l'étalonnage ma-

nuel du filtre 29 est éliminé.

Une boucle en courant continu est aussi -incorporée au diagramme synoptique de l'atténuateur actif 'i de la fi- gure 1 et porte la référence générale 31 Le microphone 35 ne peut pas détecter les composantes à très basse fréquence

du signal de sortie du mélangeur 15 qui, en plus d'une com-

posante continue, sont nécessairesà une mise en oeuvre stable de l'algorithme:LMS du filtre d 1 adaptation 23 Cette boucle

31 est incorporée afin qu'elle forme la composante en'cou-

rant continu, et l'algorithme LMS est modifié afin qu'il'

tienne compte de ce signal d'entrée.

On se réfère maintenant aux figures 4 à 6 qui re-

présentent un mode de réalisation perfectionné de-la partie acoustique de l'atténuateur actif 11 Trois filtres séparés

d'adaptation sont incorporés au circuit électronique de l'at-

ténuateur 11 et remplissent chacun une fonction séparée.

Avant la description des -traitements réalisés dans les fil-

tres d'adaptation, on doit considérer le rôle des autres élé-

ments du circuit Une réalisation numérique de l'algorithme

d'adaptation est utilisée dans ce mode de réalisation' du cir-

cuit électronique de l'atténuateur 11 Les convertisseurs analogiquesnumériques portant la référence générale 63 sur les figures 4 à 6, donnent les valeurs des échantillons des

signaux choisis d'entrée avec un format numérique Les con-

vertisseurs 63 sont des convertisseurs à 12 bits fonctionnant

par approximationssuccessives.

La plus grande partie du traitement des signaux dans le circuit électronique se fait sous forme numérique et la fréquence d'échantillonnage des convertisseurs fixe une limite supérieure à la largeur de bande permise des signaux

d'entrée et d'erreur La limite de la fréquence d'échantil-

lonnage nécessite que la fréquence maximale d'entrée soit inférieure à la moitié de la fréquence d'échantillonnage Les filtres passe-bas 65 des signaux d'entrée du système sont

nécessaires a-fin que la fréquence maximale d'entrée soit li-

mitée à moins de la moitié de la fréquence d'échantillonnage

2536 891

de conversion analogique-numérique Le signal de sortie du convertisseur numérique-analogique 67 pose aussi un pro blème d'adaptation de fréquence Le signal de sortie des filtres d'adaptation pourrait exciter une résonance dans le système à toute fréquence d'un signal correspondant ou multiple de celui du convertisseur 67 En conséquence, le filtre passe-bas 65 monté à la sortie du convertisseur 67 est nécessaire afin qu'il limite la fréquence maximale de

sortie à la bande intéressante.

Les circuits multiplicateurs 39, 45, 47 et 69 et les accumulateurs ou circuits additionneurs 41, 43, 49 et 71 représentés sur les figures 2 à 6 effectuent les calculs

nécessaires au traitement par adaptation considérée On cons-

tate que le circuit multiplicateur-accumulateur parallèle à

12 bits "RW" type TDC 1003 J ou un circuit équivalent convena-

ble donne les possibilités nécessaires de calcul à grande vitesse. Le premier des trois filtres d'adaptation utilisé dans le circuit électronique de l'atténuateur actif 11 i peut être considéré comme un filtre d'adaptation compensateur 23

tel que représenté sur les figures 1 et 4 Ce filtre compen-

sateur 23 met en oeuvre un algorithme modifié LMS afin qu'il contrôle le fonctionnement de son filtre transversal comme

décrit précédemment Plus précisément, les fonctions fonda-

mentales du filtre compensateur 23 d'adaptation, notamment la réponse en phase, l'amplitude et le retard; sont remplies

par le filtre transversal qui est un filtre à réponse impul-

sionnelle finie et non récurrent La réalisation du filtre

est de nature numérique, les prédécesseurs du signal d'en-

trée et les poids des prises étant mémorisés dans une mé-

moire à accès direct Comme indiqué précédemment, le fonc-

tionnement du filtre transversal peut être décrit comme la création du produit du premier poids obtenu à partir de

l'algorithme LMS et du dernier échantillon du signal d'en-

' trée, augmenté du second poids tiré de l'algorithme multiplié par l'avant-dernier échantillon, et ainsi de suite jusqu'à l'accumulation du produit du dernier poids par l'échantillon le plus ancien Ceci peut être représenté par l'équation :53689 l suivante i = I Signal de sortie = 51 W ( 3) i=i

dans laquelle Si représente le signal échantillonné d'en-

i ième trée correspondant à la ime prise, W est le poids de la ième 2 i iime prise, i est l'identification de la prise et I le nom- bre de prises On peut considérer que le filtre compensateur 23

d'adaptation est un filtre transversal lorsque -les ajuste-

ments des poids sont interrompus Le fonctionnement du filtre

compensateur 23 d'adaptation détermine les valeurs que doi-

vent avoir les poids du filtre voulu (c'est-à-dire les condi-

tions optimales de filtrage) par un dispositif d'adaptation

et met en oeuvre la fonction voulue de filtrage par utilisa-

tion des poids déterminés dans le filtre transversal Le rôle de l'algorithme LMS modifié est de contrôler le fonctionnement

du filtre transversal par adaptation de la fonction de fil-

trage du filtre compensateur 23 d'adaptation à la fonction voulue de filtrage: Le signal d'erreur détecté par le microphone 35

et transmis au filtre 23 peut être représenté comme la som-

mation de l'onde de pression de la source détectée par l'ar-

rangement 33 de microphones, retardée par le retard acous-

tique de ce point au microphone 35, augmentée de l'onde compensatrice formée par le haut-parleur 17 et retardée du parcours dans le guide d'onde 19 et le mélangeur acoustique jusqu'au microphone 35 Lorsque l'arrangement 33 de mi

crophone, le haut-parleur 17, le guide d'onde 19 et le micro-

phone 35 sont mis physiquement en position les uns par rap-

port aux autres dans le conduit 13 et par rapport au mélan-

geur acoustique 15, il faut que le retard ou la longueur totale de l'arrangement 33 au microphone 35 soit supérieur

au retard ou à la longueur totale du haut-parleur 17 au mi-

crophone 35 augmenté du retard dû au fonctionnement des fil-

tres passe-bas 65 Cette relation peut être exprimée par l'équation suivante (voir figure 1): L > 4 min + d + d 2 + Dfc 4 1 d 2 +fc ( 4) dans laquelle X min représente la plus courte longueur

d'onde intéressante, L est la distance comprise entre l'ar-

jangement 33 et le microphone 35, c est la vitesse du son, d est la distance séparant le guide d'onde 19 du microphone 35, d 2 est la distance séparant le mélangeur 15 (c'est-à- dire dans l'alignement du microphone 35) au haut-parleur 17,

Dc est retard dû aux filtres passe-bas 65.

Le retard Df dû aux filtres passe-bas 65 peut être exprimé d'après la fréquence de coupure ou F Max' Un filtre passe-bas 65 du quatrième ordre a un retard de 450

pour chaque pôle à la fréquence de coupure et une bonne réa-

lisation de filtre correspond approximativement à un filtre à retard constant En conséquence, le retard, pour un filtre du quatrième ordre, peut être représenté approximativement 1/2 coupure et Df peut être considéré comme approximativement égal à 1/Fcoupure; pour les deux jeux de

filtres du quatrième ordre montés en série.

Le second filtre d'adaptation inclus au circuit électrique de l'atténuateur actif Il peut être appelé un filtre d'adaptation 75 de découplage-comme représenté sur

les figures 4 et 5 Un problème potentiel posé par la plu-

part des atténuateurs actifs est la production d'ondes sta-

tionnaires ou de vibrations mécaniques du conduit sous l'ac-

tion du son compensateur introduit par le haut-parleur et se propageant vers le microphone ou l'arrangement de microphones qui détecte le son de la source Ce couplage a tendance à

perturber l'estimation, par-le microphone qui détecte le si-

gnal, du son de la source se propageant vers l'aval et rédui-

sant l'efficacité du système compensateur Bien qu'on ait suggéré l'utilisation de microphones unidirectionnels afin

de résoudre ce problème, ceux-ci n'ont pas toujours une ac-

tion suffisante pour remédier à cet inconvénient qui limite

l'application du système.

Le filtre d'adaptation 75 de découplage résout ce problème de la manière suivante Comme l'indique la figure , une source 76 de bruit à large bande commande le haut- parleur compensateur 17 et le filtre 75 de découplage Avant la mise en route du système, la source 76 de bruit est réglée

: 2536891

automatiquement afin qu'elle excite le conduit 13 à un niveau

sonore supérieur à celui de la source nécessaire pour l'an-

nulation du bruit prévu de la source Le processus d'adapta-

tion réduit le signal de sortie de l'additionneur d'erreur et adapte la fonction de transfert du filtre transversal in- corporée au filtre 75 de découplage au couplage acoustique présent dans le conduit 13 et à ce moment, la source- 76 de bruit est arrêtée A la mise en route du système, le filtre de découplage traite le signal d'excitation du haut-parleur 17 Les composantes du signal d'excitation du haut-parleur qui apparaissent dans le signal de sortie de l'arrangement 33 sont supprimées par soustraction d'une image égale et opposée dans l'additionneur 71 Le processus de soustraction est réalisé électroniquement dans le domaine numérique du filtre 75 de découplage et dans l'additionneur 71 Bien que cette procédure n'élimine pas totalement l'effet du signal

de sortie du haut-parleur 17 sur l'arrangement 33, une réduc-

tion suffisante peut être obtenue dans la plupart des appli-

cations. On se réfère maintenant aux figures 4 et 6 qui représentent le troisième filtre d'adaptation du circuit électronique de l'atténuateur actif 11, ce filtre pouvant être appelé filtre de compensation 79 par adaptation Comme

indiqué précédemment dans la discussion du circuit électro-

nique représenté sur la figure 1, un dispositif de compen-

sation doit être monté en série entre le signal de sortie du filtre compensateur 23 et l'entrée du signal d'erreur de celui-ci afin que la mise en oeuvre de l'algorithme modifié

LMS puisse être stable Bien qu'on ait représenté cette com-

pensation effectuée dans un filtre 29 de correction de phase

du second ordre sur la figure 5, il faut noter que l'étalon-

nage manuel du filtre 29 peut être réalisé par un filtre

d'adaptation Le filtre 79 de compensation d'adaptation rem-

plit cette fonction.

Comme indiqué sur la figure 6, le filtre 79 de

compensation, le haut-parleur 17, le guide d'onde 19, le -

mélangeur acoustique 15 et le microphone 35 sont montés en série les uns par-rapport aux autres et en parallèle par

rapport au circuit à retard à large bande comprenant un cir-

cuit à retard ou mémoire 78 Avant la mise en route du sys-

tème et après la:fin de l'opération de découplage décrite précédemment, la source 76 de bruit est activée afin qu'elle

excite le conduit 13 et le mélangeur acoustique 15 L'addi-

tion des trajets parallèles des signaux forme le signal

d'entrée d'erreur du filtre 79 de compensation d'adaptation.

Le processus d'adaptation assure'l'adaptation de la fonction totale de transfert du trajet en série au retard véritable de la source 76 de bruit à l'aide du dispositif à retard 78 De cette manière, les poids correspondant au filtre voulu sont formés et le signal d'erreur reçu par le filtre compensateur

* 23 d'adaptation se trouve dans la plage de tolérances conve-

nables de déphasage assurant un fonctionnement stable.

Le circuit 78 à retard de la figure 6 retarde le

signal de la source 76 de bruit d'un nombre entier d'inter-

valles d'échantillons du signal d'entrée (K) o La variante d'algorithme LMS mise en oeuvre dans le filtre 23 de la figure 4 donne un retard de K intervalles d'échantillons dans le

calcul de la valeur suivante de Wio La valeur de K est supé-

rieure au retard acoustique compris entre le haut-parleur 17 et l'entrée des signaux du filtre 79 de compensation de la figure 6 La valeur de K peut être réglée à une valeur assez grande pour qu'une seule valeur puisse être utilisée dans la plupart des applications L'adaptation du retard de la sortie à l'entrée d'erreur du filtre 23 sur la figure 4, provoquant

un déplacement du signal échantillonné utilisé pour le cal-

cul-de la valeur suivante de pondération, assure la stabili

té de la mise en oeuvre de l'algorithme modifié LMS.

On se réfère maintenant à l'utilisation de l'at-

ténuateur acoustique actif dans l'espace libre, et le prin-

cipe général de la réduction de lapuissance acoustique créée par une source sonore, par émission d'ondes acoustiques à partir d'une autre source, avec un déphasage par rapport à la 'source originale tel que la pression sonore dans la région intéressante est notablement réduite, n'est pas nouveau -Par

exemple, on a essayé de réduire les niveaux sonores à proxi-

mité des oreilles des personnes travaillant dans des envi-

ronnementsbruyantspeu après la seconde guerre mondiale Compte tenu de l'état de la technique électronique à cette époque, les gains ont été relativement faibles et l'appareillage en- combrant Comme indiqué précédemment, on a suivi diverses approches pour la mise au point de systèmes permettant la réduction de la propagation du bruit dans des conduits On peut consulter l'ouvrage "Active Attenuation of Noise The

State of the Art" de Glenn E Warnaka, Noise Control Enginee-

ring (mai-juin 1982) qui contient une discussion générale de la technique dans le domaine de l'atténuation acoustique,

notamment en espace libre.

Avant la description de l'utilisation de l'atté-

nuateur acoustique actif dans des conditions d'espace libre,

il faut considérer certains aspects théoriques des interfé-

rences de sources dans l'espace libre Dans le cas d'une source sonore sous forme d'un simple monopole, en espace non limité, l'intensité sonore Ir en direction radiale peut être représentée sous la forme Ir = 52 pc/2 lk/4 r 12 ( 5) dans cette expression" r est la distance à la source, k le

nombre d'onde (égal à w/c), P est la masse volumique du mi-

lieu, c la vitesse su son, et S l'intensité de la source

(amplitude moyenne de la vitesse des vibrations superficiel- les multipliée par la surface de la source).

Dans le cas de deux sources Sl, 52, ayant chacune

une amplitude égale à S mais ayant des signes opposés, l'in-

tensité sonore'peut être représentée approximativement sous la forme: Ir = 52 p c/2 lk/2 ir rl 2 sin 2 (kd cos 0) ( 6) Comme indiqué sur la figure 7, les deux sources sonores sont séparées par une distance 2 d et l'angle est

mesuré par rapport à la droite reliant les deux sources.

Dans l'expression de l'intensité sonore obtenue pour les deux monopôles, r est bien supérieur à d (c'est-à-dire qu'il s'agit de l'expression en champ lointain) On peut noter que l'expression à deux monopôles donne une annulation sonore le long de l'axe de symétrie passant entre les deux sources,

0 étant égal à 90 .

On peut montrer que des racines (annulation) sont obtenues chaque fois que Cos O N X/2 d N = 0,1, 2; ( 7) dans cette expression, X est la longueur d'onde à chaque fréquence acoustique et cos O est évidemment inférieur ou égal à 1 Comme cos O est inférieur ou égal à 1, les valeurs de N pour lesquelles N X/2 d est inférieur ou égal à 1 sont possibles En conséquence, pour des valeurs d grandes par rapport à (X/d " 1), les valeurs maximales permises de n peuvent être élevées, indiquant ainsi que le diagramme de

rayonnement est formé de nombreux lobes La racine correspon-

dant à O = O est relativement étroite et la surface du ni-

veau réduit de pression acoustique est faible, Ainsi, même

si le rayonnement des lobes latéraux était réduit par absorp-

tion, cet arrangement de sourcesserait très peu efficace et inutilisable en pratique Plus les sources sont proches et

plus la racine (annulation) est grandeau voisinage de O = O/2.

Lorsque d/\ ou kd devient faible, les deux monopôles peuvent être considérés comme un dipôle Dans le cas d'un dipôle, l'intensité sonore approximative est donnée par I ls 2 pc/2 ll 2 dk 2/4 Ârl 2 cos 2 e ( 8) Comme l'indique-la formule ( 8), l'obtention d'une

réduction efficace du bruit à l'aide d'une source supplémen-

taire rayonnant un son avec une phase opposée nécessite que la position de cette source soit aussi proche que possible de la source originale La distance entre les sources 2 d doit être telle que la condition correspondant à un pôle doit être satisfaite, c'est-à-dire k( 2 d) = 2 n( 2 d/X)" 1 Plus la

fréquence est élevée et plus la distance doit être faible.

Etant donné la dimension matérielle des sources, la satisfaction de ces conditions aux fréquences élevées est très difficile Cependant, dans cette région des fréquences

élevées, les enceintes entourant l'espace libre offrent habi-

tuellement de bonnes pertes par insertion D'autre part, l'atténuation passive dans la région à basse fréquence est

habituellement difficile et dans ce cas les systèmes de réduc-

tion active du bruit présentent de bonnes possibilités d'ap-

plication. La puissance acoustique totale rayonnée peut être déterminée comme le double de l'intégrale de'Ir d S sur une r surface sphérique entourant la source ou les sources Par

rapport à la puissance acoustique provenant d'un seul mono-

pôle, la puissance acoustique d'un monopôle double est égale au double de celle qui est obtenue si les sources sont

écartées Cependant, dans le cas du dipôle, la puissance to-

tale rayonnée est inférieure à celle des deux monopôles La quantité exacte d'énergie totale rayonnée dépend évidemment de l'espacement des sources acoustiques et de la fréquence du son qu'elles produisent Il existe des procédés-de calcul de la caractéristique de rayonnement en champ lointain, par mise en oeuvre des techniques en champ rapproché, comme décrit par exemple dans l'article "Near field, Underwater Measurement System" de Robert D Marciniak, J Acoust Soc Am, 66 ( 4),

octobre 1979 Cet article décrit une technique de mesure acous-

tique en champ rapproché permettant -le calcul précis des ca-

ractéristiques de rayonnement en champ lointain de transduc-

teurs sonores L'analyse repose sur l'évaluation d'une forme de l'intégrale de Helmholz qui utilise une fonction de Green qui s'annule sur la surface d'intégration et qui ne nécessite ainsi que laconnaissance de'la pression acoustique en champ

rapproché pour le calcul du rayonnement en champ lointain.

On peut déterminer d'après des considérations théoriques sur les calculs en champ lointain-et en fonction de l'arrangement des sources, par exempli comme représenté sur la figure 7, qu'une première source acoustique et une

seconde source acoustique qui peut être une source compen-

satrice à "image spéculaire", donnent un diagramme d'inten-

sité acoustique en champ lointain qui peut être pratiquement calculé Comme décrit, lorsque les deux sources acoustiques

se rapprochent, la compensation devient de plus en plus impor-

tante A l'aide de techniques supplémentaires telles que dé-

crites par exemple dans l'article de Marciniak, les effets en

champ lointain d'arrangements plus complexes en champ rappro-

ché peuvent aussi-être calculés L'attén Uateur acoustique actif décrit précédemment dans le présent mémoire convient

particulièrement bien dans de tels arrangements en champ rap-

proché, afin qu'ils donnent de bonnes propriétés de compen-

sation et/ou de réduction acoustique dans certaines régions ou dans toutes les régions du champ lointain Une disposition convenable en champ rapproché de plusieurs sources sonores compensatrices peut-être déterminée empiriquement ou à l'aide

des techniques précitées de calcul.

Par exemple, comme l'indique la figure 8, un atté-

nuateur acoustique actif 11 comporte un premier générateur acoustique de compensation tel qu'un haut-parleur Scl et un

second générateur acoustique compensateur Sc 2 o Les deux géné-

rateurs Scl et Sc 2 sont pilotés par un signal commun desor-

tie d'un circuit d'atténuateur acoustique actif L'atténua-

teur 11 a aussi un premier dispositif de détection tel qu'un microphone M 1 destiné à détecter les vibrations d'une source sonore M à compenser Un second capteur tel qu'un microphone M 2 détecte la somme de la vibration de la source S et des vibrations compensatrices Scl, Sc 2 afin qu'ilforme un signal d'entrée d'erreur destiné au circuit de l'atténuateur 11 La boucle unique de compensation de l'atténuateur peut par exemple tenir compte du retard acoustique moyen entre les

générateurs et le capteur d'erreur Dans l'arrangement re-

présenté, le microphone M 1 coïncide pratiquement avec la source S du son à annuler, et les trois sources acoustiques

et le microphone M 2 sont placés en ligne droite.

La partie formant le circuit électrique de l'atté-

nuateur acoustique actif il représentée sur la figure 8

peut être pratiquement comme indiqué sur la figure 4 Cepen-

dant, on a déterminé selon l'invention que certaines modifi-

cations de ce circuit, comme indiqué sur la figure 9, donnent

de meilleures caractéristiques à l'atténuateur Comme l'in-

dique la figure 9, le filtre 79 ' de compensation par adap-

tation est supprimé de la boucle de compensation et monté

en série avec le trajet des signaux d'erreur allant du mi-

crophone d'erreur au filtre compensateur par adaptation 23 '.

Le filtre 79 ' est réglé initialement comme indiqué sur la figure 6, puis maintenu à cet endroit du circuit pendant le fonctionnement du circuit atténuateur Le déplacement du filtre de compensation par adaptation hors de la boucle de compensation supprime une partie du retard introduit entre

le microphone capteur 33 et le haut-parleur compensateur 17.

En conséquence, le haut-parleur compensateur peut être rap-

proché du microphone capteur et en conséquence de la source acoustique. On se réfère maintenant aux figures 10 à 14 qui représentent une série de courbes de rayonnement en champ lointain, correspondant à des simulation de source double

d'atténuation agissant sur une source ponctuelle de bruit.

Dans tous les cas, les fréquences sont indiquées en hertzs

et toutes les distances sont indiquées en mètres Les cour-

bes représentent une source ponctuelle qui doit être compen-

sée, placée au centre de la grille L'intensité de la source

est choisie arbritrairement à + 30 décibels Les cercles indi-

qués en traits pointillés, concentriques à la source du bruit placée au centre de la grille, sont séparés les uns des

autres par 10 décibels Le cercle de 30 décibels est le cer-

cle externe des trois cercles et est indiqué en traits plus épais de manière qu'il corresponde à l'intensité acoustique de la source L'orientation des sources compensatrices et

des détecteurs, dans chaque simulation, correspond pratique-

ment aux orientations indiquées sur la figure 8 Deux sources adaptées de compensation sont disposées symétriquement de

part et d'autre de la source de bruit, suivant l'axe horizon-

tal qui est aussi commun d'erreur Le capteur de la source est supposé placé pratiquement à l'emplacement de la source acoustique original L'ensemble est réalisé avec une seule boucle de compensation acoustique par adaptation telle que

décrite pour l'atténuateur acoustique 11.

La courbe en traits pleins représente le diagram-

me de rayonnement en champ lointain de la source et des deux générateurs compensateurs combinés La courbe ne représente que la réduction du bruit en champ lointain dans un balayage

centré à 360 autour de la source de bruit Aucune informa-

25368 '9

- tion de distance n'est indiquée sur la courbe Aux endroits o le diagramme en traits pleins dépasse le cercle plus sombre,

l'intensité combiné du champ dépasse celui de la source d'ori-

gine ou, en d'autres termes, l'arrangement compensateur ne diminue pas mais augmente au contraire le son émis L'avan- tage d'une réduction importante du niveau sonore rayonné dans un "cône" large dans de nombreux cas résout les problèmes

provoqués par l'augmentation sonore dans d'autres directions.

La comparaison des figures 10 et 12, de même que la comparaison des figures 1 i et 13, montrent les excellentes

caractéristiques obtenues à fréquence basse pour un même espa-

cement de la source et du générateur d'atténuation Il faut

se rappeler que, de manière générale, plus les sources acous-

tiques sont rapprochées ou plus la longueur d'onde est grande (plus la fréquence est faible), meilleures sont les caractéristiques de l'arrangement à deux sources La même considération est valable pour trois sources alignées, sur les courbes simulées de rayonnement Comme l'indique en outre la figure 14, lorsque la distance entre la source acoustique à compenser et la source sonore de compensation augmente beaucoup, la courbe de rayonnement en champ lointain devient plus complexe Comme indiqué toujours sur la figure 14, même avec la configuration représentée, un "cône" important de

son annulé ou pratiquement atténué est obtenu.

Dans les diagrammes représentés de rayonnement, le microphone d'erreur est placé à distance de la source acoustique à compenser, dans la direction de compensation voulue Sur ces courbes, il s'agit du côté droit de la source

suivant l'axe horizontal Bien que les courbes de rayonne-

ment représentées correspondent à des fréquences uniques, l'atténuateur acoustique actif selon l'invention assure une réduction des vibrations acoustique ou du bruit sur une large plage Le diagramme de rayonnement en champ lointain donné

par cet atténuateur varie évidemment dans le spectre efficace-

d'atténuation, suivant les composantes spectrales du bruit.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments

constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.

Claims (1)

REVENDICATIONS 1 Appareil selon la revendication 1 du brevet prin- cipal, modifié afin qu'il assure l'atténuation de la vibration d'une source (S) disposée dans un espace libre, ledit appareil étant caractérisé en'ce-qu'il comprend un dispositif (Ml) de détection-d'entrée des vibrations, destiné à former des premiers signaux électriques représentant les caractéristiques d'amplitude et de phase de la vibration de la source, un dispositif de compensation (SC 2) destiné à créer une vibration compensatrice destinée'à être combinée à la vibration de la source et à provoquer ainsi son atténuation, un dispositif (M 2) de détection d'erreur destiné à détecter la combinaison de la vibration de compensation et de la vibration de la source, ce dispositif de détection d'erreur formant des seconds signaux électriques représentant les caractéristiques d'amplitude et de phase de la combinaison de la vibration de compensation et de la vibration de la source, la formation des seconds signaux électrique par le dispositif de détection d'erreur étant retardéepar rapport à la formation des premiers signaux électriques par le dispositif de détection d'entrée, du temps de propaga- tion de la vibration de la source du dispositif de détection d'entrée au dispositif de compensation et du temps de propagation de la vibration de la source et de la vibration de compensation jusqu'au dispositif de détection d'erreur, et un organe électronique de commande ( 11) relié au dispositif de détection d'entrée, au dispositif de compensation et au dispositif de détection d'erreur et destiné à exciter et commander le dispositif de compensation-afin qu'il forme la vibration de compensation, l'organe électronique de commande comprenant un filtre d'adaptation ( 23) de compensation mettant en oeuvre un algorithme déterministe destiné à tenir compte des retards dus à la propagation des vibrations. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe électronique de commande comporte en outre-un filtre d'adaptation compensateur ( 79) destiné à régler les caractéristiques de phase des signaux électriques produits par le dispositif de détection d'erreur et destinés à parvenir au filtre d'adaptation de compensation afin que son fonctionnement stable soit assuré. 3 Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le filtre d'adaptation de compensa- tion est un filtre transversal ( 53) -ayant un certain nombre de pondérations de filtration, le filtre d'adapta- tion de compensation mettant en oeuvre l'algorithme pour l'adaptation des pondérations d'une manière qui assure la prise en compte des retards des propagations des vibrations, afin qu'un signal de sortie soit formé pour l'excitation et la commande du dispositif de compensation qui crée la vibration de compensation. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'algorithme est un algorithme modifié des moindres carrés. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de détection d'erreur est placé à distance du dispositif de détection d'entrée, dans la direction de propagation de la vibration de la source dont la compensation est voulue. 6 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caratérisé en ce que le dispositif de compensation comprend un premier générateur ( 52) d'une vibration de compensation, distant de la source dans un premier sens de propagation de la vibration provenant de la-source et un second générateur (SC 1) de compensa- tion de vibration distant de la source dans un second sens de propagation de la vibration. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendications

1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de détection

d'entrée est disposé très près de la source des vibrations.