FR2552291A1

FR2552291A1 - Transducteur acoustique directionnel

Info

Publication number: FR2552291A1
Application number: FR8414190A
Authority: FR
Inventors: James Loton Flanagan; Robert Alfred Kubli
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-09-21
Filing date: 1984-09-17
Publication date: 1985-03-22
Also published as: FR2552291B1; GB2146870A; US4555598A; GB8423692D0; GB2146870B

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TRANSDUCTEURS ELECTROACOUSTIQUES. UN TRANSDUCTEUR ACOUSTIQUE DIRECTIONNEL COMPREND NOTAMMENT UN ENSEMBLE DE CHEMINS ACOUSTIQUES 102-1 A 102-5 AYANT CHACUN UNE PREMIERE EXTREMITE ET UNE SECONDE EXTREMITE. LA SECONDE EXTREMITE DE CHAQUE CHEMIN DEBOUCHE DANS L'ATMOSPHERE. UN DISPOSITIF ELECTROACOUSTIQUE 130 EST FIXE A UNE CAVITE ACOUSTIQUE 120 ET LES PREMIERES EXTREMITES DES CHEMINS ACOUSTIQUES SONT COUPLEES A CETTE CAVITE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN COUPLEUR 110 CONCU DE FACON A PRODUIRE UN DIAGRAMME DE REPONSE DIRECTIONNEL PREDETERMINE POUR LE TRANSDUCTEUR. APPLICATION AUX INSTALLATIONS DE TELECONFERENCE.

Description

La présente invention concerne un transducteur acoustique directionnel

comprenant un ensemble de chemins acoustiques ayant chacun des première et seconde extrémités, la seconde extrémité de chaque chemin se terminant dans l'atmosphère; une cavité acoustique; et un dispositif

électroacoustique fixé à la cavité acoustique.

Dans les systèmes de téléconférence dans lesquels plusieurs personnes se trouvant dans une salle de conférence sont mises en communication avec un réseau téléphonique ou 10 un autre système de télécommunication au moyen d'un seul dispositif audio, la réverbération et les bruits ambiants dans la salle dégradent souvent le signal audio que produit ce dispositif Il est généralement nécessaire d'adapter le système de façon à sélectionner pour la transmission la parole et d'autres sons provenant des emplacements des locuteurs dans une salle, et à rejeter la réverbération et le bruit ambiant dans la salle On a développé plusieurs techniques pour améliorer l'efficacité d'une communication de conférence Un type de configuration utilise plusieurs 20 microphones placés sur une table de conférence, sur les membres de la conférence, ou dans le plafond de la salle de conférence De cette manière, les microphones peuvent effectuer une discrimination sélective vis-à-vis des sons parasites On a cependant observé que le niveau de bruit et 25 de réverbération qu'on obtient avec de telles configurations à plusieurs microphones nuit à l'intelligibilité des

signaux des locuteurs.

Un réseau de microphones disposés en une ligne verticale, comme il est décrit dans le brevet des E U A NO 4 311 874, procure un transducteur efficace pour des grands groupes réunis autour de tables de conférence, du fait que son diagramme de directivité est toroldal dans le plan des têtes des locuteurs De tels réseaux assurent une bonne discrimination vis- à-vis du bruit et des sons 35 réfléchis par des surfaces dures dans une pièce On peut obtenir un diagramme toroidal similaire en utilisant un ensemble de tuyaux acoustiques et un seul transducteur, comme il est décrit dans l'article "Line Microphones" par Harry F Olsen, paru dans la revue Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol 27, pages 438- 446, juillet 1939. Cependant, pour obtenir le diagramme de réponse directionnel désiré, le réseau de microphones doit être placé au centre de la table de conférence Dans une telle position, la structure de transducteur peut être gênante pour les per10 sonnes qui participent à la conférence et peut leur empêcher

de voir d'autres participants.

Les problèmes sont résolus conformément à l'invention par un transducteur acoustique directionnel qui comprend un coupleur intercalé entre la première extrémité des 15 chemins acoustiques et la cavité acoustique, pour coupler les chemins acoustiques à la cavité acoustique; le coupleur comprend une structure de modification de chemin acoustique qui est conçue de façon à produire un diagramme de réponse

directionnel déterminé pour le transducteur.

L'invention porte sur un transducteur acoustique

directionnel qui comprend un ensemble de chemins acoustiques, chacun d'eux ayant des première et seconde extrémités.

La seconde extrémité de chaque chemin se termine dans l'atmosphère Un dispositif électroacoustique est fixé à une cavité acoustique et les premières extrémités des chemins acoustiques sont couplées à la cavité acoustique par l'intermédiaire d'une structure acoustique conçue de façon à produire un diagramme de réponse directionnel déterminé

pour le transducteur.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre de modes de réalisation et en

se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation en coupe latérale d'une structure de transducteur acoustique représenta35 tive de l'invention; La figure 2 montre une façon de disposer la structure de transducteur acoustique de la figure i dans une installation de téléconférence; La figure 3 est une représentation en coupe laté5 raie d'une autre structure de transducteur acoustique représentative de l'invention; et La figure 4 montre le diagramme de réponse directionnel des structures de transducteur acoustique de la

figure 1 ou de la figure 3, à une fréquence représentative.

La figure 1 montre une coupe d'un transducteur acoustique conforme à l'invention, et la figure 2 montre le transducteur de la figure 1 installé pour être utilisé dans une salle de téléconférence En considérant la figure 2, on voit que le transducteur 100 est monté sur un plafond 203, 15 par exemple à environ 3 mètres de hauteur, directement au- dessus du centre 215 de la table 210 Le transducteur peut être incorporé dans une décoration de plafond ou dans un appareil d'éclairage Les emplacements de conférence

dans la salle sont définis par les positions de chaises de 20 conférence 220-1 et 220-2 à la périphérie de la table 210.

Ces emplacements de conférence sont de façon générale au

niveau de la tête, par exemple à environ 1 mètre au-dessus du sol, à des points répartis autour de la table circulaire 210 qui peut mesurer par exemple environ 2,5 mètres de dia25 mètre et qui peut avoir une hauteur d'environ 0,75 mètre.

Les dimensions et les formes précédentes ne sont données qu'à titre d'exemple et il faut noter qu'on peut également

utiliser d'autres dimensions et d'autres formes.

Pour une installation de téléconférence, le transducteur 100 doit de préférence présenter un diagramme de réponse directionnel qui atténue les sons provenant de points de la salle autres que les emplacements de conférence, et il doit être hors de la ligne de vision des personnes qui participent à la conférence On peut atteindre ces

objectifs si le transducteur 100 présente une réponse direc-

255229 1

tionnelle avec un lobe principal qui est restreint à la périphérie de la table 210, au niveau des têtes des participants.

La réponse qui correspond au lobe principal du transducteur doit donc être décalée par rapport à la direction verticale 5 d'un angle O ', comme il est indiqué sur les figures 1 et 2, et le transducteur doit rejeter les sons qui proviennent du centre de la table ainsi que les sons qui proviennent d'emplacements de la salle autres que des emplacements de conférence On peut alors placer un haut-parleur sur la 10 table, à l'endroit o la réponse du transducteur 100 est réduite, de façon à pouvoir recevoir sans brouillage mutuel l'information qui résulte de la communication avec un

emplacement éloigné.

Le transducteur 100 représenté en détail sur la 15 figure 1 comprend des tubes 102-1 à 102-5 formant des chemins acoustiques Chaque tube peut par exemple avoir un diamètre intérieur de 2 mm et il peut être constitué par n'importe quelle matière appropriée On utilise en général 2 N+ 1 tubes Des valeurs élevées de N donnent des diagrammes 20 directionnels définis de façon plus précise Une extrémité de chaque tube se termine dans l'atmosphère et se comporte comme une ouverture sonore bien définie Les extrémités distantes qui s'ouvrent dans l'atmosphère forment un réseau linéaire Comme il est bien connu dans la technique, on peut 25 régler le retard entre des signaux provenant des points auxquels le son est capté, pour obtenir différents diagrammes directionnels Les autres extrémités des tubes 102-1 à 102-5 se terminent dans un coupleur 110 qui établit un couplage acoustique avec une cavité acoustique 120 Les sons 30 qui arrivent aux extrémités d'entrée des tubes sont soumis à des retards différents dans les tubes acoustiques et dans le coupleur 110, et ils sont sommés arithmétiquement dans

la section de cavité 122 Les sons sommés sont ensuite filtrés de façon appropriée dans une section de filtre acousti35 que 125 On peut régler le filtre 125 de façon qu'il se com-

porte comme un filtre de limitation de bande de type passebas, conçu de façon à offrir une protection contre des signaux résultant d'un repliement du spectre par un effet spatial Un microphone 130 est fixé à l'extrémité de la cavité 120 qui correspond au filtre acoustique, et les signaux électriques provenant du microphone sont appliqués à une ligne de télécommunication 150 par l'intermédiaire d'un

filtre 135 et d'un amplificateur 140.

Comme il est bien connu dans la technique, on peut 10 définir les caractéristiques directionnelles d'une structure

de transducteur à réseau linéaire en introduisant un retard acoustique approprié pour chaque point de réception du son.

On peut exprimer la réponse en fréquence complexe d'un tel réseau linéaire sous la forme: N n N ja-nd(cos 0-cos O ') R(jw,0) = Z Pn(jw)e c ( 1) n=-N en excluant un retard fixe constant, pour la causalité formelle o' est la pulsation, O est l'angle polaire entre la direction longitudinale du réseau et l'onde sonore qui arrive, c est la vitesse du son dans l'air, d est l'écartement 20 entre les points de réception, Pn(j w) est le coefficient d'amplitude, dépendant de la fréquence, pour le point de réception de rang n, 2 N+ 1 est le nombre total de points de réception dans le réseau, et O ' est la direction dans laquelle est dirigé le lobe principal Pour diriger la réponse directionnelle du lobe principal du réseau sous un angle O '= 0 degré, il faut ajouter un retard: t, _( 2) 'n = cau point de réception de rang n On obtient ce retard dans le transducteur acoustique de la figure 1 en isolant les 30 ondes sonores reçues à chaque point de réception dans un

tube de longueur déterminée Une telle configuration consti-

tue ce qu'on pourrait appeler un microphone du type "fusil de chasse" et elle est particulièrement bien adaptée pour produire des diagrammes unidirectionnels le long de l'axe

des tubes du transducteur.

Dans des applications de téléconférence comme celle représentée sur la figure 2, on désire diriger le lobe principal de la réponse du réseau de transducteur dans une direction définie par l'angle O ', de façon que des sons provenant d'emplacements de conférence soient acceptés mais que 10 des sons provenant du centre de la table et d'autres parties de la salle de conférence, à l'extérieur de la périphérie de la table, soient notablement atténués Pour les dimensions suggérées sur la figure 2, un angle 01 = 300 est un angle d'orientation approprié L'angle d'orientation exige un 15 retard différentiel: = (d/c) cos S'j ( 3) entre des points successifs de réception du son, ces points

étant uniformément espacés, à la distance d.

Pour déterminer les distances d entre les points 20 de réception des tubes et le nombre de tubes pour le transducteur, on doit prendre en considération la gamme de réponse en fréquence du réseau de transducteur La limite de fréquence supérieure minimale pour le réseau de la figure 1 est: fu = d(cos 0-cos O ')j min ( 4) et la limite de fréquence inférieure est déterminée par la relation: fc ( 5) L 2 Nd J(cos 0-cos'-)j Par conséquent, la distance de séparation d est 30 établie par la fréquence utile supérieure du réseau et N

est déterminé par la plus basse fréquence utile du réseau.

La distance entre les ouvertures sonores ou les points de réception des tubes de longueur successivement croissante de la figure 1, est donc la distance d donnée par l'équation ( 4) Le tube 102-2 est plus long que le tube 102-1 avec un écart égal à d, et les points de réception aux extrémités atmosphériques des tubes 102-1 à 102-5 sont uniformément espacés avec une distance d On peut ajouter un retard commode à tous les tubes en ajoutant une distance do, comme il est représenté sur la figure 1, pour séparer les extrémités

atmosphériques des tubes par rapport au coupleur 110.

Le remodelage de la réponse directionnelle du 10 réseau de transducteur 100 pour produire un diagramme de forme conique avec un angle de 30 exige un retard différentiel, c'est-à-dire une différence de retard entre des extrémités de sortie successives dans la cavité de sommation, égal à 0,866 (d/c) Cependant, l'écartement entre les ouver15 tures correspondant aux points de réception est déjà d, ce qui est imposé par les équations ( 3), ( 4) et ( 5) pour obtenir une gamme de fréquence appropriée et le retard différentiel correspondant à l'écartement des points de réception est d/c On obtient le retard différentiel exigé par des ajouts aux longueurs de tubes dans le coupleur 110, conformément à la relation: (N-n) ( 1-cos O') (d/c); -N N UN ( 6) Pour un angle d'orientation O = 30 , les incréments de retard appliqués aux tubes sont égaux à ( 0,134)(d/c) Le tube le plus court, 102-1, est branché à l'ajout 112-1 dans le coupleur 110, ayant une longueur de 2 N( 0,134)d/c Chaque tube successif 102-2 à 102-4 est branché à un ajout cprrespondant 112-2 à 112-4 dans le coupleur 110; et la longueur de

chaque ajout est déterminée par l'équation ( 6) Le tube le 30 plus long, 102-5, n'exige pas un prolongement.

La figure 4 montre la réponse directionnelle du transducteur 100 à une fréquence de 2500 Hz, en fonction de l'angle par rapport à l'axe du transducteur, dans le cas o le coupleur 110 est prévu pour un angle d'orientation O ' de Le diagramme de réponse varie sur la gamme de fréquence mais il forme de façon générale une figure symétrique de révolution autour d'un axe central, comme l'axe vertical marqué O sur la figure 4, dans la gamme de fréquence prédé5 terminée, et le lobe principal de la réponse englobe les emplacements de conférence et exclut le centre de la table et le reste de la salle On voit aisément qu'on obtient la réponse maximale à un angle de 30 par rapport à la direction verticale, et une atténuation notable apparait claire10 ment entre O et 20 , ainsi qu'à des angles supérieurs à 400 Dans la configuration de la figure 2, on obtient une réception maximale au niveau des têtes des emplacements des chaises de la conférence, et une réfection notable des sons provenant d'autres directions, parmi lesquelles la région 15 de la surface de la table de conférence Le transducteur procure avantageusement une réjection de sons parasites

mais n'empêche pas les participants de se voir mutuellement.

Comme décrit, le coupleur 110 est construit de façon à donner un diagramme de réponse directionnel pour le 20 transducteur 100 qui est adapté à l'installation de conférence représentée sur la figure 2 Cependant, des changements dans les dimensions ou la forme de l'installation de conférence peuvent rendre le diagramme directionnel impropre On peut modifier la réponse directionnelle du trans25 ducteur en changeant la structure des éléments tubulaires 112-1 à 112-5 On peut accomplir ceci en prévoyant des interconnexions détachables entre le coupleur 110 et les tubes 102-1 à 102-5 ainsi que la cavité acoustique 120, de façon à pouvoir sélectionner le coupleur 110 pour les carac30 téristiques particulières de chaque installation de conférence On peut changer les longueurs des éléments tubulaires 112-1 à 112-5 ou bien on peut prévoir le coupleur de façon qu'il soit capable d'incliner les tubes 102-1 à 102-5 sous un angle approprié pour la configuration de conférence, par 35 exemple en une configuration semi-circulaire Les tubes

2552 ? 91

102-1 à 102-5 peuvent être maintenus ensemble de façon rigide par une bande ou d'autres moyens, par exemple par brasage ou soudage d'une manière bien connue dans la technique, et les extrémités de couplage des tubes peuvent être construi5 tes de façon à être insérées dans des tubes de prolongement de coupleur 112-1 à 112-5, afin de maintenir les propriétés acoustiques de la structure de transducteur Le coupleur 110 peut consister en une pièce rapportée moulée en caoutchouc ou en matière plastique, contenant les tubes de prolongement 10 112-1 à 112-5 On peut également réaliser les tubes et la structure à tubes, ainsi que le coupleur 110, en matière

plastique ou en une matière comparable.

Les ondes acoustiques provenant du coupleur 110 sont dirigées de façon à pénétrer dans la cavité de somma15 tion 122 et, à partir de celle-ci, elles pénètrent dans des cavités de filtre 125 par l'intermédiaire de trous 127 Les dimensions des trous 127 et des cavités 125 sont choisies de façon à laisser passer vers le microphone 130 les ondes sonores qui appartiennent à la gamme audiofréquence sélec20 tionnée, conformément aux équations ( 3) et ( 4) Le filtre et l'amplificateur 140 modifient le signal électrique provenant du microphone 130 conformément à des principes

bien connus, pour la transmission par la ligne de télécommunication 150.

Les configurations décrites en relation avec les figures 1 et 2 supposent un diagramme de réponse du transducteur de forme conique, prévu pour un groupe de membres de la conférence assis en cercle On peut s'adapter à d'autres configurations de salle de conférence en écartant 30 en éventail les points de réception, au lieu d'avoir tous les tubes perpendiculaires à la table, ou en inclinant l'axe des tubes par rapport au plateau de la table de conférence sur la figure 2 De telles modifications pourraient donner un diagramme directionnel adapté à des tables rectan35 gulaires ou à des emplacements de conférence répartis d'une

manière autre que circulaire.

La figure 3 montre une autre structure de transducteur représentative de l'invention, dans laquelle les chemins acoustiques consistent en un ensemble de 2 N+l tubes coaxiaux 5 de longueurs différentes, dont les extrémités atmosphériques sont écartées de distances d, pour former un réseau en escalier En considérant la figure 3, on voit que des tubes coaxiaux 302-1 à 302-5 sont montés sur un coupleur 310 de façon que le tube 302-1 soit accouplé à un prolongement de 10 tube 312-1, que le tube 302-2 soit accouplé à un prolongement de tube 312-2, que le tube 302-3 soit accouplé à un prolongement de tube 312-3 et que le tube 304-4 soit accouplé à un prolongement de tube 312-4 Les tubes et les prolongements de tube peuvent bien entendu faire partie de la 15 même structure Dans ce cas, le tube et le prolongement les plus courts pénètrent le plus loin dans le coupleur 310, tandis que le tube le plus long pénètre le moins loin dans le coupleur 310 La distance entre l'extrémité atmosphérique de chaque tube et l'extrémité atmosphérique du tube adjacent 20 est fixée à d, et chaque tube pénète dans le coupleur 310 sur une distance qui conduit à une direction O ' pour le lobe

principal de la réponse du transducteur.

Une cavité acoustique 320 comprend une chambre de sommation 322 et une chambre de filtre 325 Ces chambres 25 fonctionnent de la manière décrite en relation avec les chambres 122 et 125 de la figure 1 Les ondes acoustiques provenant de la chambre de filtre 325 sont converties en un signal électrique par une structure de microphone 330, et le signal est transmis à une ligne de télécommunication 350 30 par l'intermédiaire d'un filtre 335 et d'un amplificateur 340 Comme mentionné précédemment en relation avec la figure 1, le coupleur 310 peut être interconnecté de façon

détachable aux tubes 302-1 à 302-5 et à la cavité acoustique 320, de façon qu'on puisse sélectionner le coupleur pour 35 une configuration d'installation de conférence parmi plu-

sieurs. La figure 4 montre également le diagramme de réponse directionnel du transducteur de la figure 3 dans le cas o les aires de section droite des tubes coaxiaux sont les mêmes que celles des tubes de la figure 2 Comme on le voit aisément, le lobe principal de la réponse est centré sur une direction qui fait un angle de 30 , pour recevoir les ondes sonores provenant des emplacements de conférence indiqués sur la figure 2 Les ondes sonores provenant d'autres parties 10 de l'installation de conférence sont atténuées, ce qui

supprime les réflexions et le bruit ambiant.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 Transducteur acoustique directionnel comprenant: un ensemble de chemins acoustiques ( 102-1 à 102-5) ayant chacun des première et seconde extrémités, la seconde 5 extrémité de chaque chemin se terminant dans l'atmosphère; une cavité acoustique ( 120); et un dispositif électroacoustique ( 130) fixé à la cavité acoustique; caractérisé en ce qu'un coupleur ( 110) est intercalé entre la première extrémité des chemins acoustiques et la cavité acoustique ( 120) 10 pour coupler les chemins acoustiques à la cavité acoustique; et le coupleur ( 110) comprend une structure de modification de chemins acoustiques qui est conçue de façon à produire un diagramme de réponse directionnel déterminé pour le transducteur. 2 Transducteur acoustique directionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premières extrémités des chemins acoustiques sont interconnectées de façon détachable à des prolongements des chemins, grâce à quoi on

peut sélectionner le diagramme de réponse directionnel 20 déterminé du transducteur.

3 Transducteur acoustique directionnel selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité acoustique ( 120) comprend: une première chambre acoustique ( 122) reliée au coupleur pour faire la somme des ondes acoustiques 25 provenant des prolongements des chemins acoustiques; et une seconde chambre acoustique ( 125) placée entre la première chambre acoustique et le dispositif électroacoustique et conçue de façon à restreindre la gamme de fréquence des

ondes sonores qui sont appliquées au dispositif électroacous30 tique.

4 Transducteur acoustique directionnel selon

l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en

ce que la longueur de chaque chemin acoustique est différente.

Transducteur acoustique directionnel selon la

revendication 4, caractérisé en ce que les chemins acoustiques consistent en un ensemble de tubes acoustiques de longueurs successivement croissantes, et les extrémités atmos5 phériques des tubes sont séparées par des multiples d'une distance déterminée.

6 Transducteur acoustique directionnel selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble de tubes

acoustiques de longueurs successivement croissantes consiste 10 en un ensemble de tubes pratiquement parallèles.

7 Transducteur acoustique directionnel selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble de tubes acoustiques consiste en un ensemble de tubes acoustiques coaxiaux.