FR2559984A1 - Microphone auriculaire de contact - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE AUX CAPTEURS ELECTROACOUSTIQUES DU TYPE MICROPHONE AURICULAIRE DE CONTACT. L'INVENTION A POUR OBJET UN MICROPHONE AURICULAIRE DE CONTACT DONT LA CELLULE MICROPHONIQUE ELEMENTAIRE 38, 39, 40 EST RENFERMEE PAR L'EMBOUT QUI PREND PLACE DANS LE CONDUIT AUDITIF ET QUI EST CONSTITUEE PAR UNE GAINE 39 DE MATERIAU DIELECTRIQUE ORGANIQUE ENCADREE PAR DEUX ELECTRODES COAXIALES 38, 40. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA TRANSMISSION DE SIGNAUX VOCAUX EN AMBIANCE BRUYANTE ET A LA REALISATION DE COMBINES AURICULAIRES ECOUTEUR-MICROPHONE PERMETTANT AU PORTEUR DE CONSERVER LES MAINS LIBRES.

Description

MICROPHONE AURICULAIRE DE CONTACT
La présente invention se rapporte aux capteurs électroacoustiques permettant de convertir en tension électrique des vibrations engendrées par les organes de phonation. Contrairement aux microphones les plus couramment utilisés qui réagissent à la pression acoustique des ondes sonores propagées dans l'air, les capteurs électroacoustiques considérés ici sont plus particulièrement destinés à réagir à des vibrations perçues au niveau du conduit auditif, mais qui n'empruntent pas la voie aérienne. Le cheminement par la boîte cranienne des vibrations à convertir en signal vocal intelligible suppose la mise en vibration des tissus biologiques intercalés entré la zone de capture et les zones qui participent à l'émission vocale.Le cas le plus simple est celui du microphone de contact captant de façon assez directe les vibrations au niveau du larynx, organe essentiel de phonation. Parmi les autres microphones de contact, on peut mentionner le microphone auriculaire qui s'adapte au conduit auditif comme l'écouteur du même nom. Les avantages du microphone auriculaire sont d'affranchir l'utilisateur des contraintes imposées par l'utilisation des microphones classiques et de permettre une lutte efficace contre les bruits engendrés par des sources sonores externes.

Dans le cas où l'on a besoin d'un écouteur et d'un microphone, on a proposé un combiné auriculaire très léger qui consiste essentiellement en un écouteur auriculaire dont l'embout tubulaire renferme un transducteur piézoélectrique détectant l'accélération, mais pratiquement insensible à la pression acoustique engendrée par l'écouteur ou à celle des sources sonores externes. L'inconvénient de cette disposition est que la caractéristique de réponse est influencée par l'orientation du transducteur piézoélectrique.En effet, la paroi du conduit auditif est le siège d'un champ vibratoire mécanique qui dépend du mode de transmission des vibrations depuis plusieurs foyers d'émission et ce champ donne naissance à la grandeur vectorielle qui sera détectée selon une direction préférentielle liée à l'orientation donnée au combiné auriculaire lors de sa mise en place dans le conduit auditif. Ainsi, la sensibilité microphonique peut varier en fonction de la fréquence, de la morphologie du porteur et de l'orientation prise par l'embout. Cette difficulté ne concerne pas l'écouteur, car il est conçu pour créer dans le conduit auditif une pression acoustique, grandeur scalaire à laquelle le tympan réagit sans distinction d'orientation.

En vue de pallier cet inconvénient, l'invention prévoit d'équiper la surface latérale d'un embout auriculaire d'au moins une cellule microphonique comportant un corps diélectrique formant une gaine annulaire encadrée par deux électrodes coaxiales, afin que l'excitation de cette cellule par les vibrations provenant de la paroi du conduit auditif produise un effet transducteur dépourvu de directivité radiale.

L'invention a pour objet un microphone auriculaire de contact comportant au moins une cellule microphonique sensible aux vibrations provenant de la paroi du conduit auditif avec lequel il est mis en contact, caractérisé en ce qu'il est constitué par un embout destiné à être inséré dans ledit conduit et renfermant ladite cellule microphonique, laquelle se présente sous la forme d'une gaine en matériau diélectrique organique encadrée par deux électrodes coaxiales.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 représente un combiné auriculaire écouteur-microphone selon l'état de la technique;
- la figure 2 est un diagramme explicatif;
- la figure 3 illustre une première variante de réalisation d'un dispositif de l'invention;
- la figure 4 est une vue isométrique d'un embout auriculaire équipé d'une cellule microphonique selon l'invention;
- la figure 5 est une vue en coupe d'un combiné auriculaire écouteurmicrophone illustrant une autre variante de réalisation de l'invention.

Sur la figure 1, on peut voir un combiné auriculaire écouteurmicrophone qui comporte un écouteur 18 muni d'un embout tubulaire 22 représenté en position d'insertion dans le canal auditif de l'oreille. Le canal auditif est délimité par sa paroi latérale tubulaire 2 qui communique avec les tissus biologiques de la boîte crannienne représentés par des hachures et par le tympan 3 qui marque la séparation entre l'oreille externe et l'oreille moyenne. L'intérieur de l'embout tubulaire comporte un canal qui permet de
transmettre au tympan 3 la pression acoustique créée par l'écouteur 18 et qui sert de logement à une cellule microphonique dont l'élément actif est une lamelle piézoélectrique 29. La lamelle piézoélectrique 29 est avantageusement constituée par une poutre fléchissante de type bimorphe supportée à ses extrémités par des appuis 28 attachés à l'embout 22.Les faces principales de la lamelle 29 sont munies d'électrodes 27 et 30 qui recueillent les charges électriques induites par le fléchissement alterné de la lamelle piézoélectrique 29. Une masselotte 26 charge la lamelle piézoélectrique, afin que celle fournisse en réponse à une accélération alternée de direction perpendiculaire à ses faces principales des déformations de flexion illustrées en pointillé. Ces déformations créent une tension alternative entre les fils de raccordement aux électrodes 27 et 30. Comme ie plan de la figure 1 est perpendiculaire aux faces principales de la lamelle 29, la direction préférentielle de vibration est dans le plan de la figure l et cette direction constitue l'axe sensible de la cellule microphonique.Toutes les vibrations vocales transmises par la boîte crânienne ont une action résultante sur l'embout 22 et la composante selon l'axe sensible détermine la sensibilité microphonique.

Le fonctionnement des organes de phonation perçu par conduction intracranienne fournit à travers un microphone de contact une image sonore qui s'écarte de celle que peut rendre un microphone aérien captant une émission vocale. Il est possible de caractériser sommairement la réponse en fréquence R (f) d'un microphone auriculaire à l'aide d'un excitateur de vibration qui tente de simuler le comportement moyen du conduit auditif. La courbe 31 de la figure 2 représente un tel relevé. Cependant, lors d'un essai en conditions réelles d'utilisation, on peut s'attendre à un relevé différent tel qu'illustré par la courbe 32, car l'orientation de l'embout dans le conduit auditif influence notablement la sensibilité et la réponse en fréquence du microphone. La courbe 32 peut résulter d'essais effectuées en comparant entre eux les signaux électriques produits par un microphone aérien et par un microphone de contact. Lorsque la tension microphonique délivrée par un microphone de contact correspond à la détection d'une grandeur vectorielle telle que l'accélération et lorsque les senseurs ont une structure planaire qui définissent un ou plusieurs axes sensibles, il est difficile d'obtenir une caractéristique de réponse vraiment satisfaisante.

C'est la raison pour laquelle, il y a avantage à sélectionner une structure de transducteur insensible à l'orientation, quitte à prévoir un filtrage électrique pour équilibrer la réponse acoustique globale et des moyens électriques de commutation pour rendre compatibles les fonctions écouteur et microphone.

Sur la figure 3, on peut voir un combiné auriculaire écouteurmicrophone conforme à l'invention, avec une représentation schématique des organes d'audition et de phonation. Brièvement l'organe d'audition auquel le combiné est branché comporte l'oreille externe délimitée par le pavillon 1, le conduit auditif 2 et le tympan 3. L'organe d'audition comporte également
Poreille moyenne 4 et l'oreille interne 5 avec son environnement de tissus biologiques mous et rigides représentés par des hachures. Les organes de phonation comprennent les cordes vocales 10, la cavité buccale 9 limitée par les lèvres 7 et la langue ainsi que d'autres cavités qui contribuent par effet de résonance à créer l'expression vocale.Des flèches 6, 8 et 50 symbolisent les voies intracrânienne empruntées par les vibrations qui parviennent au conduit auditif 21. On a également représenté sur la figure 3 une source sonore externe 100 permettant de recréer une ambiance sonore bruyante à laquelle le combiné risque d'être exposé.

A titre d'exemple de réalisation non limitatif, le combiné comporte un écouteur électromagnétique composé d'un diaphragme 20 qui coiffe un pot magnétique 18 dont le pôle central est muni d'une bobine excitatrice 19. Le diaphragme 20 est maintenu en place par un flasque qui se prolonge par un embout 22 inséré dans le conduit auditif 2. Conformément à l'invention, la partie microphonique du combiné est une cellule formant une gaine annulaire encadrée par deux électrodes coaxiales.

Sur la figure 3, l'embout 22 comporte à sa périphérie une gorge annulaire dans laquelle une languette 24 de film polymère piézoélectrique est logée. Cette languette 24 qui porte sur ses deux faces principales des électrodes 23 et 25 est enroulée de façon à garnir le fond cylindrique de la gorge sans recouvrement de sorte qu'elle peut être assimilée à une gaine encadrée par deux électrodes coaxiales. L'épaisseur de l'empilage de la languette 24 et des électrodes 23 et 25 est choisie pour remplir complète- ment la gorge de l'embout 22, afin d'obtenir sa compression par la paroi du conduit auditif. L'embout 22 est réalisé en matière isolante et l'électrode externe 25 est mise à la masse. Un film adhésif double face peut être avantageusement utilisé pour maintenir l'ensemble 23, 24, 25 au fond de la gorge de l'embout.Un film adhésif simple face peut parachever le montage pour isoler électriquement l'électrode 25 du conduit auditif. Bien entendu, il est également prévu de réaliser un embout 22 comportant un mandrin tubulaire ayant une tête arrondie 35 comme illustré à la figure 4. La partie postérieure de ce mandrin est emmanchée dans une rondelle 37 après avoir enfilé une gaine composite 23, 24, 25. En laissant subsister une gorge libre 36, cet embout peut être monté à force dans l'ouverture centrale du flasque avant d'un écouteur. La gaine cylindrique est une section 24 de tube en polymère piézoélectrique muni de métallisations 23 et 25;
La figure 4 représente une portion 33 de la gaine 24, afin de mettre en évidence l'étirement circonférentiel 34 auquel le tube a été soumis pour orienter les chaînes macromoléculaires du polymère piézoélectrique.La polarisation électrique préalable qui confère au film polymère 24 ses propriétés piézoélectriques est orientée selon le rayon P . L'élément piézoélectrique 33 subit une compression alternée de direction P entre le noyau du mandrin 22 et le conduit auditif et fournit sur ses faces cylindriques des charges électriques induites par effet piézoélectrique qui sont collectées par les électrodes communes 23 et 25. L'effet transducteur est donc indifférent à l'orientation des vibrations autour de l'axe z et il intègre toutes les contributions vibratoires transmises par la paroi du conduit auditif. On voit également sur la figure 4 que l'embout comporte un canal central 21 destiné à transmettre au tympan la pression acoustique engendrée par l'écouteur.

Cette pression acoustique interne produit une dilatation radiale alternée de la paroi du mandrin 22 et il en résulte une tension électrique induite entre les électrodes 23 et 25. Si l'on n'y prend garde, cette tension peut être suffisante pour créer dans un système amplificateur un effet Larsen indésirable.

Pour pallier cet inconvénient, on peut utiliser un mandrin de grande rigidité, au moins autour du canal 21.

Une autre solution est illustrée à la figure 3. La borne 13 sert de connexion de masse reliée à l'électrode externe 25 à travers un circuit commutateur 14. La borne 12 est celle qui fournit le signal microphonique après abaissement d'impédance par un transistor à effet de champ 15. Le transistor 15 a sa source reliée à l'électróde 25 et sa grille reliée à l'électrode 23. Le drain du transistor 15 est relié à la borne 12 via un interrupteur commandé par un circuit à seuil 17. Le circuit à seuil 17 est intercalé entre la bobine 19 de l'écouteur et la borne d'entrée 11 qui reçoit le signal acoustique à faire entendre à l'utilisateur du combiné. Dès que le niveau de ce signal acoustique dépasse un seuil prédéterminé, l'interrupteur prévu dans le circuit commutateur 14 isole la borne 12 du transistor 15.

Cette disposition permet le fonctionnement en alternat de l'écouteur et du microphone et comme l'amplificateur 15 n'est pas saturé par le signal correspondant au fonctionnement de l'écouteur, le passage de l'écoute du correspondant à celle de l'utilisateur peut intervenir sans temps mort.

On remarque sur la figure 3 que la cellule microphonique est reliée en parallèle avec une résistance 16. Cette résistance de valeur R coopère avec la capacité électrique C de la cellule microphonique pour corriger la réponse en fréquence de la cellule microphonique. A titre indicatif, on a réalisé sur un embout d'écouteur en caoutchouc synthétique une cellule microphonique constituée par une languette de 7 mm de largeur et de 18,8 mm de longueur extraite d'un film de polyfluorure de vinylidène métallisé sur ses deux faces.

Cette languette a été collée sur l'embout avec une languette d'adhésif double face et recouverte ensuite d'un film adhésif protecteur pour former un ensemble présentant un diamètre moyen d'enroulement de 6 mm, une largeur de 7 mm et une surépaisseur totale de 0,1 mm. La capacité électrique C interélectrodes est de l'ordre de 4,410-10 F et la résistance électrique R mise en parallèle est de 1,2 M pour obtenir une caractéristi- que de filtre passe-haut à 6 dB/octave ayant une fréquence de coupure à 3 dB de 300 Hz. Cette caractéristique permet d'éviter la transmission de bruits à très basses fréquences tels que pouls, contractions musculaires, etc ... de même que la saturation de l'amplificateur par les courants d'origine pyroélectrique. I1 peut être avantageux de faire suivre ce premier filtre d'un second placé à la sortie de l'étage d'entrée de l'amplificateur pour obtenir une pente d'affaiblissement de 12 dB/octave.

Avec un tel combiné microphonique placé dans un environnement bruyant constitué par un signal acoustique à 1 kHz présentant un niveau d'intensité de 90 dB SPL, on a constaté que la voix murmurée (40 à 50 dB) restait parfaitement détectable. On peut estimer le rapport signal à bruit à environ 50 dB dans le cadre de cette expérimentation.

Dans la description qui précède, on a décrit une cellule microphonique dont l'élément sensible est un gainage enroulé ou enfilé sur un embout passif.

Rien n'empêche de réaliser un embout microphonique entièrement en polymère piézoélectrique. La vue en coupe de la figure 5 représente une telle réalisation dans le cas où l'écouteur est un écouteur piézoélectrique
L'écouteur comprend un boîtier métallique 41 dont le fond 48 comprime un jeu d'entretoises annulaires 42 qui pincent par son bord la périphérie ondulée d'un diaphragme 43. Entre deux de ces entretoises est encastré un élément piézoélectrique bimorphe 44 revêtu sur ses deux faces principales d'électrodes reliées à des bornes de connexion 45 et 46. L'extrémité libre de l'élément piézoélectrique 44 est rendue solidaire du sommet de la partie conique du diaphragme 43 afin que la flexion alternée de l'élément moteur 44 produise un déplacement du diaphragme selon l'axe z.Un embout moulé 39 en matériau polymère piézoélectrique est adapté à la face avant du boîtier 41 de manière à mettre en communication le volume d'air emprisonné entre le diaphragme 43 et la face avant du boîtier, avec le conduit auditif dans lequel l'embout sera inséré. Cette mise en relation est assurée par un canal 21 ménagé au centre de l'embout. Le canal 21 est délimité par un tube métallique rigide 38 autour duquel est surmoulé le matériau piézoélectrique 39. Ce tube 38 fait office d'électrode interne de la cellule microphonique et est relié à l'âme d'une ligne coaxiale 47. L'électrode externe 40 de la cellule microphonique est un dépôt métallique ou une couche de polymère électriquement conducteur qui est au même potentiel que le boîtier 41 et que la gaine de blindage de la ligne coaxiale 47.Dans ce cas, le matériau polymère piézoélectrique peut être un matériau fluoré tel que le PVF2, ses alliages et copolymères. La direction de polarisation électrique rémanente du matériau piézoélectrique est radiale.

L'invention n'est pas limitée à un combiné écouteur-microphone auriculaire dans lequel l'écouteur est situé à l'extrémité de l'embout. Il entre également dans le cadre de l'invention d'équiper un casque sthétoscopique à deux branches d'embouts auriculaires réalisé conformément aux dispositions précédémment décrites ou d'utiliser l'embout auriculaire comme microphone de contact sans le relier à un écouteur. Dans certaines applications, le canal central peut être supprimé, ce qui transforme le microphone de contact en obturateur de conduit auditif utile pour isoler le porteur des bruits ambiants particulièrement intenses susceptibles de provoquer des lésions de l'appareil auditif.

I1 est également prévu d'utiliser plusieurs cellules microphoniques disposées le long de l'axe de l'embout. Un tel agencement consiste par exemple à enfiler successivement sur le mandrin 21 représenté à la figure 4 deux cellules microphoniques identiques en forme de bagues mécaniquement découplées sauf en ce qui concerne leur liaison avec le noyau central. En reliant ces cellules aux entrées complémentaires d'un amplificateur différentiel qui assure une forte réjection du mode commun, on peut réduire sensiblement la réaction acoustique due à la pression acoustique créée dans le canal 21 par un écouteur.Par contre, les vibrations transmises par le canal auditif peuvent agir sélectivement sur la cellule microphonique la plus proche de l'extrémité 35 en s'arrangeant pour que l'autre cellule ne soit pas en contact avec le canal auditif. I1 en résulte que l'amplificateur différentiel délivre un signal microphonique représentant exclusivement ce qui est capté par contact. Cette technique s'applique aussi à la disposition illustrée sur la figure 5/ car on peut créer avant dépôt de l'électrode 40 des polarisations rémanentes de signes contraires le long de l'axe z. On peut en particulier faire en sorte que l'embout microphonique soit très peu sensible aux vibrations provenant de l'excitation du canal 21 par une pression acoustique interne.En pratiquant une saignée annulaire à mi-longueur de la gaine 39 et en polarisant en sens contraire les zones qui encadrent cette saignée, une électrode collectrice unique permet d'intégrer les charges électriques induites et grâce à l'inversion des polarisations rémanentes de remplir simplement la fonction de réjection sans avoir besoin de mettre en oeuvre un amplificateur différentiel.

Bien que l'on ait décrit dessus une cellule microphonique basée sur l'utilisation d'une gaine faite de polymère piézoélectrique, on peut égale ment envisager d'autres modes de fonctionnement. On peut constater en effet que l'élément transducteur proposé est un condensateur à armatures cylindriques coaxiales. On peut donc envisager d'utiliser cet élément comme condensateur de réglage de la fréquence d'un circuit oscillateur, ce qui permet d'envisager une application du genre microphone FM.

On peut également prévoir une gaine diélectrique comportant un excès de charge électrique permanente pour obtenir un fonctionnement apparenté à celui des microphones à électret.

En ce qui concerne l'association avec un écouteur, on a décrit une réalisation électromagnétique et une réalisation piézoélectrique, mais on pourrait prévoir tout autre exemple d'écouteur tel que l'écouteur électrodynamique à bobine mobile ou l'écouteur magnétique à aimant mobile.

Enfin, pour obtenir une impédance de cellule microphonique de faible valeur, la gaine peut être constituée par l'enroulement d'un film diélectrique métallisé comportant plusieurs spires collées les unes aux autres. Cette structure peut servir de noyau à centre creux et être entourée par une forme moulée en polymère souple qui rend plus confortable l'insertion et le port de l'embout.

Bien que l'on ait cité comme exemple de polymère piézoélectrique un matériau fluoré tel que le polyfluorure de vinylidène, on peut également mettre en oeuvre un polymère chargé de grains de céramique piézoélectrique. Un matériau piézorésistif tel qu'un polymère chargé de granulats électriquement conducteurs peut également convenir pour moduler un courant électrique au rythme des vibrations du conduit auditif.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Microphone auriculaire de contact comportant au moins une cellule microphonique sensible aux vibrations provenant de la paroi du conduit auditif avec lequel il est mis en contact, caractérisé en ce qu'il est constitué par un embout (22) destiné a être inséré dans ledit conduit (2) et renfermant ladite cellule microphonique (23, 24, 25, 38, 39, 40), laquelle se présente sous la forme d'une gaine (24, 39) en matériau diélectrique organique encadrée par deux électrodes coaxiales (23, 25, 38, 40).

2. Microphone selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit embout (22) comporte un canal (21) de guidage de l'énergie acoustique, autour duquel est située ladite gaine (24, 39).

3. Microphone selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit canal (21) est entouré par deux cellules microphoniques élémentaires agencées axialement de façon que seule la cellule proche d'une extrémité (35) de l'embout (22) puisse établir un couplage mécanique par insertion dans ledit conduit (2); l'autre cellule étant destinée à réduire la sensibilité du microphone à la pression acoustique présente dans ledit canal (2 1).

4. Combiné auriculaire à écouteur comportant un microphone selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la pression acoustique produite par ledit écouteur (18, 19,20, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 48) est transmise via ledit canal (21).

5. Combiné selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit écouteur et ledit embout sont mécaniquement solidaires.

6. Combiné selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit écouteur est relié audit embout par une branche de casque sthétoscopique.

7. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite gaine est faite d'un matériau piézoélectrique ayant reçu une polarisation rémanente de direction radiale.

8. Microphone selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique comporte un matériau organique fluoré.

9. Microphone selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau organique fluoré est le polyfluorure de vinylidène, ses alliages et copolymères.

10. Microphone selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est un matériau organique chargé de particules de céramique piézoélectrique.

11. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite gaine est faite d'un matériau diélectrique ayant reçu un excès de charge électrique permanente.

12. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite gaine est faite d'un matériau organique piézorésistif.

13. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite cellule microphonique et ledit embout ont les mêmes constituants (38, 39, 40).

14. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'embout comporte un mandrin sur lequel est montée ladite gaine (23, 24, 25).

15. Microphone selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite gaine (23, 24, 25) est constituée par l'enroulement d'une languette découpée dans un film organique métallisé sur ses deux faces.

16. Microphone selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite gaine (23, 24, 25) est une section découpée dans un tube de matériau organique métallisé sur ses deux faces.

17. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est relié électriquement à des moyens amplificateurs (15) comportant un filtre passe-haut (16).

18. Combiné selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (17) dudit écouteur actionnent audelà d'un seuil prédéterminé un circuit interrupteur (14) par lequel transite le signal microphonique délivré par ladite cellule (23, 24, 25).