FR2799873A1 - Dispositif actif d'attenuation de l'intensite sonore - Google Patents
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Abstract
Dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, par émission d'ondes de contre-bruit, du type comprenant : - un ensemble de capteurs (30) susceptibles de déterminer les signaux et les directions des ondes émises par les sources de bruit éloignées; - des moyens pour traiter les signaux b (t) issus desdits capteurs, et pour générer des signaux cb (t) correspondants aux ondes de contre-bruit;- un ensemble de sources électro-acoustiques (25), lesdites sources étant installées dans l'espace proche de la zone à protéger, et connectées auxdits moyens de traitement, et susceptibles d'émettre des ondes de contre-bruit dans la même direction et dans le même sens que les ondes incidentes, les capteurs et les sources électro-acoustiques étant placés de telle façon que les ondes incidentes atteignent préalablement les capteurs, caractérisé en ce que les sources électro-acoustiques (25) sont disposées selon une surface continue (24), et selon un maillage régulier.
Description
DISPOSITIF ACTIF D'ATTENUATION DE L'INTENSITE SONORE
Domaine technique L'invention se rattache au domaine de l'acoustique. Plus précisément, elle vise les dispositifs fixes d'atténuation des bruits générés par des sources mobiles, telles que notamment les moyens de transport en général, et les avions ou les transports terrestres en particulier. L'invention constitue un perfectionnement du dispositif décrit dans le brevet
EP 0 787 340 du Demandeur.
Techniques antérieures Le Demandeur a décrit dans le brevet précité un dispositif d'atténuation de l'intensité sonore fonctionnant sur le principe de l'émission d'une onde de contre-bruit
générée à partir d'informations issues de capteurs, et émises par des sources électro-
acoustiques disposées de telle sorte que les ondes de contre-bruit se combinent avec les
ondes de bruit qu'elles admettent pour enveloppe.
Les principes décrits dans ce brevet restent valables pour le présent
perfectionnement, de sorte que ledit document est ici cité à titre de référence, et que son contenu ne sera donc pas détaillé plus avant.
Dans les formes de réalisation illustrées dans ce document, les différentes sources de contre-bruit sont associées par sous-ensembles montés sur des mâts verticaux, c'est-à-
dire selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d'incidence moyenne
des ondes de bruit.
Dans ce document, les différents mâts sont disposés aux alentours de la zone à protéger, et préférentiellement à la périphérie de la zone à protéger.
Or, on a constaté que l'écartement des mâts tels que décrits dans ce document, ne permet pas d'atténuer suffisamment les ondes sonores présentant une fréquence
relativement importante, et notamment supérieures à 500 Hz (Hertz).
Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de l'atténuation efficace des ondes sonores dans une gamme allant jusqu'au kiloHertz, voire jusqu'à 2 kHz (kiloHertz). 2 Exposé de l'invention L'invention concerne donc un dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, par émission d'ondes de contre-bruit, du type comprenant: - un ensemble de capteurs susceptibles de déterminer les signaux et les directions des ondes émises par des sources de bruit éloignées; - des moyens pour traiter les signaux issus desdits capteurs, et pour générer des signaux correspondants aux ondes de contre-bruit; - un ensemble de sources électro-acoustiques, lesdites sources étant installées dans l'espace proche de la zone à protéger, et connectées auxdits moyens de traitement, et susceptibles d'émettre des ondes de contre-bruit dans la même direction et dans le même sens que les ondes incidentes, les capteurs et les sources électro- acoustiques étant placés de telle façon que les ondes incidentes atteignent préalablement les capteurs. Ce dispositif se caractérise en ce que les sources électro-acoustiques sont disposées
selon une surface continue, et selon un maillage régulier.
En d'autres termes, l'invention consiste à associer les différentes sources de telle manière qu'elles constituent un maillage suffisamment resserré pour permettre une atténuation des ondes de fréquence élevées, c'est-à-dire dans l'application au traitement
des ondes sonores de l'ordre du kiloHertz.
Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, les sources sont espacées les unes des
zones d'une distance située entre un et deux mètres.
On conçoit aisément que l'utilisation de mâts tels que décrits dans le document précité serait totalement irréaliste pour couvrir une gamme de fréquence allant jusqu'au
kiloHertz, puisqu'il conduirait à une densité au sol de mâts beaucoup trop élevée.
En effet, selon une théorie du fonctionnement de l'écran actif, il apparaît que l'effet d'écrantage continu monocouche, est limité dans le domaine de fréquence du fait de la répartition discrète de ces sources sur la surface. Il s'agit d'un phénomène passe-bas dont la fréquence de coupure est: f0 = c. Co o: a - "a" désigne la dimension caractéristique de la maille de réseau de source, - ca est un paramètre légèrement supérieur à 1, caractéristique de la forme géométrique de la maille,
- et c0 est la célérité du son.
Au-delà de cette fréquence de coupure, les ondes incidentes ne sont plus seulement réfléchies par l'écran, mais également diffractées en amont et en aval de l'écran, avec pour effet d'induire un niveau de pression double du niveau de l'onde incidente, ce qui rend alors ledit écran non pas inopérant, mais perturbateur. 5 Le choix d'une maille suffisamment resserrée, de l'ordre de grandeur d'un demi mètre, permet d'obtenir une fréquence de coupure de l'ordre du kiloHertz englobant la
majorité du spectre de puissance de l'onde sonore d'un avion par exemple.
Ainsi, les différentes sources sont disposées selon des surfaces qui peuvent être réalisées par un treillis qui est lui-même surélevé, disposé au-dessus de la zone à couvrir
ou au-dessus des bâtiments qui la jouxtent.
Par surface continue, on entend une surface qui présente une régularité géométrique telle que toutes les sources peuvent être considérées, vis à vis d'une onde de bruit, comme
équivalentes dans leur contribution à l'atténuation, à l'effet près de leur orientation.
De telles surfaces peuvent être planes, ou bien par exemple appartenir à la famille
des quadriques, et notamment des cylindres.
En pratique, on a examiné qu'un maillage hexagonal permettait d'avoir la meilleure compacité de sources, et donc une meilleure couverture dans une bande de fréquence pour
une densité de source identique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif conforme à l'invention comporte plusieurs ensembles de sources électro-acoustiques disposées selon plusieurs surfaces décalées les unes par rapport aux autres par translation normale à leur surface, de manière à former des sources électroacoustiques, complexes, multicouches, ce qui permet
d'accroître leur espacement transversal, à bande passante égale.
Ainsi, lorsque les haut-parleurs qui constituent les sources d'électroacoustiques sont associés selon des surfaces proches les unes et les autres et sensiblement parallèles, ces ensembles de haut-parleurs ont l'effet d'un haut-parleur de plus grande section, sans en
occuper la surface.
En effet, un seul haut-parleur d'une surface utile identique occuperait une proportion
de maillage trop importante, ce qui amoindrirait la transparence visuelle de l'écran.
Dans des configurations particulières, plusieurs dispositifs peuvent être associés de telle sorte que ces dispositifs sont juxtaposés les uns à côté des autres dans l'espace de la
zone à protéger, pour couvrir une zone de géométrie particulière, comme par exemple une intersection de rues. Ces dispositifs pouvant être associés, en continuité avec des surfaces 5 de même nature constituant des écrans passifs, notamment des structures vitrées, pour des raisons architecturales et fonctionnelles.
Les différents écrans sont pilotés par un système microphonique de captation situé en amont proche de l'écran. Ce système de captation des ondes de bruit a la capacité de
séparer et caractériser ces ondes respectivement en direction et en signal, de façon à permettre aux sources de contre-bruit de les contrecarrer additivement.
Dans le cas d'une source unique de bruit, tous les échos portent pratiquement le même signal, à savoir celui de l'onde directe. Il s'agit donc du signal de la première onde
captée avec un facteur d'amplitude et un décalage dans le temps.
Les moyens de commande sont aptes, en utilisant les algorithmes appropriés, à extraire le signal commun de référence ainsi que les paramètres d'amplitude et de délai
propres à chaque signal écho, à partir d'un ensemble ou d'une base de capteurs20 microphoniques placés en amont des écrans.
Le nombre minimal de capteurs à mettre en oeuvre dans la base microphonique est au moins égal au nombre de signaux à discriminer, mais pratiquement supérieur pour
s'affranchir de l'effet de bruits parasites d'origine proche.
Dans le cas de figures plus complexes les sources de bruit sont multiples et indépendantes, comme par exemple pour des bruits générés par les moyens de transport
terrestres, tels que véhicules, automobiles ou wagons.
Dans ce cas, le nombre de signaux propres, sources indépendantes, est supérieur à la dizaine. On utilisera alors des bases microphoniques complémentaires nombreuses et
directives, disposées de préférence au plus près des sources.
Par exemple, les bases microphoniques peuvent être disposées le long de la chaussée ou de la voie de chemin de fer de manière à acquérir sélectivement, par proximité, les divers signaux de référence propres aux sources indépendantes, telles que
les trains de roue, les boggies, et les couches limites aérauliques.
De la sorte, on facilite par connaissance préalable, la séparation des différentes ondes de bruit, au niveau de l'écran.
Mais dans ce cas, les signaux qui se propagent depuis la base microphonique jusqu'aux écrans, sont soumis aux aléas de la propagation atmosphérique du son dont il faut tenir compte dans les algorithmes de séparation des signaux dans la base
microphonique proche de l'écran.
Dans tous les cas, les principes algorithmiques utilisés pour la sélection des signaux requièrent une grande précision. Cette précision des algorithmes est déterminée par la précision globale de restitution des ondes de contre-bruit, qui s'évalue de la manière suivante. En supposant que l'écran actif est destiné à s'opposer à une onde de bruit d'amplitude b(t), en générant une onde de contre-bruit d'amplitude cb(t)., l'amplitude du bruit résiduel est: e(t) = b(t) - cb(t). La norme quadratique, ou son énergie évaluée sur la durée caractéristique de la perception auditive des signaux du bruit (de l'ordre du dixième de seconde) est la suivante: e2 = b2 2cb.b + cb2 o la barre supérieure
désigne l'effet de moyenage temporel.
e Le facteur d'atténuation A,, = s'exprime selon la formule b-7
M M2
suivante:Att= 2r (1+ -) + (1 - r)
2 4
dans laquelle: - "r" est le coefficient de défaut à l'unité de corrélation des signaux b(t) et cb(t), donné par * b.cb la formule suivante:1 - r = /b 2-cb2 cb2 - et "M" est le rapport des énergies, selon la formule suivante: 1 + M = b2 Pour obtenir un facteur d'atténuation de l'ordre de 20 décibels, il est donc nécessaire que le coefficient de corrélation du signal de contre-bruit au signal de bruit soit de 0,995, valeur qui traduit la très grande similarité à obtenir entre des signaux de bruit, à large bande. Cette valeur implique globalement que les différents éléments intervenant dans le dispositif d'atténuation, doivent avoir une précision quadratique de l'ordre de 2.10-3, non
atteinte dans le domaine de la reproduction sonore usuelle.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent
ressortiront bien de la description des modes de réalisation particuliers qui suivent, à
l'appui des figures annexées dans lesquelles:
La figure 1 est une vue en perspective sommaire d'une zone d'habitation équipée de
plusieurs écrans conformes à l'invention.
La figure 2 est une représentation en perspective sommaire d'une habitation située à proximité d'une voie de circulation, et équipée d'écrans conformes à l'invention.
La figure 3 est une représentation schématique d'un écran conforme à l'invention
ainsi que des différents blocs de commande de chacun des éléments actifs de l'écran.
La figure 4 est une représentation schématique d'une source électroacoustique
monocouche utilisée dans un écran conforme à l'invention, dans une maille du réseau.
La figure 5 est une vue schématique illustrant une association bi-couche de sources.
Dans ces deux dernières figures, on a tracé les lignes tangentes à l'axe principal le plus
long des hodographes particulaires acoustiques.
La figure 6 représente une embrasure de fenêtre protégée par une pluralité de
sources électroacoustiques disposées conformément à l'invention.
La figure 7 est une vue schématique en perspective d'un ensemble de sources
associées selon trois plans parallèles.
Manière de réaliser l'invention Comme déjà dit, l'invention concerne un perfectionnement du dispositif
d'atténuation du bruit tel que décrit dans le brevet EP 0 787 340.
Un tel dispositif comprend un certain nombYe de surfaces regroupant des sources électroacoustiques. Selon une caractéristique de l'invention, ces surfaces sont continues de manière à couvrir une superficie pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres
carrés, ces surfaces sont disposées à des altitudes de l'ordre de 10 à 15 m, voire plus, au-
dessus des lieux à protéger.
Ces surfaces sont réalisées par exemple par des treillis de tubes ou de câbles à
l'intersection desquels sont fixées les sources de contre-bruit.
Comme on le voit à la figure 1, la zone à protéger peut comporter un certain nombre
d'écrans plans A, B, C, D, destinés à assurer cette protection.
Les écrans A, B, C sont disposés au-dessus de la rue à protéger Ri tandis que l'écran D est placé en hauteur, en travers de la rue Ri, et est destiné à bloquer les ondes guidées,
par réflexions multiples sur les façades le long de la rue.
Dans le cas particulier de la figure 1, le dispositif permet de protéger une partie de l'agglomération contiguë à un aéroport, vis à vis des bruits d'avions au décollage et à l'atterrissage selon une trajectoire sensiblement parallèle à la rue Ri illustrée à la figure 1,
à une distance horizontale de l'ordre d'un demi kilomètre.
Plus précisément, les écrans A et C sont placés immédiatement au-dessus des façades d'immeubles, en face de la zone à protéger. Ils sont disposés de telle manière à
être inclinés par rapport à la verticale.
L'écran B est quant à lui placé en travers d'une rue perpendiculaire R2 à la rue principale RI parallèle à la trajectoire de l'avion. Cet écran B ferme la trouée offerte aux
bruits d'avions, lorsque celui-ci surplombe cette rue perpendiculaire R2.
L'écran D est quant à lui placé de la même façon, au travers de la rue R1 de manière à réfléchir le bruit qui parvient à la zone à protéger de manière guidée, par réflexion
préalable et multiple le long des façades dans la rue RI.
Les écrans B et D sont également inclinés pour améliorer l'efficacité du dispositif d'atténuation. Dans une autre forme de réalisation, telle qu'illustrée à la figure 2, le dispositif est destiné à protéger une habitation isolée (10) située en bordure d'une voie autoroutière (11)
vis à vis du bruit' de circulation.
Plus précisément, le dispositif est constitué d'un écran cylindrique (12) adapté à la
protection de la façade principale de l'habitation (10) exposée aux bruits.
On remarque également sur la figure 2, la présence d'une pluralité de microphones (15) disposés en bordure immédiate de la chaussée (11), et destinés à capter le bruit
propre des véhicules (16).
Les signaux générés par les microphones (15) sont acheminés vers l'unité de pilotage de l'écran (12) par un moyen approprié et notamment par liaison filaire (non représentée). Comme représenté, les écrans sont constitués par des pylônes (20-22) de forme appropriée supportant des panneaux (24) de treillis régulier à mailles triangulaires, carrées ou préférentiellement hexagonales, au centre desquelles sont fixées les sources (25) de
contre-bruit. Ces sources peuvent être simples-couches, ou préférentiellement multi-
couches, c'est-à-dire constituées de l'association de plusieurs hautparleurs décalés les uns par rapport aux autres, et selon la normale à la surface de référence. Comme représenté à la figure 3, à chaque panneau (24) est associé une base (30) de captation microphonique et un système électronique (40) de contrôle qui comprend des blocs fonctionnels suivants: - un bloc (41) de caractérisation des ondes de contre-bruit; un bloc (42) de commande des sources de contre-bruit;
- des blocs (43) de commande intégrée.
Plus précisément, le bloc (41) de caractérisation des ondes de bruit permet de déterminer les caractéristiques principales des ondes incidentes directes et réfléchies par le
sol et divers obstacles.
Ce bloc de caractérisation (41) détermine les directions respectives des normales à ces ondes, les signaux acoustiques propres à chacune d'entre elles ainsi que leurs positions
relatives dans le temps.
Le délai de chacun de ces signaux par rapport au signal de l'onde directe est déterminé par rapport à un point unique Oi de référence, appelé "point de référence de la
base microphonique", situé généralement en son barycentre.
Le bloc (42) de commande des sources de contre-bruit assure un filtrage linéaire identique pour chacun des signaux caractéristiques des ondes de bruit issues des blocs
(41) de caractérisation précités.
Ce filtrage a pour but d'égaliser les temps de groupe des sources électroacoustiques
sur l'étendue de la bande de fréquence d'action de l'écran.
Chacun des signaux filtrés est ensuite acheminé, par exemple par multiplexage, sur
un bus commun (44) vers les blocs de commande intégrés (43) des sources de contre-
bruit. Parallèlement, et de manière cadencée, les délais caractéristiques des signaux sont
également transmis sur ce bus (44). Ces délais évoluent continûment selon le mouvement de la source de bruit, et avec les aléas de la propagation sonore.
Chaque source de contre-bruit est elle-même dotée de son propre bloc de commande intégré (43) dont la double fonction est: - de positionner dans le temps les signaux propres aux différentes ondes, en leur appliquant par des "lignes à retard" réglables, les délais qui correspondent à leur position géométrique. Ainsi, les sources de contre-bruit doivent délivrer des signaux en concomitance stricte avec ceux que portent les différentes ondes balayant leurs surfaces actives. Les délais sont calculés à partir des délais de référence transmis sur le bus, selon la position géométrique de la source vis à vis du point de référence de la base microphonique M; de sommer tous les signaux ainsi recalés dans le temps; - de les appliquer, après un décodage numérique-analogique, à des amplificateurs
propres à chaque source élémentaire de contre-bruit.
Les sources de contre-bruit situées sur le pourtour des écrans sont soumises à des commandes semblables à l'ensemble, mais réglées de façon particulière en niveau et délai
pour régulariser les effets de bord.
Il est par ailleurs avantageux de disposer à l'intérieur du volume situé en aval de l'écran, c'est-à-dire sous sa protection acoustique, un ou plusieurs microphones (32) de contrôle du bruit résiduel, dont les signaux sont retournés au bloc de commande (42) des sources de contre- bruit, de manière à assurer des fonctions complémentaires telles que: - la supervision du fonctionnement local du système avec un ajustage permanent par une boucle de retour, ayant une constante de temps de quelques secondes, permettant de pallier les dérives paramétriques et d'assurer ainsi la meilleure conformité des signaux acoustiques de contre- bruit vis à vis des signaux de bruit; - le réglage adaptatif fin des lois de commande des sources de contre-bruit et particulièrement des sources de contour vis à vis des effets de bord des écrans en fonction du mouvement de l'avion, et ce, selon une constante de temps de l'ordre de la seconde, - la détection d'anomalies de fonctionnement avec une possible mise en arrêt éventuel et une signalisation;
- la possibilité d'exécuter des procédures automatiques de test.
Comme exposé précédemment, pour obtenir une performance d'atténuation de l'ordre de 20 décibels, il est nécessaire que la précision globale de la chaîne de mesure et de restitution soit de 5.10-3 en linéarité, ce qui impose une précision sur chaque composant du système de l'ordre de 2. 103. 5 En conséquence, s'agissant des sources de contre-bruit, à savoir les différents haut- parleurs et les amplificateurs analogiques associés, le taux de distorsion non linéaire doit
être inférieure à 2.10-3, au niveau maximal délivré.
Cette exigence de précision requiert une attention particulière pour la conception
des haut-parleurs et de leurs circuits de commande.
S'agissant des microphones qui constituent la base de captation des différentes ondes de bruit, l'effet des paramètres physiques d'environnement, tels que température, pression atmosphérique, taux d'humidité, sont compensés pour ne pas affecter la linéarité
de la réponse au-delà du taux de 2.10-3 exigé.
Les effets du vent sur les microphones, à faible constante de temps, typiquement inférieure à la seconde, sont limités par voie aérolique, en utilisant par exemple des corps poreux profilés en tant qu'enveloppes de protection, ainsi que par voie électronique pour ne pas perturber les signaux de commande de contre-bruit dans la bande de fréquence de
fonctionnement du système.
S'agissant du bloc (41) de caractérisation des signaux propres aux ondes incidentes à traiter par l'écran, la précision et l'extraction des signaux doit être de l'ordre de 10'3, ce qui implique en particulier un taux de diaphonie inférieur à cette valeur, et fixe ainsi la performance globale des algorithmes conçus pour assurer, en temps réel, cette discrimination. Outre, les exigences concernant la linéarité des différents organes de traitement, une exigence particulière est requise pour la résolution du calage dans le temps des signaux de commande des sources de contre-bruit, nécessaire à assurer leur concomitance vis à vis des signaux des ondes de bruit, et donc en fonction inverse de la limite de fréquence haute
de la bande de fonctionnement du système.
Plus précisément, pour obtenir le taux d'atténuation de 20 décibels, on a déterminé qu'il était nécessaire que le coefficient de corrélation du signal de contre-bruit au signal de bruit soit supérieur à 0,995, ce qui implique un déphasage maximal entre leurs
composantes spectrales de 6 , soit 1/60ème de période.
Il en résulte que la résolution temporelle des signaux doit être typiquement meilleure que 17 micro secondes pour la fréquence d'un kilohertz.
Ainsi, la cadence de l'horloge qui fixe le pas de calage dans le temps des signaux dans les blocs de commande des haut-parleurs, sera supérieure à 60 kiloHertz. Traduite en longueur d'ondes, cette résolution temporelle correspond à une résolution en position
géométrique du soixantième de la longueur d'onde maximum, soit 5 mm pour une fréquence maximum de 1 kiloHertz.
Cette valeur correspond à l'exigence de rigidité de la structure support, qui lie la base microphonique au panneau de sources de contre-bruit.
Sa déformation, notamment sous la charge due au vent, ne doit donc pas induire des déplacements relatifs supérieurs à cette valeur, pour conserver un taux d'atténuation de
l'ordre de 20 décibels.
Le fonctionnement de l'écran actif anti-bruit en tant que dispositif d'atténuation d'ondes sonores en espace libre, est déjà décrit dans le brevet EP 0 787 340 du Demandeur. Il s'agit donc d'un système rapproché de sources de contre-bruit, agencé et piloté en signal pour générer des ondes de contre-bruit algébriquement opposées aux
ondes tangentes de bruit.
Pour mieux comprendre le fonctionnement de l'invention, il peut être utile de
donner une description physique directe et efficace du fonctionnement, expliquant la
nécessaire concomitance spatiale et temporelle au niveau des sources de contre-bruit.
Ainsi, s'agissant d'une onide incidente parvenant au système sous la forme fondamentale d'un front d'onde de bruit, c'est-à-dire d'un saut d'accélération particulaire, à filtrer linéairement dans la bande de fréquence utile, l'action des sources de contre-bruit vis à vis de ce front consiste, pour chaque source, à interagir avec ce front à l'instant exact de son passage, et de telle manière que ce front ne se propage pas au-delà de la source, en
direction de la zone aval à protéger.
Les sources de contre-bruit créent donc en concomitance, des conditions aux limites adaptées à réfléchir ou à absorber le front d'onde incident. Les sources de contre-bruit constituent ainsi des écrans réalisant, en termes acoustiques, des conditions aux limites particulières. Dans la mesure o ces sources de contre-bruit sont constituées par des hautparleurs
électrodynamiques, elles se comportent naturellement, dans la gamme de fréquence o on les utilise, comme des sources de variation de débit acoustique.
Au courant injecté dans la bobine du haut-parleur, correspond une force de Laplace qui rencontre comme réaction principale la force d'inertie de l'équipage mobile du haut-
parleur. Cet équipage mobile prend une accélération proportionnelle audit courant.
Par le système de commande, on règle cette accélération, et donc la variation de débit acoustique délivré par la membrane des haut-parleurs, et de manière concomitante, au double du débit normal de l'onde acoustique de bruit sur la surface de la maille propre
au haut-parleur, cette source de contre-bruit réalisant, sur ladite maille, une condition aux limites de réflexion totale de l'onde.
La pression est en effet nulle sur la surface de l'écran, et la charge acoustique est
donc nulle au niveau de la source.
Il s'agit là du mode de fonctionnement théorique d'un écran actif constitué d'une seule couche de haut-parleurs. Cependant, comme déjà évoqué, un tel mode de fonctionnement avec une source unique présente une fréquence de coupure qui n'est pas suffisamment élevée pour contrecarrer la partie gênante du spectre des ondes émises par les moyens de transport classiques, dans la mesure o l'on limite la densité surfacique des
haut-parleurs pour préserver la transparence visuelle de l'écran.
En effet, et comme illustré à la figure 4, on a constaté qu'il s'établit entre l'onde de bruit incidente et l'onde réfléchie par les sources, au voisinage de ces dites sources, un champ interférentiel dont on schématise les "lignes de courant" (50), par les tangentes en
chaque point à l'axe principal majeur des hodographes particulaires acoustiques.
Ce champ s'organise spatialement en réseau, par cellules tubulaires qui se répètent périodiquement selon les mailles de l'écran, dès que ces mailles sont suffisamment nombreuses, pour que l'organisation du champ interférentiel soit pratiquement invariante
d'une maille à une autre.
Dans chaque cellule, les "lignes de courant" permettent de définir des tubes de
courant acoustique qui viennent converger sur la surface active de la source de contre-
bruit, c'est-à-dire la membrane du haut-parleur (25).
Ces tubes constituent autant de guides d'ondes fictifs à l'intérieur desquels s'établit le champ interférentiel. Le schéma de la figure 4 permet d'illustrer les phénomènes suivants.
En effet, par rapport à la surface d'ondes phase de référence (), la différence de marche des ondes guidées s'accroît à mesure que les tubes s'éloignent de l'axe de
révolution pour devenir pratiquement égale au diamètre "a" de la cellule.
C a Le phénomène de coupure survient pour 2 - - -, quand le régime 2fo 2 stationnaire le long du tube extrême présente une demi-longueur d'ondes de différence de
marche par rapport au tube central, et est donc en opposition de phase avec le débit de la source de contre-bruit.
c
La fréquence de coupure f0 est donc voisine de-, comme énoncé ci-avant.
a Au-delà de cette fréquence, l'onde progressive incidente guidée dans le tube extrême ne peut plus être contrôlée par la source de contre-bruit, et traverse l'écran en donnant naissance à des ondes réfractées, obliques, qui obèrent le rôle protecteur conféré à l'écran.20 Conformément à une autre caractéristique de l'invention, les sources peuvent être avantageusement disposées par sous-ensembles selon des écrans parallèles les uns aux
autres, et le fonctionnement est alors illustré à la figure 5.
En effet, le fonctionnement de sources multi-couches permet d'accroître la fréquence de coupure du système pour une dimension donnée de la maille du réseau. Plus précisément, et selon le schéma illustré à la figure 5, les différentes sources (27, 28) d'une même maille sont commandées, avec un décalage de phase déterminé, pour agir sur le tube extrême (51) de manière à lui éviter d'échapper au-dessus de la fréquence f0, en continuant à faire que les "lignes de courant" restent canalisées vers la source de la couche appropriée. En effet, et en référence à la figure 5, le long de l'axe (52) des sources (27, 28), et donc sous la source première (27), une suite de sources secondaires (28), commandées avec les phases et modules voulus, permet de capter et de réfléchir le débit acoustique de l'onde incidente, pour les lignes de courant qui échappent à la source première (27), ce en 14 respectant la structure interférentielle du champ acoustique, proche du haut-parleur, telle
que décrite précédemment.
De façon simplifiée, la figure 5 représente une seule source secondaire.
On observe sur les lignes de courant tracées, un retard de marche pour atteindre la seconde source (28) de l'ordre de d + a, o "d" représente la distance entre les membranes
de haut-parleurs (27, 28), et "a" la demi-maille de l'écran.
Conformément à l'invention ce retard de marche est compensé par le dispositif de commande, qui alimente cette seconde source (28) par un signal retardé sensiblement d+a de, cette valeur pouvant être ajustée avec plus de précision: de manière à assurer c
strictement l'orthogonalité du champ source aux modes obliques du réseau.
La fréquence de coupure est ainsi portée au double de la fréquence initiale, elle-
c même voisine de -.
a
Dans cet esprit, les débits des sources sont réglés en proportion des surfaces des tubes de courant contrôlés.
Le principe peut s'étendre à un nombre supérieur de sources, et le tableau ci-après présente la fréquence de coupure pour des nombres différents de couches de sources de
contre-bruit, pour deux cas de figures de densité surfacique de sources.
Nombre de couches 1 2 3 4 Une source multiple 37 Fréquence de Une source multiple 370 700 1000 1300 coupure en Hertz pour 1 m2 Une source multiple 170 300 450 600 pour 5 m2 Les sources telles que représentées sur la figure 5, par des haut-parleurs d'axe commun, peuvent être avantageusement réalisées par des ensembles contigus de sources de plus petites dimensions, convenablement assemblées et commandées avec les retards
appropriés pour assurer la meilleure régularité au champ de débit acoustique.
Il ressort de ce qui précède que le dispositif conforme à l'invention assure une atténuation du bruit dans une bande de fréquence couvrant la majorité du spectre des
ondes de bruits des moyens de transports tels qu'avions ou chemin de fer.
Le fonctionnement de l'écran décrit est un fonctionnement en réflecteur actif vis à vis des ondes incidentes de bruit, il est néanmoins possible d'envisager un fonctionnement en absorbeur parfait de ces ondes dans la mesure o les ondes réfléchies pourraient
présenter, dans certaines situations, un effet nocif vis à vis du site environnant.
Pour cela, il convient théoriquement d'associer aux sources de variation de débit acoustique, des sources de variation de pression acoustique, de manière à réaliser sur la __ OaVn surface de l'écran la condition aux limites mixtes d'adaptation: a = po.co., o ôt ct - p désigne la pression acoustique, - V,1 la vitesse acoustique normale à l'écran,
- p 0 co l'impédance acoustique de l'air.
Ces deux types de sources étant commandées en concomitance à partir des mêmes
signaux propres aux ondes incidentes de bruit.
Ne disposant pas pratiquement de sources de pression acoustique, on est conduit à réaliser la même condition à partir d'une double distribution de sources de variation de débit, placées sur deux surfaces parallèles distantes de e, e étant inférieur à la demi
longueur d'onde minimale.
Dans ces conditions, un modèle simple montre qu'en pilotant la source aval en quadrature avec l'onde incidente, et la source amont décalée dans le temps de e/c0, à même amplitude, on assure la condition d'adaptation requise sur une décade de fréquence, avec un variateur de débit de source de l'ordre de trois fois plus élevée que pour un écran simple. Dans ce fonctionnement, la source aval est déchargée acoustiquement et c'est la
source amont qui absorbe la puissance du bruit.
D'autre part, les écrans acoustiques actifs réflecteurs décrits peuvent être associés dans leur fonctionnement à des écrans passifs contigus. Ces écrans passifs peuvent être constitués par des surfaces construites préexistantes (toits et façades d'immeubles selon la figure 1). Ils peuvent être également mis en place pour des raisons acoustiques, en complémentarité des écrans actifs, et réalisés selon des techniques architecturales adaptées, notamment à l'aide de surfaces vitrées d'épaisseur convenable, selon des
arguments d'usage ou d'esthétique, propres à l'aménagement de sites particuliers.
De tels écrans passifs provoquent alors une réflexion du type duale du type décrit pour les écrans actifs, à savoir qu'acoustiquement "durs", ils créent les conditions aux limites approchant l'annulation de la vitesse acoustique normale, et le doublement de la
pression acoustique à leur surface.
Des précautions doivent être prises à la jonction de ces deux types d'écrans pour éviter que les forts gradients de pression résultants n'altèrent localement les effets propres de réflexion recherchés, entraînant par là-même des fuites acoustiques vers le volume à protéger. La préconisation du présent brevet est d'adoucir ces gradients en passant plus progressivement du contrôle actif de type écran réfléchissant "dur" (vitesse normale nulle)
vers celui décrit d'écran réfléchissant "mou" (se caractérisant par une pression nulle).
Pour réaliser un écran actif "dur", on utilise des sources à contrôle de variation de
pression. Il s'agit de sources dont on ne dispose pas a priori, les divers type de haut-
parleurs usuels approchent au contraire des sources de variation de débit, et leur délai de
réponse rend illusoire leur contrôle en variation de pression.
On réalise. de telles sources par association, par paire de sources de variation de
débit opposées, montées dos à dos, constituant un dipole acoustique.
De telles sources sont en particulier à employer pour réaliser des écrans actifs sur des ouvertures en façade d'immeubles, fenêtres ou baies, de manière à assurer la condition de réflexion en situation "fenêtre ouverte", évitant ainsi au bruit externe de pénétrer à
l'intérieur des habitations.
On réalise pour cela des sources multiples de type bipolaires, par exemple quatre
sources (26) aux quatre coins de l'embrasure, selon le montage décrit à la figure 6.
De telles sources multiples peuvent être réalisées, comme illustré à la figure 7, par
l'association de plusieurs sources élémentaires (27) déposées selon des plans parallèles.
Chaque source élémentaire (27) est une source bipolaire présentant deux faces parlantes
en opposition.
Claims (8)
1/ Dispositif actif d'atténuation de l'intensité sonore au niveau d'une zone déterminée, par émission d'ondes de contre-bruit, du type comprenant: - un ensemble de capteurs (30) susceptibles de déterminer les signaux et les directions des ondes émises par les sources de bruit éloignées; - des moyens pour traiter les signaux b(t) issus desdits capteurs, et pour générer des signaux cb(t) correspondants aux ondes de contre-bruit; - un ensemble de sources électro-acoustiques (25), lesdites sources étant installées dans l'espace proche de la zone à protéger, et connectées auxdits moyens de traitement, et susceptibles d'émettre des ondes de contre-bruit dans la même direction et dans le même sens que les ondes incidentes, les capteurs et les sources électro-acoustiques étant placés de telle façon que les ondes incidentes atteignent préalablement les capteurs, caractérisé en ce que les sources électro-acoustiques (25) sont disposées selon une surface continue (24), et selon un maillage régulier, cette surface constituant un écran
réfléchissant, éventuellement absorbant, vis à vis des ondes de bruit.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources électro-acoustiques
(25) sont disposées selon un maillage hexagonal.
3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maillage présente un pas
inférieur à deux mètres.
4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles de sources électro-acoustiques disposées selon plusieurs surfaces décalées les unes par rapport aux autres par translation, selon leur normale, de manière à limiter la densité
surfacique des sources pour une fréquence de coupure haute donnée.
5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces continues
présentent une géométrie plane, ou une géométrie de quadrique, notamment cylindrique.
6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est associé à une
structure rigide formant un écran solide.
7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que certaines des
sources électroacoustiques sont associées par paires pour constituer des dipoles acoustiques.
8/ Ensemble composé de plusieurs dispositifs selon l'une des revendications 1 à 7, dans
lequel les différents dispositifs sont juxtaposés dans l'espace de la zone à protéger.
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