FR2825882A1

FR2825882A1 - Vitrage interactif avec fonctions microphones et haut-parleur

Info

Publication number: FR2825882A1
Application number: FR0107619A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Luc Nikolovski
Original assignee: INTELLIGENT VIBRATIONS SA
Current assignee: INTELLIGENT VIBRATIONS SA
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-13
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: FR2825882B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques comprenant un ensemble de capteurs piézoélectriques PZT0 à PZT4 collés à une plaque, les dits capteurs pouvant être indépendamment émetteurs ou récepteurs d'ondes acoustiques propagées dans la plaque et le dit dispositif comprenant des moyens de filtrage aptes à définir au moins deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine audible, l'autre dans le domaine ultrasonore, dispositif caractérisé en ce qu'un ensemble de quatre capteurs PZT0 à PZT3 fonctionne en mode réception dans les bandes audible et ultrasonore et permet un fonctionnement du dispositif en dalle impactile ou microphonique, un capteur au moins pris parmi 4 capteurs PZT0 à PZT3 peut être commuté en mode émission dans la bande ultrasonore tandis qu'au moins un capteur PZT4a fonctionnent en mode émission éventuellement simultanément dans la bande audible.

Description

La présente invention a trait de manière générale aux dispositifs de communication interactive entre un utilisateur et une machine.

Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de recueil, de transmission et de traitement d'ondes acoustiques transmises par un utilisateur ou un capteur à une plaque servant d'interface avec une machine, le dit dispositif étant doté de fonctionnalités lui permettant, d'une part, d'analyser les temps de propagation des ondes acoustiques dans la plaque notamment pour mesurer les coordonnées Xr, yr d'impacts, d'autre part, d'émettre ou recevoir un son audible, en particulier la voix, en utilisant la plaque comme membrane microphonique ou comme haut-parleur. Ainsi, le fait de pouvoir localiser de petits impacts réalisés avec des objets tels que ongle, clef, bague ou stylo permet de transformer la plaque en surface impactile géant, le terme impactile étant un néologisme dont la signification tout au long de ce descriptif sera qui réagit à un impact .

On connaît par le brevet wo96/11378 un dispositif d'acquisition de coordonnées Xr, yr du point d'une plaque rigide duquel une source émet ponctuellement des paquets d'ondes, par analyse du temps de propagation des ondes dans la plaque dans deux directions x et y de la plaque.

On connaît aussi par le brevet français 9816229 du 22 décembre 1998 un dispositif d'acquisition où deux paires de transducteurs sont associées respectivement à chaque direction x, y, la position de la source selon chaque direction étant déterminée par la mesure du différentiel des temps d'arrivée des paquets d'ondes sur les deux paires de transducteurs respectives de ladite direction.

Ces deux dispositifs d'acquisition sont particulièrement bien adaptés à la détection sélective d'un mode acoustique de Lamb dans une plaque de verre isotrope. En particulier le dispositif du brevet 9816229 propose un procédé de recueil de la voix d'un utilisateur excitant mécaniquement la plaque de verre. La présente invention montre comment améliorer encore ce résultat, en transformant la plaque en émetteur-récepteur audio, half duplex et programmable en utilisant un ou plusieurs capteurs collés sur la plaque comme transmetteurs d'ondes acoustiques dans l'air ambiant ce qui revient à utiliser la plaque comme haut-parleur dans une bande de fréquence limitée à une partie de la bande audible tout en utilisant simultanément d'autres capteurs en mode récepteur dans une bande spectrale différente, notamment dans le spectre fréquentiel ultrasonore, afin de pouvoir détecter simultanément la position d'un impact éventuel sur la plaque commandant par exemple l'arrêt de l'émission courante dans le spectre audible et l'émission consécutive d'un autre message sonore.

En outre, les dispositifs décrits dans les brevets cités ci-dessus manquent de souplesse lors de la transformation d'un vitrage en écran interactif simplement par ce que les gains des amplificateurs récepteurs doivent pouvoir être optimisés d'un dispositif à l'autre et d'une voie à l'autre en fonction du type et de la qualité du collage des capteurs ou de la dispersion des propriétés des composants électroniques utilisés engendrant une variation du bruit analogique sur chaque voie d'amplification. La présente invention propose donc l'amélioration suivante consistant à introduire une plage de gains programmable numériquement pour chacune des voies et indépendamment des autres voies, ainsi qu'un algorithme de recherche automatique du gain optimal pour chaque voie de détection.

Par ailleurs, la plaque comportant un certain nombre de capteurs pouvant être endommagés lors d'une installation ou après plusieurs années d'utilisation, il peut s'avérer nécessaire de pouvoir vérifier l'état des connexions électriques et d'identifier aisément la ou les connexions défectueuses. Pour cela, l'invention montre un procédé de contrôle de l'état des connexions électriques des capteurs consistant à mesurer la capacité électrique équivalente des capteurs piézoélectriques.

Un autre but de la présente invention est d'améliorer également la bande passante électroacoustique de la plaque de verre lorsqu'elle est utilisée comme haut-parleur, en particulier d'appliquer une fonction de correction permettant d'aplanir la fonction de transfert électro acoustique de la plaque dans une bande spectrale de 30-4000 Hz et également lui permettre en ayant recours à une fonction de compression dynamique d'émettre un son acoustique d'amplitude et de qualité suffisante permettant d'entendre correctement, même en milieu urbain où il règne en pratique un bruit acoustique ambiant relativement élevé.

Pour atteindre ces buts, l'invention propose un dispositif d'acquisition de coordonnées de points d'interaction d'une source acoustique avec la surface de la plaque, de dimensions finies, comprenant un ensemble de capteurs acoustiques formés chacun soit de deux transducteurs piézoélectriques situés en vis-à-vis de part et d'autre de la plaque, soit d'un transducteur en forme de plaquette piézoélectrique à polarisation P alternée, collée sur le chant de la plaque, le dispositif comprenant des moyens de traitement pour déterminer les coordonnées dudit point d'interaction par l'analyse de la différence de temps de propagation des ondes acoustiques émises par la source vers les différents capteurs, dispositif caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent en association avec chaque capteur un circuit

électronique respectif comprenant en cascade des moyens pour effectuer une pré amplification large bande avec réglage numérique du gain sur quatre bits, soit 16 valeurs de gains possibles, des moyens d'amplification sélective centrée sur une première fréquence déterminée, des moyens de détection de la tête du paquet d'ondes ainsi que des moyens pour commuter les capteurs en émetteur ou en récepteur afin de déterminer automatiquement la distance séparant les différents capteurs, à partir de la connaissance de la vitesse du son des ondes acoustiques dans la plaque, et réaliser également un contrôle d'intégrité de la plaque en procédant régulièrement à une nouvelle mesure de cette distance que l'on compare aux valeurs mesurées lors de la première configuration de la plaque. Le dispositif comporte également au moins un transducteur piézoélectrique destiné à la production du son dans l'air ambiant en ayant recours à la plaque comme surface de couplage, la dite surface de couplage jouant le rôle de membrane de haut-parleur, la particularité intéressante étant que l'excitation mécanique de la plaque produite par un petit transducteur piézoélectrique se propage dans la plaque à une vitesse 10 fois plus grande que la vitesse de propagation du son dans l'air ce qui permet de répartir le son à transmettre sur une surface de transmission de grande taille, typiquement de plusieurs mètres carrés. L'effet produit est alors une sensation d'uniformité du son retransmis par la plaque quelle que soit la position de l'utilisateur devant la plaque, ainsi que l'absence de décroissance du signal lorsque l'utilisateur s'éloigne de la plaque.

Une telle interface pourra ainsi être installée sur les vitrines de boutiques, mais aussi sur les vitrages composant les cloisons, les portes vitrées, les fenêtres, de surfaces planes ou légèrement courbes telles celles que l'on peut trouver dans les vitres fenêtres des passagers de voitures automobiles.

Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants : - Les capteurs sont au nombre de quatre et sont constitués d'un assemblage de deux transducteurs piézoélectriques en forme de disques, demi-disques ou des quarts de disques de céramiques piézoélectriques collées de part et d'autre de la plaque, de manière à ce que quatre capteurs forment les sommets d'un rectangle dont le centre constitue l'origine des coordonnées. Un capteur est formé de deux demi-disques lorsqu'il est collé à plus de trois diamètres du coin d'une plaque rectangulaire, la tranche du demi-disque étant colinéaire et à l'aplomb du chant de la plaque, tandis que les connexions électriques sont réalisées en antiparallèle. Il est formé de deux quarts de disques lorsqu'il est collé dans le coin d'une plaque, les deux tranches perpendiculaires de chaque quart de disque étant alignées avec celles des coins de la

plaque. Les capteurs sont des disques pleins lorsqu'ils sont destinés à exciter mécaniquement la plaque de façon à ce qu'elle transmette dans l'air ambiant un son audible.

Les capteurs sont au nombre de quatre et sont en forme de plaquette piézoélectrique rectangulaire collée sur le chant poli de la plaque, la largeur d'une plaquette étant égale à l'épaisseur de la plaque, tandis que la longueur d'une plaquette est choisie de façon à ce que la résonance longitudinale fondamentale de la plaquette selon cette longueur soit voisine de 100 kHz, ce qui correspond en pratique à une longueur de l'ordre de 20 mm. En outre la plaquette est à polarisation alternée, le plan délimitant l'inversion de polarisation P étant coplanaire au plan médian de la plaque, de sorte que les plaquettes seront particulièrement bien adaptées à la détection d'ondes de Lamb antisymétriques en particulier dans le cas des plaques de verre de type double-vitrage. Dans ce cas, les quatre capteurs sont collés sur les chants de la plaque extérieure destinée à servir d'interface utilisateur, c'est-à-dire destinée à recevoir les impacts. Ces capteurs sont particulièrement bien adaptés à des plaques de verre d'au moins 10 mm d'épaisseur.

Le rectangle défini par les capteurs est divisé en quatre quadrants, chaque quadrant étant associé au triplet de capteurs les plus proches du centre du quadrant chargé de la détection des coordonnées d'un impact dans ce quadrant, la précision de la mesure étant théoriquement meilleure que celle qui serait obtenue par d'autres triplets, - Les disques céramiques piézoélectriques ont un retour d'argenture permettant de réaliser les connexions électriques sur la même face du disque, - Dans le cas de capteurs collés sur les faces, les connexions électriques des deux transducteurs piézoélectriques de chaque capteur sont reliées en antiparallèle, les vecteurs polarisation étant montés symétriquement par rapport au plan médian de la plaque de façon à ce que les modes symétriques, plus rapides, soient discriminés et les modes antisymétriques, plus lents, privilégiés, - La localisation d'un point d'impact sur une plaque dans l'un des quatre quadrants défini par le couple de bits (gy, gx) consiste à mesurer la différence des temps de vol entre deux capteurs, pris parmi un triplet de capteurs, définissant une première direction et deux capteurs, pris parmi le même triplet de capteurs, définissant une

deuxième direction perpendiculaire à la première, de sorte que les coordonnées cartésiennes du point d'impact (xr, yr) sur la plaque soient données par la formule :

- Où, p et q sont des nombres positifs représentant respectivement l'abscisse et l'ordonnée de la position des capteurs par rapport au centre du rectangle défini par les capteurs, v la célérité du mode acoustique de plaque détecté, c'est-à-dire, pour un verre isotrope, celle du mode de Lamb Ao, Atxg, (respectivement Atyg) la différence des temps de propagation du paquet d'ondes engendré par l'impact, entre les capteurs de la première paire située dans le demi-rectangle gx (respectivement de la deuxième paire située dans le demi rectangle gy), - La détermination du triplet de capteurs associé à un impact donné s'effectue selon un algorithme recherchant la plus grande différence de temps de vol disponible entre les capteurs dans deux directions perpendiculaires, - Les circuits électroniques associés aux capteurs pour la localisation d'un impact comprennent en cascade un étage préamplificateur large bande, un étage amplificateur programmable numériquement sur quatre bit, un étage amplificateur sélectif dans la bande ultrasonore au voisinage de 100 kHz, un étage élévateur au carré, un étage détecteur de crête avec résistance de décharge, un étage intégrateur à amplificateur opérationnel avec pont résistif à fortes impédances de polarisation d'entrée pour que l'intégrateur soit saturé à un niveau inverse de celui vers lequel il saturerait en présente d'un signal positif, un étage d'adaptation à un niveau logique constituant un signal de synchronisation destiné au calcul de la position d'un impact,
Les circuits électroniques associés aux capteurs pour l'enregistrement du son audio récupéré par la plaque baignant dans l'air ambiant et fonctionnant en mode microphone comprennent une dérivation en sortie des amplificateurs programmables numériques vers un étage suiveur haute impédance d'entrée, un étage amplificateur sommateur des voies sélectionnées, un filtre passe-haut du premier ordre de fréquence de coupure 30 Hz, un filtre passe-bas du 6ème ordre de fréquence de coupure 5000 Hz, un interrupteur analogique vers une sortie audio sur

connecteur Jack mono 3,5 mm destinée à être connectée sur l'entrée microphone d'une carte son d'un PC. L'interrupteur est en mode haute impédance lorsque la plaque fonctionne en mode haut-parleur.

- Les circuits électroniques associés au capteur destiné à la production du son par la plaque comprennent un étage amplificateur, un étage filtre passe-bas du premier ordre avec une fréquence de coupure autour de 2,3 KHz, un étage passe bas du 6ème ordre avec une fréquence de coupure de 5 kHz, un étage de compression de la dynamique du signal avec une fonction racine carré, un étage amplificateur de sortie haute-tension vers un connecteur de sortie de type RCA, une dérivation vers un étage adaptateur de niveau logique mettant sous haute impédance l'interrupteur de sortie de la fonction microphone.

- L'un au moins des capteurs est apte à être commuté en émetteur d'un paquet d'ondes ultrasonore détecté par les autres capteurs dont les positions sont à déterminer afin de déclencher un test d'intégrité de la plaque, par mesure de la différence de temps de propagation du paquet d'ondes entre les différents capteurs, - La gestion de toutes les étapes de mesure, de traitement et de transfert des données par une interface de communication série, soit à un afficheur LCD, soit à une interface pour instruments de musique (interface MIDI), soit à un calculateur plus puissant tel un micro ordinateur via son port RS232 ou USB est régie par un microcontrôleur, - Le dispositif constitue une interface périphérique avec une machine qui reçoit les signaux issus des moyens de traitement et qui en fonction des dits signaux commande l'exécution de fichiers contenus dans l'ordinateur par divers périphériques de types connus reliés à l'ordinateur tels que par exemple et de manière non limitative un projecteur vidéo, une vidéo caméra, des haut-parleurs, un modem, un interphone, une imprimante ou encore un boîtier d'automatismes commandant une action mécanique comme la fermeture d'un rideau de protection, l'orientation d'une caméra, le pilotage d'un processus, D'autres aspects but et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisations préférées de celle-ci, données à titre d'exemple non limitatif et faites en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

La figure 1 est une vue schématique d'une plaque impactile rectangulaire avec fonction hautparleur et à surface active réduite, donnant l'emplacement et les coordonnées des capteurs dans le cas particulier où ceux-ci sont en forme de demi-disque et forment les sommets d'un rectangle. Le repère réel, l'identification des quatre quadrants, les temps de propagation des ondes acoustiques, et les coordonnées réelles (Xr, yr) d'un impact sur la plaque sont également donnés.

La figure 2 comporte une vue schématique de dessus et en coupe d'une plaque impactile rectangulaire donnant l'emplacement et le positionnement de quatre capteurs en forme de quart de disques collés par paires de transducteurs en vis-à-vis et destinés à la mesure des coordonnées d'impacts portés à la plaque.

La figure 3 comporte une vue schématique de dessus et en coupe d'une plaque rectangulaire rendue impactile sur une portion seulement de sa surface totale, la portion étant aussi en forme de rectangle dont les sommets sont donnés par l'emplacement et le positionnement de quatre capteurs en forme de demi-disque collés par paires de transducteurs en vis-à-vis et destinés à la mesure des coordonnées d'impacts portés à la plaque.

La figure 4 est une vue schématique en coupe et de dessus du placement et des connexions électriques reliant deux transducteurs piézoélectriques à retour d'argenture, en forme de quart de disque, montés en vis-à-vis dans le coin carré d'une plaque.

La figure 5 est une vue schématique en coupe et de dessus du placement et des connexions électriques reliant deux transducteurs piézoélectriques à retour d'argenture, en forme de demidisque, montés en vis-à-vis en bordure d'une plaque.

La figure 6 est une vue schématique de dessus et en coupe d'une plaque impactile rectangulaire à surface active réduite, les capteurs étant des plaquettes de céramiques à polarisation
P alternée collées sur les chants polis de la plaque.

En référence tout d'abord à la figure 1, on a représenté une plaque PLQ comprenant quatre capteurs PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 formés de paires de transducteurs piézoélectriques. Comme le montre la figure 4, les deux transducteurs de chaque paire sont identifiés par les indices t pour la face supérieure et b pour la face inférieure. Ils sont en forme de demi-disque, la forme étant repérée par l'indice s et sont fixés en vis-à-vis sur les deux faces opposées de la plaque, par exemple par collage, pour recueillir les ondes acoustiques circulant dans la plaque.

Le choix de la forme du transducteur est imposé par la réflexion des ondes acoustiques sur les

côtés de la plaque. En effet, la réflexion d'une onde élastique, dans un solide, à l'interface d'une surface libre se traduit par une superposition de l'onde incidente et des ondes réfléchies, les ondes réfléchies pouvant être de nature très différente en raison du phénomène de conversion de mode, ce qui produit cependant et malgré les conversions, presque un doublement du déplacement mécanique recueilli par la céramique. Ainsi, on choisira un quart de disque lorsque les capteurs sont collés dans les coins carrés d'une plaque, selon le montage de la figure 3, et en forme de demi-disque lorsqu'ils sont collés loin d'un coin, en pratique à plus de trois diamètres de capteur. Le sens des polarisations électriques et des connexions électriques sont respectivement symétriques par rapport au plan médian de la plaque et antiparallèles de façon à discriminer tout mode de propagation symétrique et à privilégier tout mode de propagation antisymétrique. La réalisation des connexions électriques est facilitée par un retour d'argenture RA d'une face sur l'autre des demi-disques de façon à disposer des deux électrodes sur la même face. Les quatre capteurs constituent les sommets d'un rectangle. Un repère orthogonal x, y d'origine 0 est associé à la plaque PLQ, l'origine 0 étant physiquement situé au point d'intersection des diagonales du rectangle défini par les quatre capteurs. Les axes x et y coupent les milieux des côtés du rectangle défini par les capteurs. Les capteurs PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 ont pour coordonnées respectives (-p,-q) et (p,-q), (-p, q), (p, q).

Les ondes acoustiques peuvent être générées par le choc d'un objet sur la plaque ou par les ondes de compression se propageant dans l'air ambiant et excitant mécaniquement la plaque, comme par exemple la voix. La plaque est un matériau isotrope, par exemple en verre, ayant éventuellement subi un processus de trempe pour augmenter sa résistance aux chocs. La plaque comprend également un cinquième capteur PZT4a, se présentant sur la figure 1 sous la forme d'un disque piézoélectrique à retour d'argenture, mais pouvant être de forme quelconque, sa fonction étant d'exciter mécaniquement la plaque uniquement dans la bande spectrale audible utilisée en téléphonie, typiquement 300 Hz-3300 Hz, de façon à ce que celleci devienne un haut-parleur géant, sans toutefois gêner le fonctionnement de la plaque comme dalle impactile. Le cinquième capteur PZT4a peut également se présenter sous la forme de deux transducteurs piézoélectriques montés en vis-à-vis selon les figures 4 ou 5, l'avantage étant d'accroître la puissance d'excitation transversale de la plaque.

La surface impactile utile est toujours à l'intérieur du rectangle défini par les quatre capteurs. Ce rectangle pourra couvrir une portion seulement de la surface totale de la plaque. Dans le cas des vitrines de boutiques dont la surface totale dépasse aisément dix mètres carrés, la surface impactile pourra être limitée à la surface que peut atteindre un utilisateur en position

debout, c'est à dire un peu plus de deux mètres de hauteur. Les capteurs seront, de préférence, dissimulés et protégés de l'humidité des projections d'eau et autres fluides et contre les agressions. On réalise cela en ayant recours à des profilés dormants avec parcloses et joints siliconés intégrant les capteurs. Les profilés dormants et les parcloses pourront être réalisés dans un matériau conducteur électrique tel l'aluminium. La prise en sandwich des capteurs constitue une cage de Faraday, c'est à dire un blindage électromagnétique, protégeant les préamplificateurs d'entrées de certains couplages capacitifs intempestifs sur d'autres dispositifs rayonnants.

Le but de la présente invention est ainsi de montrer comment ces trois fonctionnalités c'est-àdire dalle impactile, microphone et haut-parleur coexistent et permettent de transformer la plaque en un terminal de communication grand public grand format.

Pour cela, si l'on s'en tient au traitement du signal décrit dans le brevet français 98/16229 faisant état d'une amplification large bande suivie d'une élévation au carrée suivie d'une détection de crête puis d'une intégration, il apparaît que ce procédé manque de souplesse sur le réglage des gains des amplificateurs. En effet, il peut exister une certaine dispersion sur les valeurs des composants électriques utilisés, ainsi que sur la qualité du collage de sorte que le gain optimal peut varier d'une voie à l'autre et d'un dispositif à l'autre.

Pour palier cet inconvénient, la présente invention propose une modification de l'étage amplificateur large bande en remplaçant l'amplificateur large bande à gain fixe par un amplificateur à gain programmable. Chacun des quatre capteurs est ainsi relié à un amplificateur à gain programmable, la valeur du gain étant définie sur quatre bits permettant 16 valeurs possibles de gain. La valeur des gains est définie par les ports d'entrées-sorties d'un micro contrôleur, lui même contrôlé via un port de communication série par un micro ordinateur. Le gain des amplificateurs programmables est alors déterminé expérimentalement par une procédure de recherche automatisée des gains consistant, pour chaque voie, à imposer un gain en commençant par le gain maximum et à observer si le bruit de fond de la voie analogique déclenche les transitions des transistors de synchronisation et par la suite une interruption logicielle. Le gain est alors diminué par paliers successifs jusqu'à ce que le bruit de fond de la voie analogique en l'absence de toute interactivité sur le verre soit suffisamment faible pour ne plus déclencher intempestivement la commutation des transistors de synchronisation et d'adaptation à un niveau logique.

La détermination des coordonnées d'un impact selon le montage de la figure 1, ne nécessite en fait que trois capteurs pris parmi PZTO, PZT1, PZT2, PZT3. Plusieurs configurations à 3 capteurs formant un triangle rectangle peuvent être extraites de la configuration à 4 capteurs de la figure 1. Les quatre configurations décrites ci-dessous conduisent à des solutions mathématiques identiques, au signe près, pour les coordonnées d'un impact (xr, yr). En outre, chacune de ces configurations est mieux adaptée que les autres, du point de vue de la précision de la mesure, si elle n'est utilisée que sur un quadrant donné de la surface active. Un quadrant correspond à un quart de la surface active et représente l'intersection de l'un des deux demiplans de coordonnées x positives ou négatives avec l'un des deux demi-plans de coordonnées y positives ou négatives.

Ainsi, pour un impact donné, on détermine d'abord le quadrant auquel il appartient, puis on calcule les coordonnées (xr, yr) selon la formule associée à ce quadrant.

Les coordonnées cartésiennes des capteurs PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 sont respectivement (-p,-q), (p,-q), (-p, +q), (+p, +q). Les ondes acoustiques se déplacent à la vitesse v. Les temps de propagation jusqu'aux capteurs d'un paquet d'ondes engendré par un impact en (xr, yr) sont respectivement tOO, t 10, tO 1, t 11.

Les coordonnées (xr, yr) sont obtenues en résolvant un système d'équations, valable pour un quadrant donné. Les quatre systèmes d'équations sont :

Les formules suivantes donnent la position de l'impact (xr, yr). Il suffit de remplacer gx et gy par la valeur 1 ou 0 correspondant au quadrant concerné.

Le procédé de détermination des coordonnées d'un impact sur une plaque de verre décrit cidessus permet de transformer une vitrine de boutique ou tout autre surface vitrée en surface impactile. La source d'impact peut être une pichenette, c'est à dire un impact réalisé avec le plat de l'ongle sur la plaque de verre. L'impact a pour caractéristique de créer des ondes acoustiques dans une gamme spectrale relativement large et à un niveau électroniquement exploitable jusqu'à des fréquences supérieures à 100 kHz. Seules les composantes spectrales ultrasonores permettent de bien mesurer les différences de temps de propagation entre les différents capteurs. Pour cela, le paquet d'ondes engendré par un impact doit être converti en signal électrique pour chacun des capteurs PZTO à PZT3. Chacun des quatre capteurs PZTO à PZT3 est ainsi associé à une voie de traitement électronique chargée d'extraire les composantes haute-fréquence du paquet d'ondes engendré par l'impact. Ceci est réalisé en faisant subir au signal électrique différents traitements comprenant la connexion à un bloc de commutation définissant le mode entrée ou sortie de la voie, suivi pour le mode entrée d'un étage amplificateur large bande à gain programmable, suivi d'un étage amplificateur sélectif autour d'une fréquence de 100 kHz, d'un étage élévation au carré, d'un étage détecteur de crête avec résistance de décharge lente, d'un intégrateur actif à niveau de sortie saturé positivement en l'absence de signal grâce à un pont de résistances de polarisation de valeurs au moins 10 fois plus élevée que l'impédance de sortie de l'étage élévateur au carré, enfin d'un étage d'adaptation à un niveau logique. Le résultat de ce traitement est qu'un impact sur la plaque engendre un paquet d'ondes que l'on va convertir au moment de sa réception en une transition logique unique pour toute la tête du paquet d'ondes, ce qui va permettre de mesurer précisément une différence de temps d'arrivée du paquet d'ondes vers les différents capteurs.

Ce traitement permet ainsi de déterminer les coordonnées de l'impact grâce à la formule cidessus. Il ne suffit cependant pas à réaliser une interface fiable c'est-à-dire une interface qui

n'est activée que lorsqu'une action humaine consistant par exemple en une pichenette sur le verre est réalisée. En effet, des bruits acoustiques au voisinage de 100 kHz peuvent parvenir à la plaque via le couplage par le sol et le châssis. Pour éviter que de tels signaux ne déclenchent une mesure de position, le dispositif procède à une analyse simultanée du paquet d'ondes sur au moins une autre composante spectrale, en pratique au voisinage de la limite supérieure du spectre audible, par exemple 15 KHz. Pour cela, la sortie de l'un des quatre amplificateurs large-bande programmables est déroutée vers un filtre sélectif de la fréquence à contrôler, en l'occurrence 15 KHz, le dit filtre étant destiné en combinaison avec le filtre sélectif à 100 kHz, à caractériser l'impact c'est à dire à définir une signature fréquentielle, en vérifiant la présence simultanée d'énergie autour de ces deux fréquences, dans une proportion donnée caractéristique de l'impact et donc à discriminer les signaux intempestifs se présentant sous la forme de paquet d'ondes dont le contenu spectral ne présente pas simultanément les niveaux requis.

Nous obtenons ainsi une dalle impactile plus fiable. Cela ne suffit cependant pas. En effet, il est courant que des dispositifs électroniques tombent en panne après un certain nombre d'heures de fonctionnement. Il est en outre souvent difficile et coûteux de détecter la panne. Avec le développement de la complexité des systèmes, il arrive qu'un mauvais branchement soit pris pour une panne.

Un autre aspect de la présente invention est de proposer un système d'aide à l'identification des pannes. Le diagnostic de panne le plus important concerne l'état des connexions électriques aux niveaux des capteurs. En effet, l'installation d'une vitrine interactive est souvent réalisée lors du renouvellement d'une devanture de magasin. Les capteurs sont alors intégrés à l'ossature et il serait coûteux de devoir démonter entièrement une devanture sans savoir auparavant si la panne est due à une rupture du contact électrique sur l'un des capteurs.

Le diagnostic de panne sur l'un des capteurs peut être réalisé en utilisant l'une des caractéristiques des céramiques piézoélectriques, c'est à dire leur forte permittivité diélectrique qui leur confère une forte valeur de capacité statique, typiquement de plusieurs nanoFarads. Le contrôle de l'état des connexions consiste alors à mesurer la valeur de cette capacité statique pour chacun des quatre capteurs PZTO à PZT4. Lorsque les capteurs sont constitués de deux transducteurs montés en parallèle, la capacité statique mesurée est la somme des deux capacités des transducteurs individuels. On peut donc très facilement identifier le capteur en panne et si la panne ne concerne qu'un seul ou les deux transducteurs constituant le capteur.

En pratique, la mesure de la capacité est réalisée par la mesure du temps de décharge de la

capacité statique portée à un potentiel connu, au travers d'une résistance de valeur connue.

Pour cela, les blocs de commutation placés en entrées des voies analogiques sont communtés en sorties. Les capteurs sont alors portés, pendant un court instant, à une différence de potentiel connue. Le courant de charge est limité par une résistance de quelques centaines d'ohms. Une fois la charge réalisée, les blocs de commutation sont mis sous haute impédance, et les capacités se déchargent lentement au travers d'une autre résistance de l'ordre de 100 kOhms tandis qu'un timer est démarré par le micro contrôleur. Le timer s'arrête lorsque la tension aux bornes de la capacité tombe au-dessous d'un seuil de comparaison prédéfini. Pour une capacité statique de 10 nF, le temps de décharge est approximativement égal au produit de la résistance de décharge par la valeur de la capacité statique du transducteur piézoélectrique, soit une milliseconde. En cas de rupture des connexions électriques au niveau des capteurs, on observe une forte diminution du temps de décharge. On remarquera ici que la capacité linéique du câble coaxial reliant les capteurs aux amplificateurs d'entrées n'est que de 100 picoFarad par mètre. Ainsi la capacité équivalente de 10 mètres de câble coaxial, ne représente qu'un nanoFarad, soit à peine 10% de la valeur de la capacité statique d'un capteur piézoélectrique. Il ne pourra donc jamais avoir de confusion entre la capacité statique d'un capteur, et la capacité du câble de liaison.

Nous disposons ainsi d'une première fonction d'aide au diagnostic des pannes. Une deuxième fonction d'aide au diagnostic consiste également à commuter le bloc de commutation de l'un des quatre capteurs PZTO à PZT3 en mode sortie et à appliquer une impulsion électrique de l'ordre de 45 V, pendant un temps très court se décomposant en un temps de montée de 5 J. 1S et un temps de descente à l'état initial de 5 us. Ceci a pour conséquence d'engendrer un paquet d'ondes acoustiques dans la plaque. Les trois autres capteurs restant en mode récepteur, on lance simultanément une mesure des différences de temps de propagation du paquet d'ondes émis par le capteur excité, par exemple PZT3, et les autres capteurs. Connaissant alors, la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans la plaque, soit v=3350 m/s, on obtient directement une mesure de la longueur et de la largeur du rectangle constitué par les capteurs.

En effet, l'instant d'excitation du capteur PZT3 correspond simultanément à l'instant d'arrivée

de l'onde qu'il génère à son emplacement, de sorte que tll =0. Si l'origine du temps est celle correspondant à l'instant d'excitation du transducteur PZT3, alors la longueur 2p et la largeur

fo-+ 2q du rectangle formé par les quatre capteurs sont données par les formules : 1'01 2q=vxtol

Nous obtenons ainsi une deuxième fonction très utile qui consiste au moment de l'installation de la plaque à mesurer la longueur et la largeur du rectangle formé par les capteurs et à comparer périodiquement cette valeur sauvegardée à d'autres mesures réalisées ultérieurement, par exemple pendant un processus d'initialisation lors de chaque branchement électrique de la dalle impactile ou à la suite de chaque impact. Lorsqu'un écart important est observé, un message d'alerte est émis.

Un autre aspect de la présente invention concerne la possibilité d'utiliser les mêmes capteurs PZTO à PZT3 pour transformer la plaque en membrane microphonique. Ceci est obtenu en dérivant une nouvelle fois les sorties des quatre amplificateurs programmables large bande vers des amplificateurs suiveurs, puis vers un étage amplificateur sommateur des signaux issus des amplificateurs suiveurs, un étage filtre passe haut du premier ordre de fréquence de coupure 30 Hz, un étage filtre passe-bas du premier ordre de fréquence de coupure 2 kHz, un étage filtre passe-bas d'ordre élevé, tels un filtre de Bessel ou Tchebychev d'ordre 6, de fréquence de coupure de 5000Hz, un interrupteur analogique de la fonction microphonique, débitant sur une impédance de charge de 560 Ohms. Cette résistance de charge arrive aux bornes d'un connecteur audio jack 3,5 mm, qui peut par la suite être connecté sur l'entrée microphone d'une carte son, périphérique d'un micro ordinateur.

Parallèlement à la fonction microphonique la plaque peut servir de haut-parleur. Cette fonction est assurée par le capteur PZT4a. Etant donné que c'est la même plaque qui sert de microphone ou de haut-parleur, les deux fonctions sont exclusives l'une de l'autre. En outre, l'une des fonctions aura priorité sur l'autre. Dans le cas de cette invention, la priorité est donnée à la fonction haut-parleur qui, lorsqu'elle est activée, désactive la fonction microphone en mettant sous haute impédance l'interrupteur analogique de la fonction microphonique. La fonction haut-parleur est ainsi dite maître, tandis que la fonction microphone est dite esclave.

Un des intérêts de la présente invention réside dans le fait que la fonction haut-parleur peut ne pas perturber la fonction dalle impactile. Pour cela, le capteur audio PZT4a est commandé par une électronique disposant de fonctions de filtrage. En particulier, tout signal audio issu d'un support de stockage haute fidélité et d'une manière générale, toute source audio destinée à être retransmis par la plaque de verre subiront un traitement électronique comportant au moins une étage amplificateur, éventuellement un étage de compression de dynamique consistant en une amplification logarithmique ou en une élévation à la racine carré du signal, suivie d'un étage filtrage passe-bas du 6eme ordre de fréquence de coupure 4000Hz, suivi d'un étage filtre passehaut avec fréquence de coupure 30Hz, suivi d'un étage amplificateur de puissance pour

l'excitation mécanique du transducteur audio PZT4a. La compression dynamique permet de rehausser certains sons de faible amplitude qui ne pourraient être bien entendus que dans des environnements calmes ou l'écoute haute fidélité est possible. Cela n'est pas le cas des vitrines de boutique qui baignent la plupart du temps dans un milieu sonore ambiant bruité. La compression dynamique par la fonction racine carré est construite de façon à ce que les sons les plus forts gardent un niveau inchangé, tandis qu'un son faible sera amplifié. Par exemple, un enregistrement pour lequel le son le plus fort est de 1 Volts crête à crête, mais ne dure qu'une seconde sur une longueur d'enregistrement totale de 30 secondes ne contenant pratiquement que des sons d'amplitude 10 mV, aura après compression dynamique, toujours le même son le plus fort de 1 Volt crête à crête, mais les sons de 10 mV auront été amplifiés à 100 mV.

Ainsi, en rendant indépendant la fonction haut-parleur de la fonction dalle impactile, un impact à un endroit donné d'une plaque impactile peut déclencher une action mettant en oeuvre la fonction haut-parleur tandis que cette même fonction haut-parleur pourra être stoppée pendant son exécution par un impact sur la plaque réalisé à un autre endroit de la plaque. La fonction dalle impactile aura ainsi la priorité et sera dite maître sur la fonction haut-parleur qui sera dite esclave.

Pour cela, les processus de calcul des coordonnées d'impacts, ainsi que de caractérisation de l'impact par vérification simultanée de la présence d'énergie en proportion suffisante aux deux fréquences 15 KHz et 100 kHz, ainsi que les fonctions de gain programmable, de recherche automatique du gain optimal ou de diagnostic de panne, sont pilotés par un microcontrôleur doté d'une unité arithmétique et logique de plusieurs ports d'entrées-sorties capables de générer des interruptions sur front montant ou descendant, de plusieurs timers, d'une horloge temps réel, d'une horloge système, d'une fonction chien de garde, de mémoires programme et données, ainsi que de fonctions de communication de type série ou parallèle lui permettant d'échanger des commandes et des données avec un micro-ordinateur maître.

Le micro-ordinateur sera lui-même doté de moyens matériels et logiciels lui permettant l'exécution de certains fichiers informatiques et l'activation de certains périphériques tels et de façon non exhaustive, un vidéo projecteur, une vidéo caméra Internet, un modem, une carte son, une imprimante, un lecteur de compact disque, en fonction de la position d'un impact sur une zone prédéterminée de la plaque de verre.

Le micro-ordinateur pourra lui-même être connecté au Réseau Internet via un prestataire de service mettant éventuellement en oeuvre des moyens de communication haut-débit et dépendre

d'un serveur central, de sorte qu'une simple plaque de verre équipée de l'invention pourra servir de terminal de communication multimédia.

Claims

Revendications 1-Dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques comprenant un ensemble de capteurs piézoélectriques PZTO à PZT4 collés à une plaque, les dits capteurs pouvant être indépendamment émetteurs ou récepteurs d'ondes acoustiques propagées dans la plaque et le dit dispositif comprenant des moyens de filtrage aptes à définir au moins deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine audible, l'autre dans le domaine ultrasonore, dispositif caractérisé en ce qu'un ensemble de capteurs PZTO à PZT3 fonctionne en mode réception dans les bandes audible et ultrasonore et permet un fonctionnement du dispositif en dalle impactile et en microphone, au moins un capteur pris parmi 4 capteurs PZTO à PZT3 fonctionne en mode émission dans la bande ultrasonore tandis qu'au moins un capteur PZT4a fonctionnent en mode émission éventuellement simultanément dans la bande audible.
2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les capteurs fonctionnant dans la bande ultrasonore servent à déterminer la position d'un impact appliqué à la plaque par mesure de la différence de temps de propagation des ondes acoustiques entre les différents capteurs, les dites ondes acoustiques étant engendrées par l'impact d'un objet tel que le plat de l'ongle, une clef, la pointe d'un stylo etc...
3-Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la fréquence centrale de la bande ultrasonore se situe autour de 100 kHz.
4-Dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que chaque capteur est associé à une voie de traitement électronique comprenant un bloc de commutation définissant le mode entrée ou sortie de la voie, suivi pour le mode entrée d'un amplificateur large bande à gain programmable, suivi d'un amplificateur sélectif autour d'une fréquence de 100 kHz, d'un étage élévation au carré, d'un étage détecteur de crête avec résistance de décharge lente, d'un intégrateur actif à niveau de sortie saturé positivement en l'absence de signal, enfin d'un étage d'adaptation à un niveau logique et de synchronisation et pour le mode sortie, d'un étage permettant d'appliquer aux bornes des capteurs et pendant un court instant, une différence de potentiel avec résistances de limitation de courant de charge et de décharge, le temps de décharge mesuré étant proportionnel au produit de la résistance de décharge, de valeur connue, par la valeur de la capacité statique du transducteur piézoélectrique et servant à mesurer cette

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valeur de capacité statique du capteur piézoélectrique et donc à vérifier le bon état d'une connexion électrique sur les capteurs.
5-Dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la sortie d'au moins un amplificateur large bande programmable est déroutée vers un filtre sélectif d'une fréquence prédéterminée située dans la partie haute de la bande audible, c'est à dire vers 15 kHz, le dit filtre étant destiné en combinaison avec le filtre sélectif à 100 kHz, à caractériser un impact en vérifiant la présence simultanée d'énergie autour de ces deux fréquences, dans une proportion donnée, et donc à discriminer les signaux intempestifs se présentant sous la forme de paquet d'ondes dont le contenu spectral ne présente pas simultanément les niveaux requis, de signaux issus d'impacts sur le verre, seuls capables de produire simultanément le niveau de signal requis aux deux fréquences déterminées.
6-Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le gain des amplificateurs programmables est déterminé par une procédure de recherche automatisée des gains consistant pour chaque voie à diminuer par paliers successifs la valeur du gain jusqu'à ce que le bruit de fond de la voie en l'absence de toute interactivité sur le verre soit suffisamment faible pour ne plus déclencher intempestivement la commutation des transistors d'adaptation à un niveau logique.
7-Dispositif selon les revendications là 6 caractérisé en ce que les capteurs fonctionnant dans la bande audible sont aptes à l'enregistrement ou la production du son dans l'air ambiant par couplage avec la plaque jouant le rôle de membrane microphonique en mode réception ou de haut-parleur en mode émission.
8-Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la bande audible destinée à l'enregistrement ou la production du son dans l'air ambiant par couplage avec la plaque est limitée par filtrage à la bande 30Hz-4000 Hz.
9-Dispositif selon les revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la plaque est réalisée dans un matériau transparent tel que le verre et constitue une surface de couplage de plusieurs mètres carrés.

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10-Dispositif selon les revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les capteurs sont situés sur le pourtour de la plaque et sont protégés et dissimulés par un cadre et des parcloses conducteurs électriquement, constituant un blindage électromagnétique et, combinés à des joints caoutchouc ou siliconés, assurant une étanchéité aux projections d'eau ou autres liquides.
11-Dispositif selon les revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'application d'une différence de potentiel au transducteur audio PZT4a destiné à la production du son dans l'air ambiant par la plaque, met sous haute impédance, et donc désactive le filtre audio récepteur destiné à la réception du son par couplage avec la plaque, de sorte que la fonction haut-parleur est dite maître, tandis que la fonction microphone est dite esclave.
12-Dispositif selon les revendications 1 à 11 caractérisé en ce que la production d'un son audio dans l'air ambiant par la plaque est éventuellement interrompue par un impact sur la plaque, le dit impact étant validé par le dépassement des niveaux seuils requis par les filtres de discrimination de 15 KHz et 100 kHz, de sorte que la plaque en mode interface impactile est dite maître, tandis que la production de son audible est dite esclave.
13-Disposif selon les revendications 1 à 12 caractérisé en ce que la plaque se présente sous une forme rectangulaire plane telle que celles que l'on peut trouver dans les vitrines de boutiques, les cloisons, les portes vitrées, les fenêtres ou légèrement courbe telle que celles que l'on peut trouver dans les vitres fenêtres des passagers de voitures automobiles.
14-Dispositif selon les revendications 1 à 13 caractérisé en ce que les capteurs piézo électriques PZTO à PZT4 sont constitués de deux transducteurs piézoélectriques PZTt et PZTb collés en vis à vis de part et d'autre des faces de la plaque et sont en forme de demi-disques avec retour d'argenture lorsqu'ils sont collés sur le côté d'une plaque, la tranche du disque étant colinéaire et à l'aplomb du chant de la plaque ou en forme de quart de disque avec retour d'argenture lorsqu'ils sont collés dans les coins de la plaque rectangulaire, les deux tranches perpendiculaires étant alignées avec celles de la plaque, tandis que les connexions électriques sont réalisées en antiparallèle.

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15-Dispositif selon les revendications 1 à 14 caractérisé en ce que les capteurs sont des plaquettes de céramiques piézoélectriques à polarisation alternée Pde forme rectangulaire, collées sur le chant poli de la plaque, le plan de séparation de la étant coplanaire au plan médian de la plaque de verre.
16-Dispositif selon les revendications 1 à 15 caractérisé en ce que les enregistrements audio issus de supports haute-fidélité tels les lecteurs de compact-disques et destinés à être lus en utilisant une vitrine interactive dans sa fonction haut-parleur, subissent un traitement du signal consistant en une compression de la dynamique du signal à l'aide d'amplificateur logarithmique ou de type racine carré au cours de laquelle les sons de faible amplitude sont rehaussés tandis que les sons de plus forte amplitude restent inchangés.