WO1997003438A1 - Procede et dispositif de focalisation d'ondes acoustiques - Google Patents

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WO1997003438A1
WO1997003438A1 PCT/FR1996/001083 FR9601083W WO9703438A1 WO 1997003438 A1 WO1997003438 A1 WO 1997003438A1 FR 9601083 W FR9601083 W FR 9601083W WO 9703438 A1 WO9703438 A1 WO 9703438A1
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acoustic
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signal
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Mathias Fink
Jacques Lewiner
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Societe Pour Les Applications Du Retournement Temporel
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R27/00—Public address systems

Definitions

  • the present invention relates to methods and devices for focusing acoustic waves.
  • the invention relates more particularly to a method for soundproofing a space disturbing the propagation of acoustic waves in order to transmit in this space information in the form of acoustic waves by means of a number n of loudspeakers, n being a natural integer at least equal to 1, this method comprising sound stages during which at least one acoustic signal S (t) is transmitted carrying information in at least one zone, called “target zone", which belongs to the space to be sounded, this transmission being carried out by causing acoustic signals Si (t) to be emitted by at least one subset of so-called "active" speakers, which subset comprises at least one loudspeaker speaker chosen from among the n speakers mentioned above.
  • the object of the present invention is in particular to optimize the transmission of information inside such a space.
  • a method of the kind in question is essentially characterized in that during each sound stage, each active speaker i emits a signal
  • h ⁇ ft represents the temporal inversion of the impulse response h XJ (t), previously determined and stored, between the speaker i and a predetermined point j called "calibration" belonging to the target area, the target area comprising a number p of calibration points, p being a natural integer at least equal to 1, the impulse response h ⁇ ft) corresponding to the acoustic signal received at point j when the loudspeaker i emits a short acoustic pulse,
  • the coefficients a j are predetermined weighting coefficients.
  • the weighting coefficients a ⁇ are all equal to 1;
  • the subset of active speakers includes all the speakers in the space to be sounded
  • the number p of calibration points of the target area is at least equal to 2;
  • the number n of speakers is at least equal to the signal S (t) corresponds at least in part to a sound signal chosen from the signals representative of the human voice and the signals representative of musical pieces; - the space to be sounded is a place receiving the public, and the signals S (t) correspond at least in part to messages of information to the public;
  • a sound q of target zones is simultaneously sounded, where q is a natural integer at least equal to 2, each active loudspeaker i then emitting the superposition of q acoustic signals s lk (t) where k is a natural integer between 1 and q corresponding to each target area, S k (t) representing the acoustic signal carrying information intended to be broadcast in the target area of index k: the abovementioned property of the method according to invention, whereby each signal
  • S k (t) is perfectly received in the target area k, but very poorly received, or not received at all, in the other target areas;
  • the target zone considered in at least some of the sound reinforcement steps is the smallest possible zone comprising at least one calibration point and in which there is at least one person receiving a voice message represented by the signal S (t) .
  • the first aspect of the invention also relates to a device for implementing a method as defined above, for sounding a space disturbing the propagation of acoustic waves, this device comprising:
  • n a natural integer at least equal to 1
  • - at least one input channel for receiving a signal S (t) carrying information to be transmitted in the form of waves acoustic in at least one zone, called the target zone, which belongs to the space to be sounded, this transmission being carried out by causing acoustic signals s ⁇ t) to be emitted by at least one subset of so-called active speakers, which under -assembly includes at least one speaker chosen from among the n speakers mentioned above,
  • Si (t) ⁇ a J .h 1J (-t) ®S (t), where: j. h ⁇ ft) represents the temporal inversion of the impulse response h 1;) (t), previously determined and stored, between an active loudspeaker i and a predetermined point j known as
  • calibration belonging to the target zone, the target zone comprising a number p of calibration points, p being a natural integer at least equal to 1, and the impulse response h ⁇ .t) corresponding to the acoustic signal received at point j when the loudspeaker i emits a short acoustic pulse,. and the coefficients a d are predetermined weighting coefficients, the signal processing system being connected to the input channel to receive the signal S (t) and to the various speakers for transmitting the signals s ⁇ to them respectively t).
  • this device also comprises means for selecting the target area within the space to be sounded.
  • the subject of the present invention is a method and a device for focusing and compressing acoustic energy over time.
  • acoustics should be taken in a general sense, without limiting it to audible frequencies. It is even likely to apply to radio waves, insofar as they have a propagation mode which approaches that of acoustic waves.
  • the invention is applicable in many fields of technology, among which the following may be mentioned.
  • the invention makes it possible to concentrate acoustic energy at a given location.
  • This location can for example be that of a fixed target that one seeks to locate or destroy.
  • the latter is lithotripsy or the destruction of a tumor in the body. It is also the destruction of an explosive device, such as a mine.
  • the location (or a set of such locations) can also be located on an industrial chain where objects are successively presented, each having to receive one or more pulses of acoustic energy, intense, brief and localized.
  • Such methods perform energy focusing on a target, i.e. spatial compression of energy.
  • the present invention aims in particular to achieve, in addition to spatial compression by focusing, a temporal compression of energy.
  • the invention proposes in particular a method according to which: a) the emission from the location where it is desired to concentrate energy is caused by a short acoustic pulse, having a first duration; b) collecting on a network of transducers and recording, for a second duration which is at least an order of magnitude greater than the first duration, the acoustic signals coming from said location through a multicast medium; and c) transmitting to the multi-diffuser medium, from said transducers, return signals derived from the signals collected by time inversion and amplification.
  • a pulse lasting less than ten periods and preferably five, of the fundamental period will be sought in the case of resonant transducers.
  • the second duration is chosen to correspond to 1 * spreading of the arrival times of the acoustic energy having traversed the multi-diffuser medium by all the possible paths within this medium, at least as long as the transmitted energy remains appreciable .
  • multi-diffuser medium means a medium deliberately placed between the target location and the network of transducers, and in which are dispersed or distributed elements reflecting or diffusing individually the acoustic energy, with a low absorption, of a nature to cause a spreading of at least an order of magnitude of the duration of the initial pulse.
  • the nature of such a multi-diffusing medium can be defined by the mean free path 2. of the acoustic waves in this medium, c that is, by the distance over which an incoming initial plane wave completely loses the memory of its initial direction. This mean free path 1.
  • n is the volume density of the diffusing elements and where ⁇ is their cross section of diffusion.
  • the free path is all the smaller as ⁇ is large, which is obtained when the frequency of the acoustic waves is close to the resonance frequencies of the elements.
  • These elements can be very diverse in nature. They can in particular be rods, flakes, beads, gas bubbles, reflective particles. Typically, the average particle size is such that 2 ⁇ a / ⁇ is of the order of unity, ⁇ being the wavelength of the acoustic waves emitted, or the wavelength corresponding to the central frequency of the spectrum emitted .
  • the thickness e of such a medium (length occupied between the target location and the network) must be greater than the mean free path ; a thickness of at least five times is often desirable.
  • the reflecting elements of the multi-diffuser medium can also be distributed around the periphery of the propagation medium. They can in particular consist of impedance discontinuities between the propagation medium and the external medium.
  • the multi-diffuser medium then comprises an acoustic channel between the location of the wave concentration and the transducers, the walls of which produce, by multiple reflections, the temporal spreading of the initial pulse, and the despreading of the return waves. .
  • step (b) the recording takes place during a time window which, in particular when an acoustic signal is likely to come from several distinct locations, is chosen according to the location selected and the nature of the environment.
  • the diffusing medium acts, after time reversal, like a transmitter whose angular opening, seen from the location, can be much greater than the angular opening under which the network is seen.
  • the acoustic feedback signals travel in the diffusing medium in reverse paths from those previously traversed, insofar as the medium does not evolve or has only a slow evolution (typically with displacements of the diffusers not causing a modification of the length of the multiple diffusion paths of more than 1/10 of the smallest wavelength for which the emitted spectrum has appreciable power) due to the principle of feedback reverse.
  • the re-emitted acoustic wave undergoes all the multiple diffusions and / or re ⁇ reflections in a chronology reversed from that of the outward journey and reform at the exit of the medium the initial acoustic wave, constituted by a short pulse.
  • Another aspect of the invention relates to a device for focusing and temporal compression of acoustic energy at a location, comprising:
  • a multi-diffuser medium intended to be interposed between the network of transducers and said location, and arranged to spread said acoustic pulse in time only so as to increase its duration by at least an order of magnitude at the level of the network of transducers, the network of transducers being controlled to transmit signals acoustic signals obtained by time inversion and amplification of acoustic signals picked up in response to the emission of said pulse.
  • FIG. 1 is a sectional view of a railway station in which the method according to the first aspect of the invention can be implemented
  • - Figure 2 is a top view of the railway station of Figure 1
  • FIG. 3 is a partial schematic view showing an example of a device for implementing the method according to the first aspect of the invention. *
  • FIG. 5 is a diagram of a first embodiment
  • the space to be sounded is a train station 101 equipped with a large number of n speakers 102, n being a natural number for example greater than 10.
  • the loudspeakers 102 emit a sound signal, for example an information message for travelers 103
  • the resulting sound waves reach travelers 103 with significant distortions which are due to the fact that these waves sound undergoes multiple paths and consequently arrive inconsistently in the ears of travelers 103.
  • each traveler 103 receives sound waves emitted by several loudspeakers 102, located at different distances from one another relative to him,
  • each loudspeaker 102 arrives at travelers 103 not only on a direct path, but also on multiple indirect paths after one or more reflections on obstacles such as for example the platforms 104, walls 105 or roof 106 of the station.
  • an acoustic "calibration" operation is first carried out on station 101, by determining the impul ⁇ sional response hu (t) between each loudspeaker i and each point j being part of a set of predetermined points 107 said to be "calibration" distributed inside the station 1.
  • the calibration points 107 are preferably located substantially at breast height, for example at a height of between 1.50 m and 1.75 m above the ground, and they are distributed in the various parts of the station 101 which are frequented by travelers 103.
  • the impulse response h i corresponds to the acoustic signal received at point j when the loudspeaker i emits a short acoustic pulse (ideally a Dirac pulse) or vice versa to the acoustic signal received at the loudspeaker i when 'a short acoustic pulse is emitted at point j (the impulse response is the same in both directions of propagation).
  • a short acoustic pulse ideally a Dirac pulse
  • impulse responses can therefore be measured relatively simply, preferably at night or at least at a time when the station 101 does not receive the public, by having each short speaker 102 successively emit a short acoustic pulse, and by measuring the acoustic signals received following this pulse at the various calibration points 107, by means of microphones 108 (FIG. 3) previously placed at the calibration points 107.
  • each loudspeaker 102 successively receives from a computer 109 the impulse signal to be transmitted, the computer 109 being connected, for example by a bus link, to a plurality of digital converters - analogi ⁇ cs 110, each of these digital-analog converters being connected to a loudspeaker 102 via an amplifier 111, and each of these digital-analog converters 110 being addressable and controlled independently by the computer 109, so that each speaker 102 can emit a signal independent of the other speakers.
  • the various microphones 108 located at the calibration points 107 are each connected to an analog-digital converter 112 by means of an amplifier 113, the converters 112 can for example be addressable converters connected by bus to the computer. 109, so that the signals picked up by the microphones 108 can be memorized by the computer 109 for each calibration point 107.
  • the different microphones 108 are dismantled with their converters 112 and their amplifiers 113.
  • an audible signal is emitted by each loudspeaker i of the station or :
  • the indices j correspond to the indices of the calibration points belonging to the target zone or to the target zones considered, each target zone comprising at least one calibration point 107 and preferably several, a j represents a predetermined weighting coefficient which may possibly be used to favor certain calibration points 107 corresponding to areas particularly frequented by the public, these weighting coefficients being most often all equal to each other and generally all equal to 1,
  • S (t) corresponds to a signal carrying information, this signal possibly being an information message intended for travelers, background music, retransmission of a radio program, or the like,
  • the sound signal S (t) is broadcast using the computer 109, which receives the signal S ( t) by means of at least one input channel 117 comprising for example a microphone 118 or another source sending the signal S (t) to the computer, an amplifier 119 and an analog-digital converter 120.
  • the computer 109 is also connected to an interface 121 comprising for example a keyboard and a screen which allows an operator to choose the target area 114, 115 in which he wishes to broadcast a message or other sound signal.
  • an interface 121 comprising for example a keyboard and a screen which allows an operator to choose the target area 114, 115 in which he wishes to broadcast a message or other sound signal.
  • this message S (t) is received by the computer 109 , which calculates the signals s t (t) to be transmitted by each speaker 102 and transmits these signals to the corresponding speakers 102 via digital-analog converters 110 and amplifiers 111.
  • each active loudspeaker that is to say in general each loudspeaker of the station 101, emits an acoustic signal s Lk (t)
  • the method according to the invention can also be used to send a particularly clear and possibly particularly strong message to a given individual 122 (FIG. 2) or to a given group of individuals.
  • It may for example be a service message intended for a particular employee, or a deterrent message intended for an individual committing an offense or carelessness.
  • the operator identifies the position of the individual 122 or of the group of individuals receiving the message, this identification being able to be carried out by direct vision or even indirectly by viewing one or more control screens connected to one or more surveillance cameras.
  • the operator indicates the position of the individual 122 to the computer 109 via the interface 121, after which the computer 109 automatically determines a target area 123 of reduced size, containing the individual 122 and at least one calibration point 107, then the operator broadcasts to the individual 122 his dissuasive message.
  • the space to be sounded would be other than a train station, for example a terminal, a metro station, a bus station, a swimming pool, a stadium, a beach, a museum (in which case the target areas can correspond to areas located in the vicinity of different works of art in the same room, these target areas possibly being indicated by lines traced on the ground or the like, and different audio comments possibly being broadcast simultaneously respectively in these different target areas), a space belonging to an amusement park (in which case being able to make sounds heard only in certain particular areas of this space can be used in particular as a game), concert halls, and more generally, any place open to the public or any private place disturbing the propagation of acoustic waves by reflections or diffusions multiple,
  • the invention would be used to listen to a high fidelity sound program, the target area then corresponding to a space where the listener must be placed to listen to the sound program in question, - the number n of speakers would be lower at
  • the signal S (t) would not be an acoustic signal understandable by the human ear, but a coded signal intended to be received and decoded by an automatic reception device,
  • the acoustic signal S (t) would not be audible, but ultrasonic or infrasonic, - and the impulse responses hi j (t) would be determined otherwise than by having acoustic pulse signals emitted, for example by successively emitting the different high -speakers 102 an acoustic signal modulated in a predetermined manner, or by causing the loudspeakers 102 to transmit sequences of predetermined acoustic signals, from which the response can be deduced impulse h ⁇ ft) by calculation methods known per se, explained for example in French patent application n ⁇ 96 05102 of April 23, 1996 for the calculation of impulse responses in the field of radio waves. *
  • FIG. 4 shows the multi-diffuser medium 10 interposed between a source 12, which constitutes a target located at a location where concentration will take place, and a network of transducers 14 transmitters-receivers, connected to a circuit 16 having as much transmission-reception channels that there are transducers.
  • This circuit 16 has a constitution of the kind already described in documents EP-A-0383 650 and EP-A-0 591 061.
  • the tests were carried out with a target 12 constituted by a hydrophone provided with an excitation circuit 18 and capable of emitting brief pulses, of 1 microse ⁇ conde, with a central frequency of 3 MHz.
  • the multi-diffuser medium 10 consists of rods 0.5 mm in length, with an average spacing of the order of 2 mm.
  • the thickness e of the medium was 45 mm.
  • the width w was of the order of 120 mm.
  • the transducer network 14 comprised 48 transducers and the associated circuit 16 was provided for recording the individual signals over durations of approximately 100 microseconds, corresponding to the spreading of the arrival times of the acoustic waves having traversed the multi-diffuser medium by all possible paths.
  • the circuit 16 included, for each channel, an analog-digital converter, a memory organized in queue and means of reading with an inverted chronology and amplification.
  • a measurement of the characteristics of the return wave having passed through the medium 10 has shown that the beam is refocused on an area having a width, at - 6 dB, substantially equal to ⁇ F / w, F being the distance between the plane from the multi-diffuser medium and the target.
  • This focal spot is finer than it would have been in the absence of the multi-diffuser medium.
  • the latter indeed has an angular opening, seen from the target, much higher than the array of transducers 14.
  • the device schematically illustrated in FIG. 5 (where the members corresponding to those already shown in FIG. 4 are designated by the same reference number) is intended to concentrate, on a passive target 12, a brief and intense pulse, with low power transmission means.
  • a multi-diffuser medium 10 is interposed between the network of piezoelectric transducers 14 and the target 12.
  • the transducers 14, or at least some of them, are designed to send to the target 12, which is reflective, a short pulse at the frequency of the acoustic waves to be concentrated. It is also possible to use different transducers for the first illumination (step (a) above) and for reception and re-emission (steps (b) and (c)).
  • the multi-diffuser medium 10 is provided an opening 20 of sufficient size to allow the passage of a brief illumination shot, without diffusion. The illuminated target returns, to the multi-diffuser medium 10 and the network of transducers 14, the wave which is then returned temporarily. So much.
  • the wave received and reflected by the target 12 can have the variation in time shown schematically in FIG. 6A.
  • This type of signal of a few fundamental and broadband periods, can in particular be obtained using transducers in composite technology.
  • the echo signal received by a particular transducer will then, due to the fact that at least part of the reflected energy has undergone multicasting, a shape which is for example that shown in FIG. 6B.
  • means such as mirrors 22 can be arranged around the multi-diffuser medium 10, so as to reduce the re-emissions of acoustic energy towards directions other than that of the target and / or to constitute an acoustic channel.
  • the signal returned by each transducer 14 is not obtained by analog amplification of the returned signal, but by return of a signal consisting of alternately positive and negative pulses, each having the same duration and the same sign that the corresponding alternation ( Figure 6C).
  • the multi-diffuser medium 10 is placed opposite the target 12 relative to the network of transducers 14.
  • the first illumination is carried out by an additional transmitter 24 (according to the direction f 0 in FIG. 7).
  • the acoustic energy reflected by the target 12 passes twice through the medium 10, with an intermediate reflection on a mirror 26, as indicated by the arrow f 1 .
  • the network 14 also retransmits to the mirror 26 (arrow f 2 ).
  • step (a) may only be carried out during a calibration phase. Subsequently, the energy concentration is carried out by repeating step (c).
  • step (c) This latter mode of execution notably makes it possible to transmit messages which can only be received with high power and in an intelligible manner in a well-defined area.
  • the multi-diffuser medium must then be completely stationary.
  • the amplifier provided on the channel associated with the transducer 1 will be provided so that the emission by the transducer is of the form e ⁇ xt ) ⁇ s (t), x being a fixed delay, identical for all the transducers.
  • the demodulation will be carried out in a conventional manner, whatever the modulation of the signal s (t).
  • the network of transducers can be directed relative to the target and oriented towards a wall of the underwater acoustic channel, like the surface or bottom.
  • the multi-diffuser medium 30 does not include elements randomly distributed in the volume of the propagation medium, but only reflective elements distributed on its surface, thus defining an acoustic wave channel or guide.
  • the array of transducers 14 is placed at one end of this waveguide.
  • the calibration source 12 is placed at the other end of the waveguide 30.
  • the numerous reflections on the reflecting wall spread out the duration of the initial pulse at the level of the network 14, and inversely compress this duration during the focused retransmission to the location initially occupied by the calibration source.
  • a transducer 24 is placed near the end of the waveguide 30 to illuminate the reflecting target 12 in the direction opposite to the guide 30 during the initial stage.
  • the transducer 24 can be fixed by means of a mount which does not impede the propagation of the waves, such as three wires oriented radially with respect to the axis of the guide, at 120 ° from one another.
  • the part of the brief illumination beam returned by the target 12 to the guide 30 then undergoes multiple reflections which spread out its duration. After time reversal and amplification, the energy will concentrate on the reflecting target 12 if it has not moved too much. Transducers and an associated circuit will not be described here in a complete manner making it possible to implement the methods mentioned above.
  • circuits can be similar to that already given in the previously mentioned earlier patent applications. It is only necessary that the memories organized in a queue intended to record the complex signal received by the transducers 14 have sufficient capacity. The capacity of these memories will have to be further increased if one wishes to store the waveforms previously recorded relative to several distinct locations, subsequently selectable at will in the re-emission phases. The gain of the amplifiers provided on each channel of transducers will, for a given power to be concentrated, depend on the time spread produced by the multi-diffuser medium 10.

Abstract

Il s'agit d'un procédé pour sonoriser un espace (101) au moyen de n haut-parleurs (102), après avoir déterminé la réponse impulsionnelle hij(t) entre plusieurs points de calibration j appartenant à cet espace et chaque haut-parleur i. Pour transmettre un signal acoustique S(t) porteur d'informations dans au moins une zone cible (114, 115, 123) appartenant à l'espace à sonoriser, on fait émettre par chaque haut-parleur i un signal (a), où j est un indice représentatif des points de calibration appartenant à la zone cible.

Description

Procédé et dispositif de focalisation d'ondes acoustiques.
La présente invention est relative aux procédés et dispositifs de focalisation d'ondes acoustiques. Selon un premier aspect, l'invention concerne plus particulièrement un procédé pour sonoriser un espace perturbant la propagation des ondes acoustiques afin de transmettre dans cet espace des informations sous forme d'ondes acoustiques au moyen d'un nombre n de haut-parleurs, n étant un entier naturel au moins égal à 1, ce procédé comportant des étapes de sonorisation au cours desquelles on transmet au moins un signal acoustique S(t) porteur d'infor¬ mations dans au moins une zone, dite "zone cible", qui appartient à l'espace à sonoriser, cette transmission étant réalisée en faisant émettre des signaux acoustiques Si(t) par au moins un sous-ensemble de haut-parleurs dits "ac¬ tifs", lequel sous-ensemble comporte au moins un haut- parleur choisi parmi les n haut-parleurs susmentionnés.
On connaît de nombreux exemples d'espaces perturbant la propagation des ondes acoustiques. On peut citer, entre autres exemples :
- les gares et aérogares, ou plus généralement les lieux publics dans lesquels des réflexions multiples des ondes sonores rendent difficilement compréhensibles les messages sonores diffusés à l'intention des usagers,
- et les espaces dans lesquels seraient disposés au moins localement des milieux multidiffuseurs, c'est-à-dire des milieux dans lesquels sont dispersés ou répartis des éléments réfléchissant ou diffusant individuellement les ondes acoustiques, avec une absorption faible, de nature à provoquer un étalement d'au moins un ordre de grandeur de la durée d'une impulsion acoustique.
La présente invention a notamment pour but d'optimi¬ ser la transmission d'informations à l'intérieur d'un tel espace.
A cet effet, selon l'invention, un procédé du genre en question est essentiellement caractérisé en ce qu'au cours de chaque étape de sonorisation, chaque haut-parleur actif i émet un signal
Figure imgf000004_0001
où :
. h^f-t) représente l'inversion temporelle de la réponse impulsionnelle hXJ(t), préalablement déterminée et mémorisée, entre le haut-parleur i et un point j prédéterminé dit "de calibration" appartenant à la zone cible, la zone cible comprenant un nombre p de points de calibration, p étant un entier naturel au moins égal à 1, la réponse impulsionnelle h^ft) correspondant au signal acoustique reçu au point j lorsque le haut-parleur i émet une courte impulsion acousti¬ que,
. et les coefficient aj sont des coefficients de pondération prédéterminés.
Grâce à ces dispositions, qui permettent une focalisation acoustique vers la zone cible, les informations transmises sous forme d'ondes acoustiques sont reçues de façon parfaitement claire dans la zone cible, et de façon beaucoup moins claire en dehors de la zone cible, ce qui ne présente aucun inconvénient et peut même constituer un avantage important dans la mesure où la zone cible est choisie de façon adaptée.
Dans des modes de réalisation préférés du premier aspect de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou l'autre des dispositions suivantes : - les coefficients de pondération a} sont tous égaux à 1 ;
- le sous-ensemble de haut-parleurs actifs comprend tous les haut-parleurs de l'espace à sonoriser ;
- le nombre p de points de calibration de la zone cible est au moins égal à 2 ;
- le nombre n de haut-parleurs est au moins égal à - le signal S(t) correspond au moins en partie à un signal sonore choisi parmi les signaux représentatifs de la voix humaine et les signaux représentatifs de morceaux musicaux ; - l'espace à sonoriser est un lieu recevant du public, et les signaux S(t) correspondent au moins en partie à des messages d'information du public ;
- au cours d'au moins certaines des étapes de sonorisation, on sonorise simultanément un nombre q de zones cibles, où q est un entier naturel au moins égal à 2, chaque haut-parleur actif i émettant alors la superposition de q signaux acoustiques sl k(t) où k est un
Figure imgf000005_0001
entier naturel compris entre 1 et q correspondant à chaque zone cible, Sk(t) représentant le signal acoustique porteur d'informations destiné à être diffusé dans la zone cible d'indice k : on utilise ainsi la propriété susmentionnée du procédé selon l'invention, selon laquelle chaque signal
Sk(t) est parfaitement reçu dans la zone cible k, mais très mal reçu, ou pas reçu du tout, dans les autres zones cibles ;
- la zone cible considérée dans au moins certaines des étapes de sonorisation est une zone la plus réduite possible comprenant au moins un point de calibration et dans laquelle se trouve au moins une personne destinataire d'un message vocal représenté par le signal S(t).
Par ailleurs, le premier aspect de l'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, pour sonoriser un espace perturbant la propagation des ondes acoustiques, ce dispositif comportant :
- un nombre n de haut-parleurs répartis à l'inté- rieur dudit espace, n étant un entier naturel au moins égal à 1,
- au moins une voie d'entrée pour recevoir un signal S(t) porteur d'informations à transmettre sous forme d'ondes acoustiques dans au moins une zone, dite zone cible, qui appartient à l'espace à sonoriser, cette transmission étant réalisée en faisant émettre des signaux acoustiques s^t) par au moins un sous-ensemble de haut-parleurs dits actifs, lequel sous-ensemble comporte au moins un haut-parleur choisi parmi les n haut-parleurs susmentionnés,
- un système de traitement de signal pour déterminer chaque signal Si(t) par la formule : Si(t) = Σ aJ.h1J(-t)®S(t), où : j . h^f-t) représente l'inversion temporelle de la réponse impulsionnelle h1;)(t), préalablement déterminée et mémorisée, entre un haut-parleur actif i et un point j prédéterminé dit
"de calibration" appartenant à la zone cible, la zone cible comprenant un nombre p de points de calibration, p étant un entier naturel au moins égal à 1, et la réponse impulsion- nielle h^.t) correspondant au signal acoustique reçu au point j lorsque le haut-parleur i émet une courte impulsion acoustique, . et les coefficients ad sont des coefficients de pondéra¬ tion prédéterminés, le sytème de traitement de signal étant relié à la voie d'entrée pour recevoir le signal S(t) et aux différents haut-parleurs pour leur transmettre respectivement les signaux s^t).
Avantageusement, ce dispositif comporte en outre des moyens pour sélectionner la zone cible au sein de l'espace à sonoriser.
* * *
Selon un deuxième aspect, la présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de focalisation et de compres¬ sion temporelle d'énergie acoustique. Le terme "acoustique" doit être pris dans un sens général, sans le limiter aux fréquences audibles. Il est même susceptible de s'appliquer aux ondes radio-électriques, dans la mesure où elles ont un mode de propagation qui se rapproche de celui des ondes acoustiques.
L'invention est applicable dans de nombreux domaines de la technique, parmi lesquels on peut citer les suivants. L'invention permet de concentrer une énergie acoustique en un emplacement donné. Cet emplacement peut par exemple être celui d'une cible fixe qu'on cherche à localiser ou à détruire. Ce dernier cas est celui de la lithotritie ou de la destruction d'une tumeur dans le corps. C'est aussi celui de la destruction d'un engin explosif, tel qu'une mine.
L'emplacement (ou un ensemble de tels emplacements) peut encore être situé sur une chaîne industrielle où sont successivement présentés des objets devant recevoir chacun une ou plusieurs impulsions d'énergie acoustique, intenses, brèves et localisées.
Elle permet également la communication entre une station et un récepteur placé à l'emplacement où se concen¬ tre l'énergie, avec une discrétion assurée par le caractère sélectif de la concentration d'énergie ; plusieurs récep- teurs peuvent être prévus, au prix d'une distribution d'énergie.
On connaît déjà des procédés d'examen d'un milieu pour y repérer des cibles réfléchissantes et/ou de destruc¬ tion des cibles, utilisant le retournement temporel des signaux reçus par les transducteurs piezo-électriques d'un réseau, avant ré-émission (document EP-A-0 383 650).
De tels procédés effectuent une focalisation d'énergie sur une cible, c'est-à-dire une compression spatiale d'énergie. La présente invention vise notamment à réaliser, en plus d'une compression spatiale par focalisation, une compression temporelle d'énergie.
Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé suivant lequel : a) on provoque l'émission, depuis l'emplacement où on souhaite concentrer de l'énergie, d'une impulsion acoustique courte, ayant une première durée; b) on recueille sur un réseau de transducteurs et on enregistre, pendant une seconde durée qui est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la première durée, les signaux acoustiques provenant dudit emplacement à travers un milieu multi- diffuseur ; et c) on émet vers le milieu multi-diffuseur, à partir des dits transducteurs, des signaux de retour dérivés des signaux recueillis par inversion temporelle et amplification. En général, on recherchera, au cours de l'étape (a), une impulsion de durée inférieure à dix périodes et de préférence cinq, de la période fondamentale en cas de transducteurs résonants.
La seconde durée est choisie pour correspondre à 1*étalement des temps d'arrivée de l'énergie acoustique ayant parcouru le milieu multi-diffuseur par tous les chemins possibles au sein de ce milieu, du moins aussi longtemps que l'énergie transmise reste appréciable.
On entend par "milieu multi-diffuseur" un milieu délibérément placé entre l'emplacement-cible et le réseau de transducteurs, et dans lequel sont dispersés ou répartis des éléments réfléchissant ou diffusant individuellement l'énergie acoustique, avec une absorption faible, de nature à provoquer un étalement d'au moins un ordre de grandeur de la durée de l'impulsion initiale. Dans le cas d'une réparti¬ tion quasi-aléatoire des éléments dans le volume du milieu de propagation, on peut définir la nature d'un tel milieu multi-diffuseur par le libre parcours moyen 2. des ondes acoustiques dans ce milieu, c'est-à-dire par la distance sur laquelle une onde plane initiale entrante perd complètement la mémoire de sa direction initiale. Ce libre parcours moyen 1. est égal à 1/nσ où n est la densité volumique des éléments diffuseurs et où σ est leur section efficace de diffusion. Le libre parcours est d'autant plus petit que σ est grand, ce qui est obtenu lorsque la fréquence des ondes acoustiques est proche des fréquences de résonance des éléments. Ces éléments peuvent être de natures très diverses. Ils peuvent être notamment des tiges, paillettes, billes, bulles de gaz, particules réfléchissantes. Typiquement, la dimension moyenne a des particules est telle que 2τιa/λ soit de l'ordre de l'unité, λ étant la longueur d'onde des ondes acoustiques émises, ou la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du spectre émis.
Lorsqu'on recherche un étalement important de la durée d'une impulsion et un facteur de compression élevé, l'épaisseur e d'un tel milieu (longueur occupée entre l'emplacement-cible et le réseau) doit être supérieure au libre parcours moyen ; une épaisseur d'au moins cinq fois est souvent souhaitable.
Les éléments réfléchissants du milieu multi-diffu¬ seur peuvent encore être répartis à la périphérie du milieu de propagation. Ils peuvent notamment consister en des discontinuités d'impédance entre le milieu de propagation et le milieu extérieur. Le milieu multi-diffuseur comporte alors un canal acoustique entre l'emplacement de concentra¬ tion des ondes et les transducteurs, dont les parois réalisent par des réflexions multiples, l'étalement temporel de l'impulsion initiale, et le désétalement des ondes de retour.
Au cours de l'étape (b), l'enregistrement s'effectue pendant une fenêtre temporelle qui, notamment lorsqu'un signal acoustique est susceptible de provenir de plusieurs emplacements distincts, est choisi en fonction de l'emplace¬ ment sélectionné et de la nature du milieu.
On peut encore remarquer qu'en donnant au milieu multi-diffuseur une ouverture angulaire, vue de l'emplace¬ ment de concentration, nettement supérieure à l'ouverture angulaire du réseau, on obtient également une résolution de la tache de refocalisation beaucoup fine que dans le cas d'un milieu homogène. Le milieu diffuseur agit, après retournement temporel, comme un émetteur dont l'ouverture angulaire, vue de l'emplacement, peut être très supérieure à l'ouverture angulaire sous laquelle est vu le réseau. Le principe mis en oeuvre par l'invention ressort de ce qui précède. Les signaux acoustiques de retour (étape (c) ci-dessus) parcourent dans le milieu diffuseur des chemins inverses de ceux parcourus antérieurement, dans la mesure où le milieu n'évolue pas ou n'a qu'une évolution lente (typi- quement avec des déplacements des diffuseurs n'entraînant pas une modification de la longueur des chemins de diffusion multiple de plus d'1/10 de la plus petite longueur d'onde pour laquelle le spectre émis présente une puissance appréciable) du fait du principe du retour inverse. L'onde acoustique ré-émise subit toutes les diffusions et/ou ré¬ flexions multiples dans une chronologie inversée de celle de l'aller et reforme à la sortie du milieu l'onde acoustique initiale, constituée par une impulsion courte.
Lorsque le milieu multi-diffuseur est, totalement ou partiellement, entouré de surfaces réfléchissantes pour les ondes, toute l'énergie ré-émise est concentrée sur l'empla¬ cement choisi pendant la durée de l'impulsion initiale, et on obtient un gain très supérieur au gain d'antenne classi¬ que dû à la focalisation, puisqu'il est multiplié par un facteur de compression temporelle. Même avec des transduc¬ teurs de faible puissance ou des amplificateurs à faible gain, on peut concentrer des puissances élevées lorsque le milieu multi-diffuseur provoque un allongement important, qui peut être de l'ordre de 100 et davantage. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un dispositif de focalisation et de compression temporelle d'énergie acoustique en un emplacement, comprenant :
- des moyens pour provoquer l'émission d'une impul¬ sion acoustique brève depuis ledit emplacement, - un réseau de transducteurs,
- un milieu multi-diffuseur destiné à être interposé entre le réseau de transducteurs et ledit emplacement, et agencé pour étaler temporellement ladite impulsion acousti¬ que de façon à augmenter sa durée d'au moins un ordre de grandeur au niveau du réseau de transducteurs, le réseau de transducteurs étant commandé pour émettre des signaux acoustiques obtenus par inversion temporelle et amplification de signaux acoustiques captés en réponse à l'émission de ladite impulsion.
* *
D'autres caractéristiques et avantages du premier aspect de l'invention apparaîtront au cours de la descrip¬ tion détaillée suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.
Sur les dessins :
- la figure 1 est une vue en coupe d'une gare ferroviaire dans laquelle le procédé selon le premier aspect de l'invention peut être mis en oeuvre, - la figure 2 est une vue de dessus de la gare ferroviaire de la figure 1,
- et la figure 3 est une vue schématique partielle montrant un exemple de dispositif de mise en oeuvre du procédé selon le premier aspect de l'invention. *
* *
Par ailleurs, les caractéristiques exposées ci- dessus pour le deuxième aspect de l'invention, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de ce deuxième aspect de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description de ce deuxième aspect de l'inven¬ tion se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans les¬ quels : - la figure 4 est un schéma de principe montrant les conditions d'un essai destiné à prouver la faisabilité du procédé ;
- la figure 5 est un schéma d'un premier mode de réalisation ;
- les figures 6A à 6C montrent l'allure des signaux acoustiques ; et
- les figures 7 à 9 montrent trois variantes de réalisation.
* * Premier aspect de l'invention
Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 3 pour illustrer le premier aspect de l'invention, l'espace à sonoriser est une gare ferroviaire 101 équipée d'un grand nombre de n de haut-parleurs 102, n étant un entier naturel par exemple supérieur à 10.
Lorsque les haut-parleurs 102 émettent un signal sonore, par exemple un message d'information à l'attention des voyageurs 103, les ondes sonores qui en résultent parviennent aux voyageurs 103 avec des distorsions importan- tes qui sont dues à ce que ces ondes sonores subissent des trajets multiples et arrivent par conséquent de façon incohérente aux oreilles des voyageurs 103.
Les trajets multiples en question suivis par les ondes sonores sont dus à ce que : - d'une part chaque voyageur 103 reçoit des ondes sonores émises par plusieurs haut-parleurs 102, situés à des distances différentes les uns des autres par rapport à lui,
- et d'autre part, les ondes sonores émises par chaque haut-parleur 102 arrivent aux voyageurs 103 non seulement selon un trajet direct, mais également selon de multiples trajets indirects après une ou plusieurs ré¬ flexions sur des obstacles tels que par exemples les quais 104, les murs 105 ou le toit 106 de la gare.
Il en résulte que le message d'information, ou tout autre signal sonore émis par les haut-parleurs, est souvent peu compréhensible pour les voyageurs 103. Afin de pallier cet inconvénient, selon l'invention, on procède tout d'abord à une opération de "calibration" acoustique de la gare 101, en déterminant la réponse impul¬ sionnelle hu(t) entre chaque haut-parleur i et chaque point j faisant partie d'un ensemble de points prédéterminés 107 dit "de calibration" répartis à l'intérieur de la gare 1.
Les points de calibration 107 sont de préférence situés sensiblement à hauteur d'homme, par exemple à une hauteur comprise entre 1,50 m et 1,75 m au-dessus du sol, et ils sont répartis dans les diverses parties de la gare 101 qui sont fréquentées par les voyageurs 103.
La réponse impulsionnelle hi:,(t) correspond au signal acoustique reçu au point j lorsque le haut-parleur i émet une courte impulsion acoustique (idéalement une impulsion de Dirac) ou inversement au signal acoustique reçu au niveau du haut-parleur i lorsqu'on émet au niveau du point j une courte impulsion acoustique (la réponse impulsionnelle est la même dans les deux sens de propagation).
Ces réponses impulsionnelles peuvent donc être mesurées relativement simplement, de préférence de nuit ou tout au moins à un moment où la gare 101 ne reçoit pas de public, en faisant émettre successivement par chaque haut- parleur 102 une courte impulsion acoustique, et en mesurant les signaux acoustiques reçus à la suite de cette impulsion au niveau des différents points de calibration 107, au moyen de micros 108 (figure 3) préalablement disposés aux points de calibration 107.
Dans l'exemple particulier représenté sur la figure 3, chaque haut-parleur 102 reçoit successivement d'un calculateur 109 le signal impulsionnel à émettre, le calculateur 109 étant relié, par exemple par une liaison en bus, à une pluralité de convertisseurs numériques-analogi¬ ques 110, chacun de ces convertisseurs numériques-analogi¬ ques étant relié à un haut-parleur 102 par l'intermédiaire d'un amplificateur 111, et chacun de ces convertisseurs numériques-analogiques 110 étant adressable et commandé indépendamment par le calculateur 109, de façon que chaque haut-parleur 102 puisse émettre un signal indépendant des autres haut-parleurs.
Par ailleurs, les différents micros 108 situés au niveau des points de calibration 107 sont reliés chacun à un convertisseur analogique-numérique 112 par l'intermédiaire d'un amplificateur 113, les convertisseurs 112 pouvant être par exemple des convertisseurs adressables reliés en bus au calculateur 109, de façon que les signaux captés par les micros 108 puissent être mémorisés par le calculateur 109 pour chaque point de calibration 107.
Les réponses impulsionnelles hld(t) ainsi mémorisées par le calculateur 109 sont ensuite inversées temporellement par ce calculateur, qui mémorise finalement les inversions temporelles des réponses impulsionnelles h^f-t).
Une fois l'opération de calibration terminée, on démonte les différents micros 108 avec leurs convertisseurs 112 et leurs amplificateurs 113.
Par la suite, à chaque fois qu'il est nécessaire de sonoriser une ou plusieurs zones cibles appartenant à la gare 101, par exemple une zone cible 114 correspondant à un quai 104 particulier et/ou une zone cible 115 correspondant à tout ou partie du hall 116 de la gare, on fait émettre par chaque haut-parleur i de la gare un signal sonore
Figure imgf000014_0001
où :
- les indices j correspondent aux indices des points de calibration appartenant à la zone cible ou aux zones cibles considérées, chaque zone cible comprenant au moins un point de calibration 107 et de préférence plusieurs, aj représente un coefficient de pondération prédéterminé qui peut éventuellement être utilisé pour privilégier certains points de calibration 107 correspondant à des zones particulièrement fréquentées par le public, ces coefficients de pondération pouvant être le plus souvent tous égaux entre eux et généralement tous égaux à 1,
- S(t) correspond à un signal porteur d'informa¬ tions, ce signal pouvant être un message d'informations destiné aux voyageurs, une musique d'ambiance, la retrans- mission d'un programme radiodiffusé, ou autre,
- et le signe β représente le produit de convolu- tion.
On rappelle ici que le produit de convolution d'une fonction f(t) par une fonction g(t) vaut : . +≈ f(t) e g"(t) = J -≈ f(x)g(t-τ)dx. La diffusion du signal sonore S(t) est réalisée au moyen du calculateur 109, qui reçoit le signal S(t) par l'intermédiaire d'au moins une voie d'entrée 117 comportant par exemple un micro 118 ou une autre source envoyant le signal S(t) vers le calculateur, un amplificateur 119 et un convertisseur analogique-numérique 120.
Le calculateur 109 est relié par ailleurs à une interface 121 comprenant par exemple un clavier et un écran qui permet à un opérateur de choisir la zone cible 114, 115 dans laquelle il souhaite diffuser un message ou autre signal sonore.
Après avoir sélectionné la ou les zones cibles voulues au moyen de l'interface 121, l'opérateur peut alors par exemple parler dans le micro 118 pour diffuser un message dans cette zone cible : ce message S(t) est reçu par le calculateur 109, qui calcule les signaux st(t) à faire émettre par chaque haut-parleur 102 et transmet ces signaux aux haut-parleurs 102 correspondants par l'intermédiaire des convertisseurs numériques-analogiques 110 et des amplifica¬ teurs 111.
Eventuellement, il serait possible de ne faire émettre les signaux s^t) que par certains des haut-parleurs de la gare 101, dits haut-parleurs actifs, par exemple les haut-parleurs les plus voisins de la zone cible.
Le cas échéant, il serait même possible de sonoriser simultanément plusieurs zones cibles en envoyant respective¬ ment dans les différentes zones cibles des signaux acousti¬ ques porteurs d'informations Sk(t) différents.
Dans ce cas, chaque haut-parleur actif, c'est-à-dire en général chaque haut-parleur de la gare 101, émet un signal acoustique sL-k(t)
Figure imgf000016_0001
Le cas échéant, le procédé selon l'invention peut également être utilisé pour envoyer un message particulière¬ ment clair et éventuellement particulièrement fort à un individu donné 122 (figure 2) ou à un groupe donné d'indivi¬ dus.
Il peut s'agir par exemple d'un message de service destiné à un employé particulier, ou encore d'un message dissuasif destiné à un individu en train de commettre une infraction ou une imprudence.
Pour cela, l'opérateur repère la position de l'individu 122 ou du groupe d'individus destinataire du message, ce repérage pouvant être effectué par vision directe ou encore indirectement en visionnant un ou plu¬ sieurs écrans de contrôle reliés à une ou plusieurs caméras de surveillance.
Ce repérage étant effectué, l'opérateur indique la position de l'individu 122 au calculateur 109 par l'intermé¬ diaire de l'interface 121, après quoi le calculateur 109 détermine automatiquement une zone cible 123 de taille réduite, contenant l'individu 122 et au moins un point de calibration 107, puis l'opérateur diffuse vers l'individu 122 son message dissuasif.
Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, le premier aspect de l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation particulier qui vient d'être décrit ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes, notamment celles dans lesquelles :
- l'espace à sonoriser serait autre qu'une gare ferroviaire, par exemple un aérogare, une station de métro, une gare routière, une piscine, un stade, une plage, un musée (auquel cas les zones cibles peuvent correspondre à des zones situées au voisinage des différentes oeuvres d'art dans une même salle, ces zones cibles pouvant éventuellement être matérialisées par des lignes tracées au sol ou similai¬ res, et des commentaires sonores différents pouvant éven¬ tuellement être diffusés simultanément respectivement dans ces différentes zones cibles), un espace appartenant à un parc d'attractions (auquel cas le fait de pouvoir faire entendre des sons uniquement dans certaines zones particu¬ lières de cet espace peut être utilisé notamment à titre de jeu), les salles de spectacles, et de façon plus générale, tout lieu recevant du public ou encore tout lieu privé perturbant la propagation des ondes acoustiques par des réflexions ou diffusions multiples,
- l'invention serait utilisée pour écouter un programme sonore de haute fidélité, la zone cible corres¬ pondant alors à un espace où doit se placer l'auditeur pour écouter le programme sonore en question, - le nombre n de haut-parleurs serait inférieur à
10, par exemple égal à 1 (notamment lorsque l'espace à sonoriser comporte de multiples obstacles réverbérant particulièrement bien les ondes acoustiques), ou égal à 2,
- le signal S(t) ne serait pas un signal acoustique compréhensible par l'oreille humaine, mais un signal codé destiné à être reçu et décodé par un dispositif de réception automatique,
- le signal acoustique S(t) ne serait pas sonore, mais ultrasonore ou infrasonore, - et les réponses impulsionnelles hij(t) seraient déterminées autrement qu'en faisant émettre des signaux acoustiques impulsionnels, par exemple en faisant émettre successivement aux différents haut-parleurs 102 un signal acoustique modulé de façon prédéterminée, ou encore en faisant émettre aux haut-parleurs 102 des suites de signaux acoustiques prédéterminés, d'où l'on peut déduire la réponse impulsionnelle h^ft) par des méthodes de calcul connues en soi, explicitées par exemple dans la demande de brevet français nβ 96 05102 du 23 avril 1996 pour le calcul des réponses impulsionnelles dans le domaine des ondes radio. *
Deuxième aspect de l'invention
Pour faire apparaître l'intérêt du deuxième aspect de l'invention, on donnera tout d'abord les résultats d'essais effectués en utilisant, comme milieu multi-diffu¬ seur, des tiges métalliques parallèles réparties de façon quasi aléatoire et ayant un diamètre de l'ordre de la longueur d'onde λ de l'énergie acoustique. La figure 4 montre le milieu multi-diffuseur 10 interposé entre une source 12, qui constitue une cible située à un emplacement où s'effectuera la concentration, et un réseau de transduc¬ teurs 14 émetteurs-récepteurs, reliés à un circuit 16 ayant autant de voies d'émission-réception qu'il y a de transduc¬ teurs. Ce circuit 16 a une constitution du genre déjà décrit dans les documents EP-A-0383 650 et EP-A-0 591 061.
Les essais ont été effectués avec une cible 12 constituée par un hydrophone muni d'un circuit d'excitation 18 et capable d'émettre des impulsions brèves, de 1 microse¬ conde, avec une fréquence centrale de 3 MHz. Le milieu multi-diffuseur 10 est constitué de tiges de 0,5 mm de longueur, avec un espacement moyen de l'ordre de 2 mm. L'épaisseur e du milieu était de 45 mm. Le libre parcours moyen, pour la longueur d'onde considérée, était d'environ 1 = 7 mm. La largeur w était de l'ordre de 120 mm. L'onde acoustique sphérique émise par la cible 12, dont la partie émettrice avait un diamètre de l'ordre de 0,5 mm, subit des diffusions multiples, sans dissipation notable du fait de la réflectivité du métal. Le réseau de transduc¬ teurs 14 comportait 48 transducteurs et le circuit associé 16 était prévu pour enregistrer les signaux individuels sur des durées d'environ 100 microsecondes, correspondant à l'étalement des temps d'arrivée des ondes acoustiques ayant parcouru le milieu multi-diffuseur par tous les chemins possibles.
Le circuit 16 comportait, pour chaque voie, un convertisseur analogique-numérique, une mémoire organisée en file d'attente et des moyens de lecture avec une chronologie inversée et d'amplification.
Une mesure des caractéristiques de l'onde de retour ayant traversé le milieu 10 a montré que le faisceau se refocalise sur une zone ayant une largeur, à - 6 dB, sensi¬ blement égale à λF/w, F étant la distance entre le plan de sortie du milieu multi-diffuseur et la cible. Cette tache focale est plus fine qu'elle ne l'aurait été en l'absence du milieu multi-diffuseur. Ce dernier présente en effet une ouverture angulaire, vue de la cible, beaucoup plus élevée que le réseau de transducteurs 14.
Le dispositif schématiquement illustré sur la figure 5 (où les organes correspondant à ceux déjà montrés en figure 4 sont désignés par le même numéro de référence) est destiné à concentrer, sur une cible passive 12, une impul¬ sion brève et intense, avec des moyens d'émission de faible puissance.
Dans ce cas encore, un milieu multi-diffuseur 10 est interposé entre le réseau de transducteurs piézo-électriques 14 et la cible 12. Les transducteurs 14, ou au moins certains d'entre eux, sont prévus pour envoyer sur la cible 12, qui est réfléchissante, une impulsion brève à la fréquence des ondes acoustiques à concentrer. Il est également possible d'utiliser des transducteurs différents pour la première illumination (étape (a) ci-dessus) et pour la réception et la ré-émission (étapes (b) et (c) ). Dans le milieu multi-diffuseur 10 est ménagée une ouverture 20 de dimension suffisante pour permettre le passage d'un tir d'illumination bref, sans diffusion. La cible illuminée renvoie, vers le milieu multi-diffuseur 10 et le réseau de transducteurs 14, l'onde qui est ensuite retournée tempo- Tellement. L'onde reçue et réfléchie par la cible 12 peut avoir la variation dans le temps montrée schématiquement en figure 6A. Ce type de signal, de quelques périodes fondamen¬ tales et à bande large, peut notamment être obtenu à l'aide de transducteurs en technologie composite. Le signal d'écho reçu par un transducteur particulier aura alors, du fait qu'une partie au moins de l'énergie réfléchie a subi la multi-diffusion, une allure qui est par exemple celle montrée sur la figure 6B. Pour réduire les pertes d'énergie acoustique, des moyens tels que des miroirs 22 peuvent être disposés autour du milieu multi-diffuseur 10, de façon à réduire les ré¬ émissions d'énergie acoustique vers des directions autres que celle de la cible et/ou à constituer un canal acousti- que.
Dans une variante simplifiée de réalisation, le signal retourné par chaque transducteur 14 n'est pas obtenu par amplification analogique du signal retourné, mais par retour d'un signal constitué d'impulsions alternativement positives et négatives, ayant chacune la même durée et le même signe que l'alternance correspondante (figure 6C).
Dans la variante de réalisation montrée en figure 4, le milieu multi-diffuseur 10 est placé à l'opposé de la cible 12 par rapport au réseau de transducteurs 14. Dans ce cas, la première illumination est effectuée par un émetteur supplémentaire 24 (suivant la direction f0 de la figure 7). L'énergie acoustique réfléchie par la cible 12 traverse deux fois le milieu 10, avec une réflexion intermédiaire sur un miroir 26, comme indiqué par la flèche f1. Le réseau 14 ré- émet lui aussi vers le miroir 26 (flèche f2).
Dans un autre cas encore, on cherche à concentrer de l'énergie dans une zone déterminée de l'espace, constituant cible, qu'on a préalablement sélectionnée. Dans ce cas, l'étape (a) peut n'être effectuée qu'au cours d'une phase d'étalonnage. Ultérieurement, la concentration d'énergie s'effectue en répétant l'étape (c). Ce dernier mode d'exécution permet notamment de transmettre des messages qui ne pourront être reçus avec une puissance élevée et de façon intelligible que dans une zone bien déterminée. Le milieu multi-diffuseur doit alors être complètement stationnaire.
Dans ce cas, si l'onde acoustique reçue au cours de l'étape (b) par un transducteur i. est représentable par et(t) et le message à transmettre est de la forme s(t), l'amplificateur prévu sur la voie associée au transducteur 1 sera prévu pour que l'émission par le transducteur soit de la forme e^x-t) Θ s(t), x étant un retard fixe, identique pour tous les transducteurs. La démodulation s'effectuera de façon classique, quelle que soit la modulation du signal s(t). Pour la transmission sous-marine, par exemple à partir d'un bâtiment ou d'un robot sous-marin, le réseau de transducteurs peut être dépointé par rapport à la cible et orienté vers une paroi du canal acoustique sous-marin, comme la surface ou le fond. Dans les variantes de réalisation des figures 8 et
9, le milieu multi-diffuseur 30 ne comporte pas d'éléments répartis aléatoirement dans le volume du milieu de propaga¬ tion, mais seulement des éléments réfléchissants répartis à sa surface, définissant ainsi un canal ou guide d'onde acoustique. Le réseau de transducteurs 14 est placé à une extrémité de ce guide d'onde.
Dans le cas de la figure 8, la source d'étalonnage 12 est placée à l'autre extrémité du guide d'onde 30. Les nombreuses réflexions sur la paroi réfléchissante étalent la durée de l'impulsion initiale au niveau du réseau 14, et compriment inversement cette durée lors de la réémission focalisée vers l'emplacement initialement occupé par la source d'étalonnage.
Dans le cas de la figure 9, un transducteur 24 est placé près de l'extrémité du guide d'onde 30 pour illuminer la cible réfléchissante 12 en direction opposée au guide 30 lors de l'étape initiale. Le transducteur 24 peut être fixé au moyen d'une monture n'entravant pas la propagation des ondes, telle que trois fils orientés radialement par rapport à l'axe du guide, à 120° les uns des autres. La partie du bref faisceau d'illumination renvoyée par la cible 12 vers le guide 30 subit alors les réflexions multiples qui étalent sa durée. Après retournement temporel et amplification, l'énergie se concentrera sur la cible réfléchissante 12 si elle ne s'est pas trop déplacée. On ne décrira pas ici de façon complète des trans¬ ducteurs et un circuit associé permettant de mettre en oeuvre les procédés ci-dessus mentionnés. En effet, la constitution des circuits peut être similaire à celle déjà donnée dans les demandes de brevet antérieures précédemment mentionnées. Il est seulement nécessaire que les mémoires organisées en file d'attente destinées à enregistrer le signal complexe reçu par les transducteurs 14 aient une capacité suffisante. La capacité de ces mémoires devra encore être augmentée si on souhaite stocker les formes d'ondes préalablement enregistrées relativement à plusieurs emplacements distincts, ultérieurement sélectionnables à volonté dans les phases de réémission. Le gain des amplifi¬ cateurs prévus sur chaque voie de transducteurs sera, pour une puissance donnée à concentrer, fonction de l'étalement temporel réalisé par le milieu multi-diffuseur 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour sonoriser un espace (101) perturbant la propagation des ondes acoustiques, afin de transmettre dans cet espace des informations sous forme d'ondes acousti¬ ques au moyen d'un nombre n de haut-parleurs (102), n étant un entier naturel au moins égal à 1, ce procédé comportant des étapes de sonorisation au cours desquelles on transmet au moins un signal acoustique S(t) porteur d'informations dans au moins une zone (114, 115, 123), dite "zone cible", qui appartient à l'espace à sonoriser (101), cette transmis¬ sion étant réalisée en faisant émettre des signaux acousti¬ ques st(t) par au moins un sous-ensemble de haut-parleurs (102) dits "actifs", lequel sous-ensemble comporte au moins un haut-parleur choisi parmi les n haut-parleurs susmention¬ nés, caractérisé en ce qu'au cours de chaque étape de sonorisa¬ tion, chaque haut-parleur actif i émet un signal Si(t) = Σ aJ.hlj(-t)®S(t),
où :
. h^f-t) représente l'inversion temporelle de la réponse impulsionnelle h^t), préalablement déterminée et mémorisée, entre le haut-parleur i et un point j prédéterminé dit "de calibration" (107) appartenant à la zone cible (114, 115, 123), la zone cible comprenant un nombre p de points de calibration, p étant un entier naturel au moins égal à 1, la réponse impulsionnelle htJ(t) correspondant au signal acoustique reçu au point j lorsque le haut-parleur i émet une courte impulsion acoustique,
. et les coefficients ad sont des coefficients de pondéra¬ tion prédéterminés.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les coefficients de pondération a.i sont tous égaux à 1.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le sous-ensemble de haut-parleurs actifs (102) comprend tous les haut-parleurs de l'espace à sonori¬ ser (101).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le nombre p de points de calibration (107) de la zone cible (114, 115) est au moins égal à 2.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre n de haut-parleurs (102) est au moins égal à 2.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal S(t) correspond au moins en partie à un signal sonore choisi parmi les signaux représentatifs de la voix humaine et les signaux représenta¬ tifs de morceaux musicaux.
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'espace à sonoriser (101) est un lieu recevant du public, et les signaux S(t) correspondent au moins en partie à des messages d'information du public.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, au cours d'au moins certaines des étapes de sonorisation, on sonorise simultanément un nombre q de zones cibles (114, 115, 123), où q est un entier naturel au moins égal à 2, chaque haut-parleur actif i émettant alors la superposition de q signaux acoustiques sι.k('fc) où k est un entier
Figure imgf000024_0001
naturel compris entre 1 et q correspondant à chaque zone cible, Sk(t) représentant le signal acoustique porteur d'informations destiné à être diffusé dans la zone cible d'indice k.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone cible (123) considérée dans au moins certaines des étapes de sonorisation est une zone la plus réduite possible comprenant au moins un point de calibration (107) et dans laquelle se trouve au moins une personne (122) destinataire d'un message vocal représenté par le signal S(t).
10. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour sonoriser un espace (101) perturbant la propagation des ondes acoustiques, ce dispositif comportant : - un nombre n de haut-parleurs (102) répartis à l'intérieur dudit espace, n étant un entier naturel au moins égal à 1,
- au moins une voie d'entrée (117) pour recevoir un signal S(t) porteur d'informations à transmettre sous forme d'ondes acoustiques dans au moins une zone (114, 115, 123), dite zone cible, qui appartient à l'espace à sonoriser, cette transmission étant réalisée en faisant émettre des signaux acoustiques st(t) par au moins un sous-ensemble de haut-parleurs (102) dits actifs, lequel sous-ensemble comporte au moins un haut-parleur choisi parmi les n haut- parleurs susmentionnés,
- un système de traitement de signal (109) pour déterminer chaque signal s t) par la formule :
Si(t) ≈ Σ aJ.hlj(-t)®S(t), où
. h^É-t) représente l'inversion temporelle de la réponse impulsionnelle htJ(t), préalablement déterminée et mémorisée, entre un haut-parleur actif i et un point j prédéterminé dit "de calibration" appartenant à la zone cible, la zone cible (114, 115, 123) comprenant un nombre p de points de calibra¬ tion (107), p étant un entier naturel au moins égal à 1, et la réponse impulsionnielle h1Λ(t) correspondant au signal acoustique reçu au point j lorsque le haut-parleur i émet une courte impulsion acoustique, . et les coefficients a^ sont des coefficients de pondéra¬ tion prédéterminés, le système de traitement de signal (109) étant relié à la voie d'entrée pour recevoir le signal S(t) et aux différents haut-parleurs (102) pour leur transmettre respectivement les signaux Sj(t).
11. Dispositif selon la revendication 10, comportant en outre des moyens (121) pour sélectionner la zone cible au sein de l'espace à sonoriser.
12. Procédé de focalisation et de compression temporelle d'énergie acoustique en au moins un emplacement, suivant lequel : a) on provoque l'émission depuis ledit emplacement (12) d'une impulsion acoustique courte, de première durée, b) on recueille sur un réseau de transducteurs (14) et on enregistre, pendant une seconde durée, supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la première durée, les signaux acoustiques provenant dudit emplacement à travers un milieu multi- diffuseur (10;30) ; et c) on émet vers le milieu multi-diffuseur, à partir des dits transducteurs (14), des signaux de retour obtenus par inversion temporelle et amplification de ceux recueillis pendant la seconde durée.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on donne, au milieu multi-diffuseur (10;30), une ouverture angulaire, vue dudit emplacement (12), supérieure à l'ouverture angulaire du réseau (14).
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'on amplifie les signaux inversés temporellement avec un gain fonction croissante du retard d'arrivée sur les transducteurs.
15. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que les signaux de retour au cours de l'étape (c) sont d'amplitude constante et ont le signe des signaux enregistrés.
16. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'on module les signaux de retour par un message à transmettre.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 12 à 16, caractérisé en ce que l'on effectue une seule fois les étapes (a) et (b) au cours d'une phase d'étalonnage et en ce qu'on émet des signaux de retour de façon répétiti¬ ve, le milieu multi-diffuseur (10;30) étant stationnaire.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 12 à 16, caractérisé en ce que le milieu multi- diffuseur (10) comporte une ouverture (20), et en ce que l'étape (a) comporte l'émission depuis le réseau de trans¬ ducteurs (14) d'un faisceau d'illumination à travers l'ouverture du milieu multi-diffuseur, et la réflexion du faisceau d'illumination par une cible réfléchissante (12) définissant ledit emplacement.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 12 à 16, caractérisé en ce que l'étape (a) comporte l'émission depuis un transducteur (24) n'appartenant pas au réseau (14) d'un faisceau d'illumination, et la réflexion du faisceau d'illumination par une cible réfléchissante (12) définissant ledit emplacement.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 12 à 19, caractérisé en ce que ledit milieu multi- diffuseur comprend un milieu de propagation et des éléments réfléchissants répartis.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que les éléments réfléchissants sont répartis dans le volume du milieu de propagation.
22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que les éléments réfléchissants sont répartis à la périphérie du milieu de propagation.
23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que les éléments réfléchissants sont constitués par des discontinuités d'impédance acoustique entre le milieu de propagation et le milieu extérieur.
24. Dispositif de focalisation et de compression temporelle d'énergie acoustique en un emplacement, compre¬ nant : - des moyens (18;24) pour provoquer l'émission d'une
Impulsion acoustique brève depuis ledit emplacement (12) ; - un réseau de transducteurs (14) ;
- un milieu multi-diffuseur (10;30) destiné à être interposé entre le réseau de transducteurs et ledit emplace¬ ment, et agencé pour étaler temporellement ladite impulsion acoustique de façon à augmenter sa durée d'au moins un ordre de grandeur au niveau du réseau de transducteurs, le réseau de transducteurs étant commandé pour émettre des signaux acoustiques obtenus par inversion temporelle et amplifica¬ tion de signaux acoustiques captés en réponse à l'émission de ladite impulsion.
25. Dispositif selon la revendication 24, caracté¬ risé en ce que l'épaisseur du milieu multi-diffuseur (10) est sensiblement supérieure au libre parcours moyen des ondes dans ce milieu.
26. Dispositif selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens définis¬ sant un canal acoustique.
27. Dispositif selon la revendication 26, caracté¬ risé en ce que le réseau de transducteurs est orienté vers une paroi du canal acoustique.
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