WO2004055661A1 - Device for transmitting/receiving acoustic waves in a plate, and method for making same - Google Patents

Device for transmitting/receiving acoustic waves in a plate, and method for making same Download PDF

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WO2004055661A1
WO2004055661A1 PCT/FR2003/003703 FR0303703W WO2004055661A1 WO 2004055661 A1 WO2004055661 A1 WO 2004055661A1 FR 0303703 W FR0303703 W FR 0303703W WO 2004055661 A1 WO2004055661 A1 WO 2004055661A1
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WO
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plate
sensors
audible
piezoelectric
ultrasonic
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PCT/FR2003/003703
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Jean-Pierre Nikolovski
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Intelligent Vibrations
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/043Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using propagating acoustic waves
    • G06F3/0436Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using propagating acoustic waves in which generating transducers and detecting transducers are attached to a single acoustic waves transmission substrate
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Definitions

  • the present invention relates generally to interactive communication devices between a user and a machine.
  • the invention relates to a device for collecting, transmitting and processing acoustic waves transmitted by a user or a sensor to a plate serving as an interface with a machine, said device being endowed with functionalities allowing it to on the one hand, to analyze the propagation times of the acoustic waves in the plate in particular to measure the coordinates x r , y r of impacts, on the other hand, to emit or receive an audible sound, in particular the voice, using the plate as a microphone membrane or as a speaker.
  • impactile being a neologism created by analogy with the word “ tactile ”and whose meaning throughout this description will be“ who reacts to an impact ”.
  • WO 96 11378 discloses a device for acquiring coordinates x r , y r of the point of a rigid plate from which a source punctually emits wave packets, by analysis of the propagation time of the waves in the plate in two directions x and y of the plate.
  • Both acquisition devices are particularly suitable for the selective detection, dlun Lamb acoustic mode- in a plate "of" isotropic glass.
  • the device of patent EP 1 141 884 A proposes a method of collecting the voice of a user mechanically exciting the glass plate.
  • the present invention shows how to further improve this result, by transforming the plate in audio transceiver, half duplex and programmable using one or more sensors glued to the plate as transmitters of acoustic waves in the ambient air which amounts to using the plate as a speaker in a frequency band limited to part of the audible band while simultaneously using other sensors in receiver mode in a different spectral band, in particular in the ultrasonic frequency spectrum, in order to be able to simultaneously detect the position of a possible impact on the plate controlling for example the stopping the current emission in the audible spectrum and the consecutive emission of another audible message.
  • the devices described in the patents cited above lack flexibility when transforming a glazing into an interactive screen simply because the gains of the receiver amplifiers must be able to be optimized from one device to another and d '' one channel to another depending on the type and quality of bonding of the sensors or the dispersion of the properties of the electronic components used generating a variation in analog noise on each amplification channel.
  • the present invention therefore proposes the following improvement consisting in introducing a range of gains that can be programmed digitally for each of the channels and independently of the other channels, as well as an algorithm for automatically searching for the optimal gain for each detection channel.
  • the plate since the plate has a certain number of sensors that can be damaged during installation or after several years of use, it may prove necessary to be able to check the condition of the electrical connections and easily identify the faulty connections.
  • the invention shows a method for checking the state of the electrical connections of the sensors consisting in measuring the equivalent capacity of the piezoelectric sensors.
  • Another object of the present invention is also to improve the electrical bandwidth : acoustics of the glass plate when it is used as a loudspeaker, in particular to correct the bandwidth of the glass plate at low frequencies and allow it by using a dynamic compression function to emit an acoustic sound of sufficient amplitude and quality allowing to hear correctly, even in urban areas where there is in practice a relatively high ambient acoustic noise.
  • an acoustic wave transmitter-receiver device comprising a set of piezoelectric sensors bonded to a plate, said sensors being able to be independently transmitters or receivers of acoustic waves propagated in the plate.
  • said device comprising filtering means capable of defining at least two independent spectral bands, one in the audible range, the other in the ultrasonic range, device characterized in that a set of at least three sensors taken among four sensors operates in reception mode in the audible and ultrasonic bands and allows operation of the device in a touch screen, at least one sensor taken from among four sensors operates in transmission or reception mode in the ultrasonic band while at least one sensor operates in transmission mode simultaneously and independently in the audible band.
  • a device for acquiring coordinates of points of interaction of an acoustic source with the surface of the plate, of finite dimensions comprising a set of acoustic sensors each formed by two piezoelectric transducers located opposite -screw on either side of the plate, or of a transducer in the form of a piezoelectric plate with alternating polarization, bonded to the edge of the plate, the device comprising processing means for determining the coordinates of said interaction point by analyzing the difference in propagation time of the acoustic waves emitted by the source to the various sensors, device characterized in that the processing means comprise, in association with each sensor, a respective electronic circuit comprising in cascade means for performing a wideband pre-amplification with digital gain adjustment on four bits, i.e.
  • 16 gay values ns possible means for selective amplification centered on a first frequency "determined, means for detecting the head of the wave packet and means for switching the transmitter or receiver sensors to automatically determine the distance between the different sensors, from the knowledge of the speed of sound of acoustic waves in the plate, and also carry out an integrity check of the plate by regularly carrying out a new measurement of this distance which is compared with the values measured during the first configuration of the plate .
  • the device also comprises at least one piezoelectric transducer intended for the production of sound in ambient air by using the plate as a coupling surface, said coupling surface playing the role of loudspeaker membrane, the interesting feature being that the mechanical excitation of the plate produced by a small piezoelectric transducer propagates in the plate at a speed 10 times greater than the speed of propagation of the sound in the air which allows to distribute the sound to be transmitted on a surface of large transmission, typically several square meters. The effect produced is then a feeling of uniformity of the sound produced whatever the position of the user in front of the plate, as well as the absence of decrease of the signal when the user moves away from the plate.
  • Such an interface can thus be installed on shop windows, or bus shelters, but also on glazing making up partitions, glass doors, flat or slightly curved windows such as those found in passenger windows. of automobile cars.
  • Preferred but non-limiting aspects of the device according to the invention are the following:
  • the sensors are four in number and consist of an assembly of two piezoelectric transducers of square shape, rectangle, disc, half disc or quarter disc of piezoelectric ceramics bonded on either side of the plate, so that four sensors form the vertices of a rectangle whose center constitutes the origin of the coordinates.
  • a sensor is formed by two half-discs when it is glued to more than three diameters from the corner of a rectangular plate, the edge of the half-disc being collinear and directly above the edge of the plate, while the connections electrics are made in antiparallel. It is formed by two quarter discs when glued to the corner of a plate, the two perpendicular edges of each quarter disc being aligned with those of the corners of the plate.
  • the shape of the transducer piezoelectric is arbitrary when it is intended to mechanically excite the plate so that it transmits in the ambient air an audible sound.
  • the sensors are four in number and are in the form of a rectangular piezoelectric plate bonded to the polished edge of the plate, the width of a plate being equal to the thickness of the plate, while the length of a plate is chosen so that the fundamental longitudinal resonance of the wafer along this length is close to 100 kHz, which corresponds in practice to a length of the order of 20 mm.
  • the wafer is alternately polarized, the plane delimiting the polarization reversal being coplanar with the median plane of the plate, so that the wafers will be particularly well suited to the detection of antisymmetric Lamb waves, in particular in the case of double-glazed type glass plates.
  • the four sensors are glued to the edges of the plate intended to serve as a user interface, that is to say intended to receive the impacts. These sensors are particularly well suited to glass plates at least 10 mm thick.
  • the piezoelectric ceramic discs have a silver back allowing electrical connections to be made on the same face of the disc,
  • the location of an impact point on a plate in one of the four quadrants defined by the pair of bits (g y , g x ) consists in measuring the difference in flight times between two sensors, taken from a triplet of sensors , defining a first direction and two sensors, taken from the same triplet of sensors, defining a second direction perpendicular to the first, so that the Cartesian coordinates of the point of impact (x r , y r ) on the plate are given by the formula:
  • p and q are positive numbers representing respectively the abscissa and the ordinate of the position of the sensors relative to the center of the rectangle defined by the sensors, v the speed of the acoustic plate mode detected, that is to say -to say, for an isotropic lens, that of the Lamb mode A 0 , ⁇ t xg , (respectively ⁇ t yg ) the difference in the propagation times of the wave packet generated by the impact, between the sensors of the first pair located in the half-rectangle g x (respectively of the second pair located in the half-rectangle g y ),
  • the determination of the triplet of sensors associated with a given impact is carried out according to an algorithm seeking the largest difference in flight time available between the sensors in two perpendicular directions,
  • the electronic circuits associated with the sensors for the localization of an impact include in cascade a broadband preamplifier stage, an amplifier stage digitally programmable on four bit, a selective amplifier stage adjustable in an ultrasonic band located between 20 kHz and 150 kHz , a square rise stage, a peak detector stage with discharge resistance, an operational amplifier integrator stage with a resistive bridge with high input polarization impedances so that the integrator is saturated at a level opposite to that towards which it would presently saturate with a positive signal, an adaptation stage at a logic level constituting a synchronization signal intended for calculating the position of an impact,
  • the electronic circuits associated with the sensors for recording audio sound recovered by the plate bathed in the ambient air and operating in microphone mode include a bypass at the output of the amplifiers with programmable gains towards a high impedance input follower stage, a floor summing amplifier of the selected channels, a high-pass first order filter of cutoff frequency of 30 Hz, a low-pass filter 6 ee cutoff frequency order of 5000 Hz, an analog switch to an audio output on connector Jack mono 3 5 mm intended to be connected to the microphone input of a sound card of a PC.
  • the analog switch is in high impedance mode when the plate is operating in speaker mode.
  • the electronic circuits associated with the sensor for the production of sound by the plate comprise an amplifier stage, a low pass filter stage of the first order with a cutoff frequency around 2.3 kHz, a low pass stage of the 6 th order with a cut-off frequency of 5 kHz, a signal dynamic compression stage with a square root function, a high-voltage output amplifier stage to an RCA-type output connector, a branch to a logic level adapter stage putting the microphone function output switch under high impedance.
  • At least one of the sensors is capable of being switched into the transmitter of an ultrasonic wave packet detected by the other sensors whose positions are to be determined in order to trigger a plate integrity test, by measuring the difference in propagation time of the wave packet between the different sensors,
  • the device constitutes a peripheral interface with a machine which receives the signals from the processing means and which, depending on the said signals, controls the execution of files contained in the computer by various peripherals of known types connected to the computer such as for example without limitation, a video projector, a video camera, loudspeakers, a modem, an intercom, a printer, or even an automation unit controlling a mechanical action such as closing a protective curtain, l orientation of a camera, control of a process,
  • the invention provides a method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that '' it includes the following stages: - providing a plate of given solid material;
  • a circuit for processing the signals received and / or emitted by the sensor comprising filtering means capable of defining two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and
  • the method includes providing a plastic plate and choosing the ultrasonic band around about 30 kHz.
  • the method includes providing a glass or metal plate and choosing the ultrasonic band around about 100 kHz.
  • the invention provides a method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that '' it includes the following stages:
  • - Arrange on the plate a set of piezoelectric sensors glued to the plate, these sensors being able to emit and / or receive acoustic waves propagated in the plate; - provide, in association with the sensors, circuitry for processing the signals received and / or emitted by the sensor, comprising filtering means capable of define two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and
  • the method comprises providing a plastic plate and choosing an arrangement of the individual sensors on only one face of the plate.
  • the method comprises providing a glass or metal plate and choosing an arrangement of the individual sensors in pairs on either side of the plate.
  • the invention provides a device for transmitting and receiving acoustic waves, characterized in that it comprises a set of piezoelectric sensors bonded to one side of a plastic plate and suitable for at least some of them to detect acoustic waves.
  • ultrasonic propagated in the plate according to the symmetrical mode in that at least one of said sensors is capable of emitting and / or receiving sound waves in the audible range, and in that it further comprises means of filtering capable of defining at least two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain, the other in the audible domain, and means for processing the signals filtered independently in the two bands.
  • Figure 1 is a schematic view of a rectangular impact plate with loudspeaker function and reduced active surface, giving the location and the coordinates of the sensors in the particular case where these are in the form of a semi-disc and form the vertices of a rectangle.
  • the actual coordinate system, the identification of the four quadrants, the propagation times of the acoustic waves, and the actual coordinates (x r , y r ) of an impact on the plate are also given.
  • Figure 2 has a schematic top view in section of a rectangular impact plate giving the location and positioning of four sensors in the shape of a quarter disc glued opposite and intended for the measurement of the coordinates of impacts brought to the plate.
  • Figure 3 includes a schematic top view in section of a rectangular plate made impactable on only a portion of its total surface, the portion also being in the form of a rectangle whose vertices are given by the location and positioning of four sensors in the form of a half disc glued opposite and intended for the measurement of the coordinates of impacts carried to the plate.
  • Figure 4 is a schematic sectional view from above of the placement and the electrical connections connecting two piezoelectric silver-return transducers, in the form of a quarter disc, mounted vis-à-vis in the square corner of a plate .
  • Figure 5 is a schematic sectional view from above of the placement and electrical connections connecting two piezoelectric transducers with silvering feedback, in the form of a half-disc, mounted vis-à-vis the edge of a plate.
  • FIG. 6 is a schematic view from above and in section of a rectangular impact plate with reduced active surface, the sensors being alternately polarized ceramics bonded to the polished edges of the plate.
  • a PLQ plate comprising four sensors PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 formed of pairs of piezoelectric transducers.
  • the two transducers of each pair are identified by the indices t for the upper face and b for the lower face. They are in the form of a half-disc, indicated by the index s and are fixed vis-à-vis on the two opposite faces of the plate, for example by gluing, to collect the acoustic waves circulating in the plate.
  • the choice of the shape of the transducer is imposed by the reflection of the acoustic waves on the sides of the plate.
  • the direction of the electrical polarizations and of the electrical connections are respectively symmetrical with respect to the median plane of the plate and antiparallel so as to discriminate any symmetrical propagation mode and to favor any antisymmetrical propagation mode.
  • the making of the electrical connections is facilitated by a return of silvering RA from one face to the other of the half-discs so as to have the two electrodes on the same face.
  • the four sensors constitute the vertices of a rectangle.
  • An orthogonal coordinate system x, y of origin O is associated with the plate PLQ, the origin O being physically located at the point of intersection of the diagonals of the rectangle defined by the four sensors.
  • the x and y axes intersect the midpoints of the sides of the rectangle defined by the sensors.
  • the PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 sensors have the respective coordinates (- ⁇ , -q) and (p, -q), (-p, q), (p, q).
  • Acoustic waves can be generated by the impact of an object on the plate or by compression waves propagating in the ambient air and mechanically exciting the surface of the plate, such as voice.
  • the plate is an isotropic material, for example glass, which may have undergone a quenching process to increase its impact resistance.
  • an impact of the nail plate on the surface of the plate essentially generates two acoustic modes, one corresponding to an elastic deformation of the glass due to the shock wave, asymmetrical with respect to the median plane of the plate, the other corresponding to an elastic strain wave. symmetrical with respect to the median plane of the plate.
  • These modes are respectively Lamb's A0 and S0 modes. The relative proportion of the two modes depends on the frequency, the nature of the impact and the materials colliding.
  • flick the A0 mode is generated predominantly by compared to S0 mode in a glass plate monolithic.
  • the plate may be made of a material other than glass. This can be a sheet of aluminum or steel or made of a metal alloy.
  • the plate can also be made of plastic, for example plycarbonate or polymethyl methacrylate. In the case of plastics, the relative proportion of the modes generated by the flicker changes in favor of the S0 mode.
  • the plate also comprises a fifth PZT4a sensor, appearing in FIG.
  • the fifth PZT4a sensor can also be in the form of two piezoelectric transducers mounted facing each other according to FIGS. 4 or 5, the advantage being to increase the transverse excitation power of the plate.
  • the useful impact surface is located inside the rectangle defined by the location of the four sensors. This rectangle can cover only a portion of the total surface of the plate.
  • the " impactile " surface may be limited to the surface that a user can reach in a standing position, that is to say a little more than two meters in height .
  • the sensors should preferably be hidden and protected from humidity and attack.
  • the dormant sections and the glazing beads may be made of an electrically conductive material such as aluminum.
  • the sandwiching of the sensors constitutes a Faraday cage, that is to say an electromagnetic shielding, protecting the input amplifiers from certain untimely capacitive couplings with other devices such as plasma screens, LCD or other electronic or electrical devices.
  • the aim of the present invention is thus to show how these three functionalities, that is to say impactile panel, microphone and loudspeaker coexist and make it possible to transform the plate into a consumer communication terminal.
  • the present invention proposes a modification of the broadband amplifier stage by replacing the broadband amplifier with fixed gain by a programmable gain amplifier.
  • Each of the four sensors is thus connected to a programmable gain amplifier, the gain value being defined by four bits allowing 16 possible gain values.
  • the gain of the programmable amplifiers is then determined experimentally by an automated gain search procedure consisting, for each channel, from the maximum gain and decreasing it in successive stages until the background noise of the channel in the absence of any interactivity on the glass is sufficiently low to no longer inadvertently trigger the switching of the synchronization and adaptation transistors at a logic level.
  • the quadrant to which it belongs is first determined, then the coordinates (xr, yr) are calculated according to the formula associated with this quadrant.
  • the Cartesian coordinates of the sensors PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 are respectively (-p, -q), (p, -q), (-p, + q), (+ p, + q).
  • Acoustic waves travel at the speed v of the mode detected by the sensors (i.e. antisymmetric or symmetrical).
  • the propagation times to the sensors of a wave packet generated by an impact at (xr, yr) are respectively tOO, tlO, tOl, tl 1.
  • the coordinates (xr, yr) are obtained by solving a system of equations, valid for a given quadrant.
  • the four systems of equations are
  • the method for determining the coordinates of an impact on a plate described above makes it possible to transform a shop window or any other plate into glass or plastic or metal into an impactile surface.
  • the source of impact can be a flick, that is to say an impact made with the dish of the nail on the glass plate.
  • the characteristic of the impact is to create acoustic waves in a relatively wide spectral range and at an electronically exploitable level up to frequencies above 150 kHz.
  • the detection of the ultrasonic spectral components makes it possible to properly measure the differences in propagation time between the different sensors.
  • the ultrasonic frequency useful for localizing the impact to the nearest centimeter is between 80 KHz and 120 kHz.
  • the useful ultrasonic frequency is between 20 kHz and 50 KHz.
  • the wave packet generated by an impact must be converted into an electrical signal for each of the PZTO to PZT3 sensors.
  • Each of the four sensors PZTO to PZT3 is thus associated with an electronic processing channel responsible for extracting the high-frequency components from the wave packet generated by the impact.
  • This treatment thus makes it possible to determine the coordinates of the impact using the above formula.
  • it is not sufficient to produce a reliable interface, that is to say which is only triggered when a human action consisting for example of a flick on glass, metal, or plastic is carried out.
  • acoustic noise in the 30-150 kHz band can reach the plate via the coupling between the ground and the chassis.
  • the device performs a simultaneous analysis of the wave packet on at least one other spectral component, in practice in the vicinity of the upper limit of the audible spectrum, for example 12 KHz.
  • the output of one of the four programmable wideband amplifiers is diverted to a selective filter of the frequency to be controlled, in this case 12 KHz, the said filter being intended in combination with the selective filter at 100 kHz ( for glass), to characterize the impact, i.e. to define a frequency signature, by verifying the simultaneous presence of energy around these two frequencies, in a given proportion characteristic of the impact and therefore to discriminate the signals unwanted in the form of a packet of waves whose spectral content does not simultaneously present the required levels.
  • Another aspect of the present invention is to provide a system for assisting in the identification of faults.
  • the most important fault diagnosis concerns the state of the electrical connections at the sensor levels. Indeed, the installation of an interactive showcase is often carried out during the renewal of a storefront.
  • the sensors are then integrated into the frame and it would be costly to have to completely dismantle a storefront without knowing beforehand whether the fault comes from a break in the electrical contact on one of the sensors.
  • the fault diagnosis on one of the sensors can be carried out using one of the characteristics of piezoelectric ceramics, ie their high dielectric permittivity which gives them a high value of static capacity, typically of several nanoFarads.
  • the control of the state of the connections then consists in measuring the value of this static capacity for each of the four sensors PZTO to PZT4.
  • the static capacity measured is the sum of the two capacities of the individual transducers. It is therefore very easy to identify the faulty sensor and if the fault simply concerns one or both transducers constituting the sensor.
  • the measurement of the capacitance is carried out by measuring the discharge time of the static capacitance brought to a known potential, through a resistor of known value. For this, the switching blocks placed at the inputs of the analog channels are shared at the outputs. The sensors are then brought, for a short time, to a known potential difference.
  • the charging current is limited by a resistance of a few hundred ohms.
  • the linear capacity of the coaxial cable connecting the sensors to the input amplifiers is only 100 picoFarad per meter.
  • the equivalent capacity of 10 meters of coaxial cable represents only one nanoFarad, barely 1% of the value of the static capacity of a piezoelectric sensor. There can therefore never be any confusion between the static capacity of a sensor and the capacity of the connecting cable.
  • a second diagnostic aid function also consists in switching the switching block of one of the four sensors PZTO to PZT3 in output mode and in applying an electrical pulse of the order of 45 V, for a very short time decomposing in 5 ⁇ s rise time and 5 ⁇ s return to initial state. This has the consequence of generating a packet of acoustic waves in the plate.
  • Another aspect of the present invention relates to the possibility of using the same PZTO to PZT3 sensors to transform the plate into a microphonic membrane. This is obtained by once again deriving the outputs of the four broadband programmable amplifiers to follower amplifiers, then to a summing amplifier stage of the signals coming from the follower amplifiers, a high pass filter stage of the first cut-off frequency 30 Hz, a low-pass filter stage of the first order cut-off frequency 2 kHz, a high-order low-pass filter stage, such as a Bessel or Chebyshev filter of order 6, cut-off frequency of 5000Hz, an analog switch of the microphone function, delivering on a load impedance of 560 Ohms.
  • This load resistance arrives at the terminals of a 3.5 mm jack audio connector, which can then be connected to the microphone input of a PC sound card.
  • the plate can be used as a loudspeaker.
  • This function is provided by the PZT4a sensor. Since the same plate is used as a microphone or speaker, the two functions are mutually exclusive. In addition, one of the functions will take precedence over the other. In the case of this invention, priority is given to the loudspeaker function which, when activated, deactivates the microphone function by placing the analog switch of the microphonic function under high impedance.
  • the loudspeaker function is thus called master, while the microphone function is called slave.
  • the PZT4a audio sensor is controlled by electronics with filtering functions.
  • any audio signal coming from a high fidelity storage medium and in general, any audio source intended to be retransmitted by the glass plate will undergo an " electronic processing comprising at least one amplifier stage, one compression stage dynamically consisting of a logarithmic amplification or elevated to the square root of the signal, followed by a filter stage lowpass 6 ee order 5000Hz cutoff frequency, followed by a high pass filter stage with 30Hz cutoff frequency, followed by a power amplifier stage for mechanical excitation of the PZT4a audio transducer.
  • Dynamic compression makes it possible to enhance certain sounds of low amplitude which could only be heard well in calm environments where high fidelity listening is possible. This is not the case for shop windows which bathe most of the time in a noisy ambient sound environment.
  • the dynamic compression by the square root function is constructed in such a way that the loudest sounds remain unchanged, while a weak sound will be amplified. For example, a recording for which the loudest sound is 1 Volt peak to peak, but lasts only one second over a total recording length of 30 seconds containing almost only sounds with amplitude 10 mV, will have after dynamic compression, always the same loudest sound of 1 Volt peak to peak, but the sounds of 10 mV will have been amplified to 100 mV.
  • an impact at a given location on an impactile plate can trigger an action implementing the loudspeaker function while this same loudspeaker function can be stopped. during its execution by an impact on the plate produced at another location on the plate.
  • the impactile slab function will thus have priority and will be called master over the loudspeaker function which will be called slave.
  • the processes for calculating impact coordinates, as well as characterizing the impact by simultaneously checking the presence of energy in sufficient proportion at the two frequencies 12 KHz and 100 kHz (for glass or metal and 30 KHz for polycarbonate and other plastics), as well as the programmable gain functions, automatic search for optimal gain or fault diagnosis, are controlled by a microcontroller with an arithmetic and logic unit with several input ports - outputs capable of generating interruptions on rising or falling edge, of several timers, of a real time clock, of a system clock, of a watchdog function, of program and data memories, as well as of communication functions of series type or parallel allowing it to exchange commands and data with a master microcomputer.
  • the microcomputer will itself be equipped with hardware and software means enabling it to execute certain computer files and activate certain peripherals such as and in a non-exhaustive manner, a video projector, an Internet video camera, a modem, a sound card, printer, compact disc player, depending on the position of an impact on a predetermined area of the glass plate.
  • peripherals such as and in a non-exhaustive manner, a video projector, an Internet video camera, a modem, a sound card, printer, compact disc player, depending on the position of an impact on a predetermined area of the glass plate.
  • the microcomputer can itself be connected to the Internet via a service provider possibly using high-speed communication means and depend on a central server, so that a simple glass plate equipped with the invention can be used as a multimedia communication terminal.

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Abstract

The invention concerns a device for transmitting/receiving acoustic waves comprising a set of piezoelectric sensors PZTO to PZT4 bonded to a plate, said sensors capable of being independently transmitters or receivers of acoustic waves propagated in the plate and said device comprising filtering means adapted to define at least two independent spectral bands, one in the audio domain, the other in the ultrasound domain. Said device is characterized in that a set of at least three sensors among the four sensors PZTO to PZT3 operates in reception mode in the audio and ultrasound bands and enables the device to operate as impact-sensitive or microphonic faceplate, one sensor at least among the four sensors PZTO to PZT3 operates in transmission or reception mode in the ultrasound band while at least one sensor PTZ4 operates in transmission mode simultaneously in the audio band.

Description

«DISPOSITIF D'EMISSION/RECEPTION D'ONDES ACOUSTIQUES DANS UNE PLAQUE, ET PROCEDES D'ELABORATION DE TELS DISPOSITIFS »"DEVICE FOR TRANSMITTING / RECEIVING ACOUSTIC WAVES IN A PLATE, AND METHODS OF MAKING SUCH DEVICES"
La présente invention a trait de manière générale aux dispositifs de communication interactive entre un utilisateur et une machine.The present invention relates generally to interactive communication devices between a user and a 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 créé par analogie avec le mot « tactile » et dont la signification tout au long de ce descriptif sera « qui réagit à un impact ».More specifically, the invention relates to a device for collecting, transmitting and processing acoustic waves transmitted by a user or a sensor to a plate serving as an interface with a machine, said device being endowed with functionalities allowing it to on the one hand, to analyze the propagation times of the acoustic waves in the plate in particular to measure the coordinates x r , y r of impacts, on the other hand, to emit or receive an audible sound, in particular the voice, using the plate as a microphone membrane or as a speaker. Thus, being able to locate small impacts made with objects such as fingernails, keys, rings or pens makes it possible to transform the plate into a giant “impactile” surface, the term “impactile” being a neologism created by analogy with the word “ tactile ”and whose meaning throughout this description will be“ who reacts to an impact ”.
On connaît par le brevet WO 96 11378 A 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.WO 96 11378 discloses a device for acquiring coordinates x r , y r of the point of a rigid plate from which a source punctually emits wave packets, by analysis of the propagation time of the waves in the plate in two directions x and y of the plate.
On connaît aussi par le brevet EP 1 141 884 A 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.Also known from patent EP 1 141 884 A is an acquisition device where two pairs of transducers are associated respectively with each direction x, y, the position of the source in each direction being determined by measuring the time differential. arrival of the wave packets on the two respective pairs of transducers from said direction.
Ces deux dispositifs d'acquisition sont particulièrement bien adaptés à la détection sélective, dlun mode- acoustique de Lamb dans une plaque" de" verre isotrope. En particulier le dispositif du brevet EP 1 141 884 A 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 équivalente des capteurs piézoélectriques.Both acquisition devices are particularly suitable for the selective detection, dlun Lamb acoustic mode- in a plate "of" isotropic glass. In particular, the device of patent EP 1 141 884 A proposes a method of collecting the voice of a user mechanically exciting the glass plate. The present invention shows how to further improve this result, by transforming the plate in audio transceiver, half duplex and programmable using one or more sensors glued to the plate as transmitters of acoustic waves in the ambient air which amounts to using the plate as a speaker in a frequency band limited to part of the audible band while simultaneously using other sensors in receiver mode in a different spectral band, in particular in the ultrasonic frequency spectrum, in order to be able to simultaneously detect the position of a possible impact on the plate controlling for example the stopping the current emission in the audible spectrum and the consecutive emission of another audible message. In addition, the devices described in the patents cited above lack flexibility when transforming a glazing into an interactive screen simply because the gains of the receiver amplifiers must be able to be optimized from one device to another and d '' one channel to another depending on the type and quality of bonding of the sensors or the dispersion of the properties of the electronic components used generating a variation in analog noise on each amplification channel. The present invention therefore proposes the following improvement consisting in introducing a range of gains that can be programmed digitally for each of the channels and independently of the other channels, as well as an algorithm for automatically searching for the optimal gain for each detection channel. In addition, since the plate has a certain number of sensors that can be damaged during installation or after several years of use, it may prove necessary to be able to check the condition of the electrical connections and easily identify the faulty connections. For this, the invention shows a method for checking the state of the electrical connections of the sensors consisting in measuring the equivalent capacity of the piezoelectric sensors.
Un autre but de la présente invention est d'améliorer également la bande passante électrq:acoustique de la plaque de verre lorsqu'elle est-utilisée comme haut-parleur, en particulier de corriger la bande passante de la plaque de verre aux basses fréquences et 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.Another object of the present invention is also to improve the electrical bandwidth : acoustics of the glass plate when it is used as a loudspeaker, in particular to correct the bandwidth of the glass plate at low frequencies and allow it by using a dynamic compression function to emit an acoustic sound of sufficient amplitude and quality allowing to hear correctly, even in urban areas where there is in practice a relatively high ambient acoustic noise.
Pour atteindre ces buts, l'invention propose selon un premier aspect un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques comprenant un ensemble de capteurs piézoélectriques 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 d'au moins trois capteurs pris parmi quatre capteurs fonctionne en mode réception dans les bandes audible et ultrasonore et permet un fonctionnement du dispositif en dalle impactile, au moins un capteur pris parmi quatre capteurs fonctionne en mode émission ou réception dans la bande ultrasonore tandis qu'au moins un capteur fonctionne en mode émission simultanément et indépendamment dans la bande audible.To achieve these goals, the invention proposes, according to a first aspect, an acoustic wave transmitter-receiver device comprising a set of piezoelectric sensors bonded to a plate, said sensors being able to be independently transmitters or receivers of acoustic waves propagated in the plate. and said device comprising filtering means capable of defining at least two independent spectral bands, one in the audible range, the other in the ultrasonic range, device characterized in that a set of at least three sensors taken among four sensors operates in reception mode in the audible and ultrasonic bands and allows operation of the device in a touch screen, at least one sensor taken from among four sensors operates in transmission or reception mode in the ultrasonic band while at least one sensor operates in transmission mode simultaneously and independently in the audible band.
Avantageusement, il constitue 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 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 produit 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, ou les abris bus mais aussi sur les vitrages composant les cloisons, les portes vitrées, les fenêtres planes ou légèrement courbe telles celles que l'on peut trouver dans les vitres fenêtres des passagers de voitures automobiles.Advantageously, it constitutes a device for acquiring coordinates of points of interaction of an acoustic source with the surface of the plate, of finite dimensions, comprising a set of acoustic sensors each formed by two piezoelectric transducers located opposite -screw on either side of the plate, or of a transducer in the form of a piezoelectric plate with alternating polarization, bonded to the edge of the plate, the device comprising processing means for determining the coordinates of said interaction point by analyzing the difference in propagation time of the acoustic waves emitted by the source to the various sensors, device characterized in that the processing means comprise, in association with each sensor, a respective electronic circuit comprising in cascade means for performing a wideband pre-amplification with digital gain adjustment on four bits, i.e. 16 gay values ns possible, means for selective amplification centered on a first frequency "determined, means for detecting the head of the wave packet and means for switching the transmitter or receiver sensors to automatically determine the distance between the different sensors, from the knowledge of the speed of sound of acoustic waves in the plate, and also carry out an integrity check of the plate by regularly carrying out a new measurement of this distance which is compared with the values measured during the first configuration of the plate . The device also comprises at least one piezoelectric transducer intended for the production of sound in ambient air by using the plate as a coupling surface, said coupling surface playing the role of loudspeaker membrane, the interesting feature being that the mechanical excitation of the plate produced by a small piezoelectric transducer propagates in the plate at a speed 10 times greater than the speed of propagation of the sound in the air which allows to distribute the sound to be transmitted on a surface of large transmission, typically several square meters. The effect produced is then a feeling of uniformity of the sound produced whatever the position of the user in front of the plate, as well as the absence of decrease of the signal when the user moves away from the plate. Such an interface can thus be installed on shop windows, or bus shelters, but also on glazing making up partitions, glass doors, flat or slightly curved windows such as those found in passenger windows. of automobile cars.
Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :Preferred but non-limiting aspects of the device according to the invention are the following:
- Les capteurs sont au nombre de quatre et sont constitués d'un assemblage de deux transducteurs piézoélectriques de forme carrée, rectangle, disque, demi-disque ou des quart de disque 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. La forme du transducteur piézoélectrique est quelconque lorsqu'ils est destiné à exciter mécaniquement la plaque de façon à ce qu'elle transmette dans l'air ambiant un son audible.- The sensors are four in number and consist of an assembly of two piezoelectric transducers of square shape, rectangle, disc, half disc or quarter disc of piezoelectric ceramics bonded on either side of the plate, so that four sensors form the vertices of a rectangle whose center constitutes the origin of the coordinates. A sensor is formed by two half-discs when it is glued to more than three diameters from the corner of a rectangular plate, the edge of the half-disc being collinear and directly above the edge of the plate, while the connections electrics are made in antiparallel. It is formed by two quarter discs when glued to the corner of a plate, the two perpendicular edges of each quarter disc being aligned with those of the corners of the plate. The shape of the transducer piezoelectric is arbitrary when it is intended to mechanically excite the plate so that it transmits in the ambient air an audible sound.
- 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 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 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.- The sensors are four in number and are in the form of a rectangular piezoelectric plate bonded to the polished edge of the plate, the width of a plate being equal to the thickness of the plate, while the length of a plate is chosen so that the fundamental longitudinal resonance of the wafer along this length is close to 100 kHz, which corresponds in practice to a length of the order of 20 mm. In addition, the wafer is alternately polarized, the plane delimiting the polarization reversal being coplanar with the median plane of the plate, so that the wafers will be particularly well suited to the detection of antisymmetric Lamb waves, in particular in the case of double-glazed type glass plates. In this case, the four sensors are glued to the edges of the plate intended to serve as a user interface, that is to say intended to receive the impacts. These sensors are particularly well suited to glass plates at least 10 mm thick.
- Le rectangle dont les sommets correspond à l'emplacement des quatre 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,- The rectangle whose vertices corresponds to the location of the four sensors is divided into four quadrants, each quadrant being associated with the triplet of sensors closest to the center of the quadrant responsible for detecting the coordinates of an impact in this quadrant, the measurement accuracy being theoretically better than that which would be obtained by other triplets,
- Les disques céramiques piézoélectriques ont un retour d'argenture permettant de réaliser les connexions électriques sur la même face du disque,- The piezoelectric ceramic discs have a silver back allowing electrical connections to be made on the same face of the disc,
- 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,- In the case of sensors bonded to the faces, the electrical connections of the two piezoelectric transducers of each sensor are connected in antiparallel, the polarization vectors being mounted symmetrically with respect to the median plane of the plate so that the symmetrical modes, more are discriminated and the asymmetric modes are slower and preferred,
- La localisation d'un point d'impact sur une plaque dans 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 :- The location of an impact point on a plate in one of the four quadrants defined by the pair of bits (g y , g x ) consists in measuring the difference in flight times between two sensors, taken from a triplet of sensors , defining a first direction and two sensors, taken from the same triplet of sensors, defining a second direction perpendicular to the first, so that the Cartesian coordinates of the point of impact (x r , y r ) on the plate are given by the formula:
Figure imgf000008_0001
gv2 At»g (- p2 -ι-v2 At»g (Atxg- Atra)) Atre + ,Vp2 2 (4 2 - r' Atxg2) ( g2 + 4g2 - v2 ÇAtxg- Atγtf)2) Atyt)2 (4 g2 - v2 Atyt ïr = (- ) r 4 (çr2 ιr2 txg2 + p2 (-4 g +U 2 Atyg2))
Figure imgf000008_0001
gv 2 At »g (- p 2 -ι-v 2 At» g (Atxg- Atra)) Atre + , Vp 2 2 (4 2 - r 'Atxg 2 ) (g 2 + 4g 2 - v 2 ÇAtxg- Atγtf ) 2 ) Atyt) 2 (4 g 2 - v 2 Atyt ïr = (-) r 4 (çr 2 ιr 2 txg 2 + p 2 (-4 g + U 2 Atyg 2 ))
- 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 A0, Δtxg, (respectivement Δtyg) 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),- Where, p and q are positive numbers representing respectively the abscissa and the ordinate of the position of the sensors relative to the center of the rectangle defined by the sensors, v the speed of the acoustic plate mode detected, that is to say -to say, for an isotropic lens, that of the Lamb mode A 0 , Δt xg , (respectively Δt yg ) the difference in the propagation times of the wave packet generated by the impact, between the sensors of the first pair located in the half-rectangle g x (respectively of the second pair located in the half-rectangle g y ),
- 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,- The determination of the triplet of sensors associated with a given impact is carried out according to an algorithm seeking the largest difference in flight time available between the sensors in two perpendicular directions,
- Les circuits électroniques associés aux capteurs pour la localisation d'un impact comprennent en cascade un étage préamplificateur large bande, un étage d'amplificateur programmable numériquement sur quatre bit, un étage amplificateur sélectif réglable dans une bande ultrasonore située entre 20 kHz et 150 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,- The electronic circuits associated with the sensors for the localization of an impact include in cascade a broadband preamplifier stage, an amplifier stage digitally programmable on four bit, a selective amplifier stage adjustable in an ultrasonic band located between 20 kHz and 150 kHz , a square rise stage, a peak detector stage with discharge resistance, an operational amplifier integrator stage with a resistive bridge with high input polarization impedances so that the integrator is saturated at a level opposite to that towards which it would presently saturate with a positive signal, an adaptation stage at a logic level constituting a synchronization signal intended for calculating the position of an impact,
- Les circuits électroniques associés aux capteurs pour l'enregistremeni au son audio récupéré par la plaque baignant dans l'air ambiant et fonctionnant en mode microphone comprennent une dérivation en sortie des amplificateurs à gains programmables 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 6e e 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 analogique est en mode haute impédance lorsque la plaque fonctionne en mode haut-parleur.- The electronic circuits associated with the sensors for recording audio sound recovered by the plate bathed in the ambient air and operating in microphone mode include a bypass at the output of the amplifiers with programmable gains towards a high impedance input follower stage, a floor summing amplifier of the selected channels, a high-pass first order filter of cutoff frequency of 30 Hz, a low-pass filter 6 ee cutoff frequency order of 5000 Hz, an analog switch to an audio output on connector Jack mono 3 5 mm intended to be connected to the microphone input of a sound card of a PC. The analog switch is in high impedance mode when the plate is operating in speaker mode.
- 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 6eme 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,- The electronic circuits associated with the sensor for the production of sound by the plate comprise an amplifier stage, a low pass filter stage of the first order with a cutoff frequency around 2.3 kHz, a low pass stage of the 6 th order with a cut-off frequency of 5 kHz, a signal dynamic compression stage with a square root function, a high-voltage output amplifier stage to an RCA-type output connector, a branch to a logic level adapter stage putting the microphone function output switch under high impedance. - At least one of the sensors is capable of being switched into the transmitter of an ultrasonic wave packet detected by the other sensors whose positions are to be determined in order to trigger a plate integrity test, by measuring the difference in propagation time of the wave packet between the different sensors,
- 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,- The management of all the steps of measurement, processing and data transfer by a serial communication interface, either to an LCD display, or to an interface for musical instruments (MIDI interface), or to a more powerful computer such a microcomputer via its RS232 or USB port is governed by a microcontroller,
- 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 de manière non limitative un projecteur vidéo, une vidéo caméra, des haut-parieurs, 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, Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé d'élaboration d'un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques à fonctions de localisation par mesure de la propagation d'ultrasons et de transduction acoustique dans le domaine audible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - prévoir une plaque en matériau massif donné ;- The device constitutes a peripheral interface with a machine which receives the signals from the processing means and which, depending on the said signals, controls the execution of files contained in the computer by various peripherals of known types connected to the computer such as for example without limitation, a video projector, a video camera, loudspeakers, a modem, an intercom, a printer, or even an automation unit controlling a mechanical action such as closing a protective curtain, l orientation of a camera, control of a process, According to a second aspect, the invention provides a method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that '' it includes the following stages: - providing a plate of given solid material;
- agencer sur la plaque un ensemble de capteurs piézoélectriques (PZTO à PZT4) collés à la plaque, ces capteurs étant aptes à émettre et/ou à recevoir des ondes acoustiques propagées dans la plaque ;- Arrange on the plate a set of piezoelectric sensors (PZTO to PZT4) bonded to the plate, these sensors being able to emit and / or receive acoustic waves propagated in the plate;
- prévoir en association avec les capteurs une circuiterie de traitement des signaux reçus et/ou émis par le capteurs comprenant des moyens de filtrage aptes à définir deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore et l'autre dans le domaine audible, ces deux bandes étant délimitées entre elles par une fréquence de coupure, et- in association with the sensors, provide a circuit for processing the signals received and / or emitted by the sensor comprising filtering means capable of defining two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and
- choisir les fréquences de la bande ultrasonore en fonction du type de matériau massif de la plaque.- choose the frequencies of the ultrasonic band according to the type of solid material of the plate.
Dans une forme de réalisation, le procédé comprend le fait de prévoir une plaque en matière plastique et de choisir la bande ultrasonore autour d'environ 30 kHz.In one embodiment, the method includes providing a plastic plate and choosing the ultrasonic band around about 30 kHz.
Dans une autre forme de réalisation, le procédé comprend le fait de prévoir une plaque en verre ou en métal et de choisir la bande ultrasonore autour d'environ 100 kHz.In another embodiment, the method includes providing a glass or metal plate and choosing the ultrasonic band around about 100 kHz.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé d'élaboration d'un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques à fonctions de localisation par mesure de la propagation d'ultrasons et de transduction acoustique dans le domaine audible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :According to a third aspect, the invention provides a method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that '' it includes the following stages:
- prévoir une plaque en matériau massif donné ;- provide a plate of given solid material;
- agencer sur la plaque un ensemble de capteurs piézoélectriques collés à la plaque, ces capteurs étant aptes à émettre et/ou à recevoir des ondes acoustiques propagées dans la plaque ; - prévoir en association avec les capteurs une circuiterie de traitement des signaux reçus et/ou émis par le capteurs comprenant des moyens de filtrage aptes à définir deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore et l'autre dans le domaine audible, ces deux bandes étant délimitées entre elles par une fréquence de coupure, et- Arrange on the plate a set of piezoelectric sensors glued to the plate, these sensors being able to emit and / or receive acoustic waves propagated in the plate; - provide, in association with the sensors, circuitry for processing the signals received and / or emitted by the sensor, comprising filtering means capable of define two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and
- choisir un type d'agencement des capteurs piézoélectriques en fonction du type de matériau massif de la plaque.- choose a type of arrangement of the piezoelectric sensors according to the type of solid material of the plate.
Dans une première forme de réalisation, le procédé comprend le fait de prévoir une plaque en matière plastique et de choisir un agencement des capteurs individuels sur une face seulement de la plaque.In a first embodiment, the method comprises providing a plastic plate and choosing an arrangement of the individual sensors on only one face of the plate.
Dans une deuxième forme de réalisation, le procédé comprend le fait de prévoir une plaque en verre ou en métal et de choisir un agencement des capteurs individuels par paires de part et d'autre de la plaque.In a second embodiment, the method comprises providing a glass or metal plate and choosing an arrangement of the individual sensors in pairs on either side of the plate.
Enfin l'invention propose un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de capteurs piézoélectriques collés sur une seule face d'une plaque en matière plastique et aptes pour au moins certains à détecter des ondes acoustiques ultrasonores propagées dans la plaque selon le mode symétrique, en ce qu'au moins l'un des dits capteurs est apte à émettre et/ou recevoir des ondes sonores dans la gamme audible, et en ce qu'il comprend en outre des moyens de filtrage aptes à définir au moins deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore, l'autre dans le domaine audible, et des moyens de traitement des signaux filtrés indépendamment dans les deux bandes.Finally, the invention provides a device for transmitting and receiving acoustic waves, characterized in that it comprises a set of piezoelectric sensors bonded to one side of a plastic plate and suitable for at least some of them to detect acoustic waves. ultrasonic propagated in the plate according to the symmetrical mode, in that at least one of said sensors is capable of emitting and / or receiving sound waves in the audible range, and in that it further comprises means of filtering capable of defining at least two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain, the other in the audible domain, and means for processing the signals filtered independently in the two bands.
D'autres aspects but et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :Other aim and advantages aspects of the present invention will appear better on reading the following detailed description of preferred embodiments thereof, given by way of nonlimiting example and made with reference to the appended drawings, in which:
La figure 1 est une vue schématique d'une plaque impactile rectangulaire avec fonction haut-parleur 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 disque collés 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 en vis-à-vis et destinés à la mesure des coordonnées d'impacts portés à la plaque.Figure 1 is a schematic view of a rectangular impact plate with loudspeaker function and reduced active surface, giving the location and the coordinates of the sensors in the particular case where these are in the form of a semi-disc and form the vertices of a rectangle. The actual coordinate system, the identification of the four quadrants, the propagation times of the acoustic waves, and the actual coordinates (x r , y r ) of an impact on the plate are also given. Figure 2 has a schematic top view in section of a rectangular impact plate giving the location and positioning of four sensors in the shape of a quarter disc glued opposite and intended for the measurement of the coordinates of impacts brought to the plate. Figure 3 includes a schematic top view in section of a rectangular plate made impactable on only a portion of its total surface, the portion also being in the form of a rectangle whose vertices are given by the location and positioning of four sensors in the form of a half disc glued opposite and intended for the measurement of the coordinates of impacts carried to the plate.
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 demi-disque, montés en vis-à-vis en bordure d'une plaque.Figure 4 is a schematic sectional view from above of the placement and the electrical connections connecting two piezoelectric silver-return transducers, in the form of a quarter disc, mounted vis-à-vis in the square corner of a plate . Figure 5 is a schematic sectional view from above of the placement and electrical connections connecting two piezoelectric transducers with silvering feedback, in the form of a half-disc, mounted vis-à-vis the edge of a plate.
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 céramiques à polarisation alternée collées sur les chants polis de la plaque.FIG. 6 is a schematic view from above and in section of a rectangular impact plate with reduced active surface, the sensors being alternately polarized ceramics bonded to the polished edges of the plate.
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, indiquée 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 delà 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 cependant et malgré les conversions produit 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 O est associé à la plaque PLQ, l'origine O 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 (-ρ,-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 surface de 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. Lorsque le matériau est du verre monolithique, un impact du plat de l'ongle à la surface de la plaque engendre essentiellement deux modes acoustiques, l'un correspondant à une déformation élastique du verre due à l'onde dé choc, antisymétrique par rapport au plan médian de la plaque, l'autre correspondant à une onde de déformation élastique. symétrique par rapport au plan médian de la plaque. Ces modes sont respectivement les modes A0 et S0 de Lamb. La proportion relative des deux modes dépend de la fréquence, de la nature de l'impact et des matériaux entrant en collision. Dans le cas "d'un impact porté par un ongle de la main, par exemple celui de l'index, frappé à plat sur une plaque, que l'on décrira par le terme pichenette, le mode A0 est engendré de façon prépondérante par rapport au mode S0 dans une plaque de verre monolithique. L'utilisation d'une paire de transducteur collés en vis-à-vis sur les deux faces de la plaque et reliés électriquement en antiparallèle permet de détecter sélectivement le mode antisymétrique A0, plus lent à se propager dans la plaque que le mode symétrique S0. La plaque peut être dans un autre matériau que le verre. Cela peut être une tôle d'aluminium ou d'acier ou faite d'un alliage de métaux. La plaque peut également être en plastique, par exemple en plycarbonate ou polymétacrylate de méthyle. Dans le cas des plastiques, la proportion relative des modes engendrés par la pichenette change en faveur du mode S0. En outre, alors que les vitesses de propagation acoustique sont comparables entre le verre et un métal tel l'aluminium, il en est tout autrement pour les plastiques qui présentent des vitesses de propagation acoustiques deux à quatre fois plus faibles et une atténuation acoustique beaucoup plus grande. Dans le cas des plastiques, tel le polycarbonate, il est préférable de détecter le mode rapide S0 plutôt que le mode lent A0. Il suffit pour cela, de ne coller les transducteurs que sur une seule face de la plaque sans vis-à-vis sur l'autre face. 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 celle-ci 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 se situe à l'intérieur du rectangle défini par l'emplacement des 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 et des agressions. On réalise cela en ayant recours à des profilés métalliques 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 amplificateurs d'entrées de certains couplages capacitifs intempestifs avec d'autres dispositifs tels écrans plasma, LCD ou autres dispositifs électroniques ou électriques.Referring first to Figure 1, there is shown a PLQ plate comprising four sensors PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 formed of pairs of piezoelectric transducers. As shown in FIG. 4, the two transducers of each pair are identified by the indices t for the upper face and b for the lower face. They are in the form of a half-disc, indicated by the index s and are fixed vis-à-vis on the two opposite faces of the plate, for example by gluing, to collect the acoustic waves circulating in the plate. The choice of the shape of the transducer is imposed by the reflection of the acoustic waves on the sides of the plate. Indeed, the reflection of an elastic wave, in a solid, at the interface of a free surface results in a superposition of the incident wave and the reflected waves, the reflected waves being able to be of very different nature due of mode conversion phenomenon, which however and despite the conversions produces almost a doubling of the mechanical displacement collected by the ceramic. Thus, a quarter disc will be chosen when the sensors are glued to the square corners of a plate, according to the assembly in FIG. 3, and in the form of a half disc when they are glued away from a corner, in practice more than three sensor diameters. The direction of the electrical polarizations and of the electrical connections are respectively symmetrical with respect to the median plane of the plate and antiparallel so as to discriminate any symmetrical propagation mode and to favor any antisymmetrical propagation mode. The making of the electrical connections is facilitated by a return of silvering RA from one face to the other of the half-discs so as to have the two electrodes on the same face. The four sensors constitute the vertices of a rectangle. An orthogonal coordinate system x, y of origin O is associated with the plate PLQ, the origin O being physically located at the point of intersection of the diagonals of the rectangle defined by the four sensors. The x and y axes intersect the midpoints of the sides of the rectangle defined by the sensors. The PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 sensors have the respective coordinates (-ρ, -q) and (p, -q), (-p, q), (p, q). Acoustic waves can be generated by the impact of an object on the plate or by compression waves propagating in the ambient air and mechanically exciting the surface of the plate, such as voice. The plate is an isotropic material, for example glass, which may have undergone a quenching process to increase its impact resistance. When the material is monolithic glass, an impact of the nail plate on the surface of the plate essentially generates two acoustic modes, one corresponding to an elastic deformation of the glass due to the shock wave, asymmetrical with respect to the median plane of the plate, the other corresponding to an elastic strain wave. symmetrical with respect to the median plane of the plate. These modes are respectively Lamb's A0 and S0 modes. The relative proportion of the two modes depends on the frequency, the nature of the impact and the materials colliding. In the case " of an impact carried by a fingernail, for example that of the index finger, struck flat on a plate, which will be described by the term flick, the A0 mode is generated predominantly by compared to S0 mode in a glass plate monolithic. The use of a pair of transducers glued vis-à-vis on both sides of the plate and electrically connected in antiparallel allows to selectively detect the asymmetric mode A0, slower to propagate in the plate than the symmetrical mode S0 . The plate may be made of a material other than glass. This can be a sheet of aluminum or steel or made of a metal alloy. The plate can also be made of plastic, for example plycarbonate or polymethyl methacrylate. In the case of plastics, the relative proportion of the modes generated by the flicker changes in favor of the S0 mode. In addition, while the acoustic propagation speeds are comparable between glass and a metal such as aluminum, it is quite different for plastics which have acoustic propagation speeds two to four times lower and a much more acoustic attenuation. big. In the case of plastics, such as polycarbonate, it is preferable to detect the fast mode S0 rather than the slow mode A0. For this, it suffices to stick the transducers only on one side of the plate without vis-à-vis on the other side. The plate also comprises a fifth PZT4a sensor, appearing in FIG. 1 in the form of a piezoelectric disc with silver feedback, but which can be of any shape, its function being to mechanically excite the plate only in the spectral band audible used in telephony, typically 300 Hz-3300 Hz, so that it becomes a giant loudspeaker, without interfering with the functioning of the plate as an impactile panel. The fifth PZT4a sensor can also be in the form of two piezoelectric transducers mounted facing each other according to FIGS. 4 or 5, the advantage being to increase the transverse excitation power of the plate. The useful impact surface is located inside the rectangle defined by the location of the four sensors. This rectangle can cover only a portion of the total surface of the plate. In the case of shop windows whose total surface easily exceeds ten square meters, the " impactile " surface may be limited to the surface that a user can reach in a standing position, that is to say a little more than two meters in height . The sensors should preferably be hidden and protected from humidity and attack. We realize that using metal profiles with glazing beads and silicone seals incorporating the sensors. The dormant sections and the glazing beads may be made of an electrically conductive material such as aluminum. The sandwiching of the sensors constitutes a Faraday cage, that is to say an electromagnetic shielding, protecting the input amplifiers from certain untimely capacitive couplings with other devices such as plasma screens, LCD or other electronic or electrical devices.
Le but de la présente invention est ainsi de montrer comment ces trois fonctionnalités c'est-à-dire dalle impactile, microphone et haut-parleur coexistent et permettent de transformer la plaque en un terminal de communication grand public.The aim of the present invention is thus to show how these three functionalities, that is to say impactile panel, microphone and loudspeaker coexist and make it possible to transform the plate into a consumer communication terminal.
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 existe 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.For this, if we stick to the signal processing described in French patent 98/16229 reporting a broadband amplification followed by a square rise followed by a peak detection then an integration , it appears that this process lacks flexibility in adjusting the gains of the amplifiers. Indeed, there is a certain dispersion on the values of the electrical components used, as well as on the quality of the bonding so that the optimal gain can vary from one channel to another and from one device to another.
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 par quatre bits permettant 16 valeurs possibles de gain. Le gain des amplificateurs programmables est ensuite déterminé expérimentalement par une procédure de recherche automatisée des gains consistant, pour chaque voie, à partir du gain maximum et à diminuer celui-ci par paliers successifs 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 de synchronisation et d'adaptation à un niveau logique.To overcome this drawback, the present invention proposes a modification of the broadband amplifier stage by replacing the broadband amplifier with fixed gain by a programmable gain amplifier. Each of the four sensors is thus connected to a programmable gain amplifier, the gain value being defined by four bits allowing 16 possible gain values. The gain of the programmable amplifiers is then determined experimentally by an automated gain search procedure consisting, for each channel, from the maximum gain and decreasing it in successive stages until the background noise of the channel in the absence of any interactivity on the glass is sufficiently low to no longer inadvertently trigger the switching of the synchronization and adaptation transistors at a logic level.
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 demi-plans de coordonnées x positives ou négatives avec l'un des deux demi-plans de coordonnées y positives ou négatives.The determination of the coordinates of an impact according to the assembly of FIG. 1, in fact only requires three sensors taken from PZTO, PZT1, PZT2, PZT3. Several configurations with 3 sensors forming a right triangle can be extracted from the 4-sensor configuration in Figure 1. The four configurations described below lead to identical mathematical solutions, except for the sign, for the coordinates of an impact (xr, yr). In addition, each of these configurations is better suited than the others, from the point of view of the accuracy of the measurement, if it is used only on a given quadrant of the active surface. A quadrant corresponds to a quarter of the active surface and represents the intersection of one of the two half-planes of positive or negative x coordinates with one of the two half-planes of positive or negative y coordinates.
Ainsi, pour un impact donné, on détermine d'abord le quadrant auquel il appartient, puis on calcule les coordonnées (xr,yr) selon la foπnule associée à ce quadrant.Thus, for a given impact, the quadrant to which it belongs is first determined, then the coordinates (xr, yr) are calculated according to the formula associated with this 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 du mode détecté par les capteurs (i.e. antisymétrique ou symétrique). Les temps de propagation jusqu'aux capteurs d'un paquet d'ondes engendré par un impact en (xr,yr) sont respectivement tOO, tlO, tOl, tl 1.The Cartesian coordinates of the sensors PZTO, PZT1, PZT2, PZT3 are respectively (-p, -q), (p, -q), (-p, + q), (+ p, + q). Acoustic waves travel at the speed v of the mode detected by the sensors (i.e. antisymmetric or symmetrical). The propagation times to the sensors of a wave packet generated by an impact at (xr, yr) are respectively tOO, tlO, tOl, tl 1.
Les coordonnées (xr,yr) sont obtenues en résolvant un système d'équations, valable pour un quadrant donné. Les quatre systèmes d'équations sontThe coordinates (xr, yr) are obtained by solving a system of equations, valid for a given quadrant. The four systems of equations are
(gy, gx). = (0,0). xr < 0 et yr < 0(gy, gx). = (0.0). xr <0 and yr <0
Figure imgf000016_0001
(gy, gx). = (0,l). xr < 0 et yr > 0
Figure imgf000016_0001
(gy, gx). = (0.1). xr <0 and yr> 0
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0002
(gy, gx). = (l,0). xr > 0 et yr< 0(gy, gx). = (1.0). xr> 0 and yr <0
Figure imgf000016_0003
(gy, gx). = (U). xr > 0 et yr> 0
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000016_0003
(gy, gx). = (U). xr> 0 and yr> 0
Figure imgf000017_0001
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.The following formulas give the position of the impact (xr, yr). It suffices to replace gx and gy by the value 1 or 0 corresponding to the quadrant concerned.
Atxg (q p2 v2 <4 p2 -ir2 Atxg2) (*P2 ^ q2 - u2 (Atxg - Atra)2) Atyg2 (4 g2 - v2 Atyg2 ) « p2^ Atyg2 (-4 g2... v2 Atyg (-Atxg tc = (-l)ÏJt — p tïg (β2 v2 Atxg2 +p2 (-4 g? t i^ tra2 ))Atxg (qp 2 v 2 <4 p 2 -ir 2 Atxg 2 ) (* P 2 ^ q 2 - u 2 (Atxg - At ra ) 2 ) Atyg 2 (4 g 2 - v 2 Atyg 2 ) “p 2 ^ Atyg 2 (-4 g 2 ... v 2 Atyg (-Atxg tc = (-l) ÏJt - p tïg (β 2 v 2 Atxg 2 + p 2 (-4 g? Ti ^ tra 2 ))
_ r_1)S!. g v2 Atxg ( -4 p2 + ^ Atxg ( Atxg - Atyg) ) Atyg p2 ^ (4 2 - 2 Atxg2 ) (4 g2 + 49 - Γ2 (Atxg - Atyg)2) Atyg2 (4 çr2 - v2 tyt_ r _ 1) S! . gv 2 Atxg (-4 p 2 + ^ Atxg (Atxg - Atyg)) Atyg p 2 ^ (4 2 - 2 Atxg 2 ) (4 g 2 + 49 - Γ 2 (Atxg - Atyg) 2 ) Atyg 2 (4 çr 2 - v 2 tyt
4 (g2 V2 Atxg2 + p2 (-4 q2 +V2 Atyg2) )4 (g 2 V 2 Atxg 2 + p 2 (-4 q 2 + V 2 Atyg 2 ))
Le procédé de détermination des coordonnées d'un impact sur une plaque décrit ci-dessus permet de transformer une vitrine de boutique ou tout autre plaque en verre ou plastique ou métallique 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 150 kHz. La détection des composantes spectrales ultrasonores permet de bien mesurer les différences de temps de propagation entre les différents capteurs. Lorsque l'on utilise une plaque de verre ou de métal, la fréquence ultrasonore utile pour la localisation de l'impact au centimètre près se situe entre 80 KHz et 120 kHz. Dans le cas du plastique tel le polycarbonate la fréquence ultrasonore utile se situe entre 20 kHz et 50 KHz. 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 faisantsubir 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 pour le verre ou le métal et 30 kHz pour le polycarbonate et les autres plastiques, 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.The method for determining the coordinates of an impact on a plate described above makes it possible to transform a shop window or any other plate into glass or plastic or metal into an impactile surface. The source of impact can be a flick, that is to say an impact made with the dish of the nail on the glass plate. The characteristic of the impact is to create acoustic waves in a relatively wide spectral range and at an electronically exploitable level up to frequencies above 150 kHz. The detection of the ultrasonic spectral components makes it possible to properly measure the differences in propagation time between the different sensors. When using a glass or metal plate, the ultrasonic frequency useful for localizing the impact to the nearest centimeter is between 80 KHz and 120 kHz. In the case of plastic such as polycarbonate the useful ultrasonic frequency is between 20 kHz and 50 KHz. For this, the wave packet generated by an impact must be converted into an electrical signal for each of the PZTO to PZT3 sensors. Each of the four sensors PZTO to PZT3 is thus associated with an electronic processing channel responsible for extracting the high-frequency components from the wave packet generated by the impact. This is achieved by subjecting the electrical signal to various processing operations including connection to a switching block defining the input or output mode of the channel, followed for the input mode of a broadband amplifier stage with programmable gain, followed by an amplifier stage selective around a frequency 100 kHz for glass or metal and 30 kHz for polycarbonate and other plastics, a square rise stage, a peak detector stage with slow discharge resistance, an active integrator at output level saturated positively in the absence of signal thanks to a bridge of polarization resistors of values at least 10 times higher than the output impedance of the step-up squared, finally of a stage of adaptation to a logic level . The result of this treatment is that an impact on the plate generates a packet of waves which one will convert at the time of its reception into a single logical transition for all the head of the packet of waves, which will make it possible to accurately measure a difference in time of arrival of the wave packet towards the various sensors.
Ce traitement permet ainsi de déterminer les coordonnées de l'impact grâce à la formule ci-dessus. Il ne suffit cependant pas à réaliser une interface fiable c'est-à-dire qui n'est déclenchée que lorsqu'une action humaine consistant par exemple en une pichenette sur le verre, le métal, ou le plastique est réalisée. En effet, des bruits acoustiques dans la bande 30-150 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 12 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 12 KHz, le dit filtre étant destiné en combinaison avec le filtre sélectif à 100 kHz (pour le verre), 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.This treatment thus makes it possible to determine the coordinates of the impact using the above formula. However, it is not sufficient to produce a reliable interface, that is to say which is only triggered when a human action consisting for example of a flick on glass, metal, or plastic is carried out. Indeed, acoustic noise in the 30-150 kHz band can reach the plate via the coupling between the ground and the chassis. To prevent such signals from triggering a position measurement, the device performs a simultaneous analysis of the wave packet on at least one other spectral component, in practice in the vicinity of the upper limit of the audible spectrum, for example 12 KHz. For this, the output of one of the four programmable wideband amplifiers is diverted to a selective filter of the frequency to be controlled, in this case 12 KHz, the said filter being intended in combination with the selective filter at 100 kHz ( for glass), to characterize the impact, i.e. to define a frequency signature, by verifying the simultaneous presence of energy around these two frequencies, in a given proportion characteristic of the impact and therefore to discriminate the signals unwanted in the form of a packet of waves whose spectral content does not simultaneously present the required levels.
Nous obtenons ainsi une dalle impactile plus fiable. Cela ne suffît cependant pas. En effet, il est courant que des dispositifs électroniques tombent en panne après un certain nombre d'heures de fonctionnement. Il est souvent difficile et coûteux de détecter la panne. En outre, avec le développement de la complexité des systèmes, il arrive qu'un mauvais branchement ou qu'une étourderie soit prise pour une panne.We thus obtain a more reliable impact tile. However, this is not enough. Indeed, it is common for electronic devices to fail after a certain number of hours of operation. It is often difficult and expensive to detect the failure. In addition, with the development of complexity systems, it happens that a bad connection or a giddiness is taken for a breakdown.
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 vient d'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 donne 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 ou antiparallèle, 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 concerne simplement l'un 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. Le timer s'arrête lorsque la tension aux bornes de la capacité tombe au-dessous d'un seuil prédéfini. Pour une capacité statique de l'OϋF, 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 1 % 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.Another aspect of the present invention is to provide a system for assisting in the identification of faults. The most important fault diagnosis concerns the state of the electrical connections at the sensor levels. Indeed, the installation of an interactive showcase is often carried out during the renewal of a storefront. The sensors are then integrated into the frame and it would be costly to have to completely dismantle a storefront without knowing beforehand whether the fault comes from a break in the electrical contact on one of the sensors. The fault diagnosis on one of the sensors can be carried out using one of the characteristics of piezoelectric ceramics, ie their high dielectric permittivity which gives them a high value of static capacity, typically of several nanoFarads. The control of the state of the connections then consists in measuring the value of this static capacity for each of the four sensors PZTO to PZT4. When the sensors consist of two transducers mounted in parallel or antiparallel, the static capacity measured is the sum of the two capacities of the individual transducers. It is therefore very easy to identify the faulty sensor and if the fault simply concerns one or both transducers constituting the sensor. In practice, the measurement of the capacitance is carried out by measuring the discharge time of the static capacitance brought to a known potential, through a resistor of known value. For this, the switching blocks placed at the inputs of the analog channels are shared at the outputs. The sensors are then brought, for a short time, to a known potential difference. The charging current is limited by a resistance of a few hundred ohms. Once the charge has been completed, the switching blocks are placed under high impedance, and the capacitors discharge slowly through another resistor of the order of 100 kOhms while a timer is started. The timer stops when the voltage across the capacitor drops below a predefined threshold. For a static capacity of the OϋF, the discharge time is approximately equal to the product of the discharge resistor by the value of the static capacitance of the piezoelectric transducer, a millisecond. In the event of a break in the electrical connections at the sensors, there is a sharp decrease in discharge time. It will be noted here that the linear capacity of the coaxial cable connecting the sensors to the input amplifiers is only 100 picoFarad per meter. Thus the equivalent capacity of 10 meters of coaxial cable represents only one nanoFarad, barely 1% of the value of the static capacity of a piezoelectric sensor. There can therefore never be any confusion between the static capacity of a sensor and the capacity of the connecting cable.
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 5 μs de temps de montée et 5μs de temps de retour à l'état initial. 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 pour le mode antisymétrique A0 dans le verre ou v=1500 m/s pour le mode symétrique S0 dans le polycarbonate , 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 tπ = 0. Si l'origine du temps est celle correspondant à l'instant d'excitation du transducteur PZT3, alors la longueur 2p et la largeur 2q du rectangle formé par les quatre capteurs sont f2p=vxtιol données par les formules : < >We thus have a first function to assist in fault diagnosis. A second diagnostic aid function also consists in switching the switching block of one of the four sensors PZTO to PZT3 in output mode and in applying an electrical pulse of the order of 45 V, for a very short time decomposing in 5 μs rise time and 5 μs return to initial state. This has the consequence of generating a packet of acoustic waves in the plate. The three other sensors remaining in receiver mode, a measurement of the propagation time differences of the wave packet emitted by the excited sensor, for example PZT3, and the other sensors is simultaneously launched. Knowing then, the speed of propagation of the acoustic waves in the plate, either v = 3350 m / s for the asymmetric mode A0 in the glass or v = 1500 m / s for the symmetrical mode S0 in the polycarbonate, one obtains directly a measurement the length and width of the rectangle formed by the sensors. Indeed, the moment of excitation of the PZT3 sensor corresponds simultaneously to the moment of arrival of the wave which it generates at its location, so that tπ = 0. If the origin of time is that corresponding to the moment of excitation of the PZT3 transducer, then the length 2p and the width 2q of the rectangle formed by the four sensors are f2p = vxtιol given by the formulas: <>
[2q=vxtoιJ[2q = vxtoιJ
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.We thus obtain a second very useful function which consists in installing the plate to measure the length and the width of the rectangle formed by the sensors and to periodically compare this saved value with other measurements made later, for example during a initialization process during each electrical connection of the impact tile or following each impact.
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 d'un PC. 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.Another aspect of the present invention relates to the possibility of using the same PZTO to PZT3 sensors to transform the plate into a microphonic membrane. This is obtained by once again deriving the outputs of the four broadband programmable amplifiers to follower amplifiers, then to a summing amplifier stage of the signals coming from the follower amplifiers, a high pass filter stage of the first cut-off frequency 30 Hz, a low-pass filter stage of the first order cut-off frequency 2 kHz, a high-order low-pass filter stage, such as a Bessel or Chebyshev filter of order 6, cut-off frequency of 5000Hz, an analog switch of the microphone function, delivering on a load impedance of 560 Ohms. This load resistance arrives at the terminals of a 3.5 mm jack audio connector, which can then be connected to the microphone input of a PC sound card. In addition to the microphone function, the plate can be used as a loudspeaker. This function is provided by the PZT4a sensor. Since the same plate is used as a microphone or speaker, the two functions are mutually exclusive. In addition, one of the functions will take precedence over the other. In the case of this invention, priority is given to the loudspeaker function which, when activated, deactivates the microphone function by placing the analog switch of the microphonic function under high impedance. The loudspeaker function is thus called master, while the microphone function is called slave.
Un des intérêts de la présente invention réside dans le fait que qu'il est possible de faire en sorte que la fonction haut-parleur ne perturbe pas 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, 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 6e e ordre de fréquence de coupure 5000Hz, suivi d'un étage filtre passe-haut 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. Ca 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 œuvre 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.One of the advantages of the present invention resides in the fact that it is possible to ensure that the loudspeaker function does not disturb the impactile panel function. To do this, the PZT4a audio sensor is controlled by electronics with filtering functions. In particular, any audio signal coming from a high fidelity storage medium and in general, any audio source intended to be retransmitted by the glass plate will undergo an " electronic processing comprising at least one amplifier stage, one compression stage dynamically consisting of a logarithmic amplification or elevated to the square root of the signal, followed by a filter stage lowpass 6 ee order 5000Hz cutoff frequency, followed by a high pass filter stage with 30Hz cutoff frequency, followed by a power amplifier stage for mechanical excitation of the PZT4a audio transducer. Dynamic compression makes it possible to enhance certain sounds of low amplitude which could only be heard well in calm environments where high fidelity listening is possible. This is not the case for shop windows which bathe most of the time in a noisy ambient sound environment. The dynamic compression by the square root function is constructed in such a way that the loudest sounds remain unchanged, while a weak sound will be amplified. For example, a recording for which the loudest sound is 1 Volt peak to peak, but lasts only one second over a total recording length of 30 seconds containing almost only sounds with amplitude 10 mV, will have after dynamic compression, always the same loudest sound of 1 Volt peak to peak, but the sounds of 10 mV will have been amplified to 100 mV. Thus, by making the loudspeaker function independent of the impactile slab function, an impact at a given location on an impactile plate can trigger an action implementing the loudspeaker function while this same loudspeaker function can be stopped. during its execution by an impact on the plate produced at another location on the plate. The impactile slab function will thus have priority and will be called master over the loudspeaker function which will be called slave.
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 12 KHz et 100 kHz (pour le verre ou le métal et 30 KHz pour le polycarbonate et les autres plastiques), 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 microordinateur maître.For this, the processes for calculating impact coordinates, as well as characterizing the impact by simultaneously checking the presence of energy in sufficient proportion at the two frequencies 12 KHz and 100 kHz (for glass or metal and 30 KHz for polycarbonate and other plastics), as well as the programmable gain functions, automatic search for optimal gain or fault diagnosis, are controlled by a microcontroller with an arithmetic and logic unit with several input ports - outputs capable of generating interruptions on rising or falling edge, of several timers, of a real time clock, of a system clock, of a watchdog function, of program and data memories, as well as of communication functions of series type or parallel allowing it to exchange commands and data with a master microcomputer.
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.The microcomputer will itself be equipped with hardware and software means enabling it to execute certain computer files and activate certain peripherals such as and in a non-exhaustive manner, a video projector, an Internet video camera, a modem, a sound card, printer, compact disc player, depending on the position of an impact on a predetermined area of the glass plate.
Le micro-ordinateur pourra lui-même être connecté au Réseau Internet via un prestataire de service mettant éventuellement en œuvre 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. The microcomputer can itself be connected to the Internet via a service provider possibly using high-speed communication means and depend on a central server, so that a simple glass plate equipped with the invention can be used as a multimedia communication terminal.

Claims

Revendications claims
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 d'au moins trois capteurs pris parmi quatre capteurs (PZTO à PZT3) fonctionne en mode réception dans les bandes audible et ultrasonore et permet un fonctionnement du dispositif en dalle impactile, au moins un capteur pris parmi quatre capteurs (PZTO à PZT3) fonctionne en mode émission ou réception dans la bande ultrasonore tandis qu'au moins un capteur (PZT4a) fonctionne en mode émission simultanément et indépendamment dans la bande audible. 1. Acoustic wave transmitter-receiver device comprising a set of piezoelectric sensors (PZTO to PZT4) bonded to a plate, said sensors being able to be independently transmitters or receivers of acoustic waves propagated in the plate and said device comprising means filter capable of defining at least two independent spectral bands, one in the audible range, the other in the ultrasonic range, device characterized in that a set of at least three sensors taken from among four sensors (PZTO to PZT3 ) operates in reception mode in the audible and ultrasonic bands and allows operation of the device in a touch screen, at least one sensor taken from among four sensors (PZTO to PZT3) operates in transmission or reception mode in the ultrasonic band while at least one sensor (PZT4a) operates in transmission mode simultaneously and independently in the audible band.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs fonctionnant dans la bande ultrasonore sont aptes 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.2. Device according to claim 1, characterized in that the sensors operating in the ultrasonic band are capable of determining the position of an impact applied to the plate by measuring the difference in propagation time of the acoustic waves between the different sensors, said acoustic waves being generated by the impact of an object such as the nail plate, a key, the tip of a pen, etc.
3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les fréquences de la bande ultrasonore sont choisies en fonction du matériau de la plaque.3. Device according to claim 2 characterized in that the frequencies of the ultrasonic band are chosen according to the material of the plate.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 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 choisie en fonction du matériau de la plaque, 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 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 valeur de capacité statique du capteur piézoélectrique et donc à vérifier le bon état d'une connexion électrique sur les capteurs.4. Device according to one of claims 2 and 3, characterized in that each sensor is associated with an electronic processing channel comprising a switching block defining the input or output mode of the channel, followed for the input mode of a wideband amplifier with programmable gain, followed by a selective amplifier around a frequency chosen according to the material of the plate, a square rise stage, a peak detector stage with slow discharge resistance, an active integrator with positively saturated output level in the absence of signal, finally an adaptation stage at a logic level and for the output mode, of a stage making it possible to apply to the terminals of the sensors and for a short time, a potential difference with resistors for limiting the charge and discharge current, the discharge time measured being proportional to the product of the resistance of discharge, of known value, by the value of the static capacity of the piezoelectric transducer and serving to measure this value of static capacity of the piezoelectric sensor and therefore to check the good condition of an electrical connection on the sensors.
5. Dispositif selon la revendication 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, le dit filtre étant destiné en combinaison avec le filtre sélectif choisi en fonction du matériau de la plaque, 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.5. Device according to claim 4, characterized in that the output of at least one programmable broadband amplifier is diverted to a selective filter of a predetermined frequency located in the upper part of the audible band, said filter being intended for combination with the selective filter chosen according to the material of the plate, to characterize an impact by checking the simultaneous presence of energy around these two frequencies, in a given proportion, and therefore to discriminate the nuisance signals appearing in the form of wave packet whose spectral content does not present the required levels simultaneously, of signals resulting from impacts on the glass, the only ones capable of simultaneously producing the required signal level at the two determined frequencies.
6. Dispositif selon les revendications 2 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 la plaque soit suffisamment faible pour ne plus déclencher intempestivement la commutation des transistors d'adaptation à un niveau logique.6. Device according to claims 2 to 5, characterized in that the gain of the programmable amplifiers is determined by an automated gain search procedure consisting for each channel in decreasing by successive stages the value of the gain until the noise of bottom of the channel in the absence of any interactivity on the plate is sufficiently low to no longer inadvertently trigger the switching of the adaptation transistors at a logic level.
7. Dispositif selon la revendication 1, 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.7. Device according to claim 1, characterized in that the sensors operating in the audible band are capable of recording or producing sound in ambient air by coupling with the plate playing the role of microphonic membrane in reception mode or loudspeaker in broadcast mode.
8. Dispositif selon la revendication 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 d'environ 30Hz à 5000 Hz. 8. Device according to claim 7, characterized in that the audible band intended for recording or producing sound in the ambient air by coupling with the plate is limited by filtering to the band of approximately 30Hz to 5000 Hz.
9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque est réalisée dans un matériau transparent tel que le verre ou les plastiques transparents tels le polycarbonate ou le polymétacryltate de méthyle et constitue une surface de couplage de plusieurs mètres carrés. 9. Device according to claim 7, characterized in that the plate is made of a transparent material such as glass or transparent plastics such as polycarbonate or polymethyl methacrylate and constitutes a coupling surface of several square meters.
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 avec joints assurant une étanchéité aux projections d'eau ou autres liquides.10. Device according to claims 1 to 9, characterized in that the sensors are located on the periphery of the plate and are protected and hidden by a frame and glazing beads with seals ensuring a seal against splashing water or other liquids.
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. 11. Device according to claims 1 to 10, characterized in that the application of a potential difference to the audio transducer PZT4a intended for the production of sound in the ambient air by the plate, puts under high impedance, and therefore deactivates the receiver audio filter intended for receiving sound by coupling with the plate, so that the loudspeaker function is said to be master, while the microphone function is said to be slave.
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 partie haute de bande audible et de discrimination de la bande ultrasonore choisie en fonction du matériau de la plaque, de sorte que la plaque en mode interface impactile est dite maître, tandis que la production de son audible est dite esclave.12. Device according to claims 1 to 11, characterized in that the production of an audio sound in the ambient air by the plate is possibly interrupted by an impact on the plate, the said impact being validated by exceeding the threshold levels required by the discrimination filters of the upper part of the audible band and of the discrimination of the ultrasonic band chosen as a function of the material of the plate, so that the plate in impactile interface mode is said to be master, while the production of audible sound is said to be slave.
13. Disposif selon la revendication 7, 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 ou les abris de transports en commun ou les mobiliers de présentations dans les espaces de vente commerciaux.13. Device according to claim 7, characterized in that the plate is in a flat rectangular shape such as those that can be found in shop windows, partitions, glass doors, windows or slightly curved such that those that can be found in the window panes of passengers in motor cars or public transport shelters or display furniture in commercial sales spaces.
14. Dispositif selon les revendications 1 à 13, caractérisé en ce que pour le verre en plaque monolithique et le métal en plaque monolithique, 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, et pour les plastiques tel le polycarbonate, les capteurs piézo électriques PZTO à PZT4 sont constitués d'un seul transducteur piézoélectriques, tous collés sur la même face ou la face opposée à la face recevant l'impact. 14. Device according to claims 1 to 13, characterized in that for glass in monolithic plate and metal in monolithic plate, the piezoelectric sensors PZTO to PZT4 consist of two piezoelectric transducers PZTt and PZTb bonded opposite and on the other side of the plate and are in the form of half-discs with silver backing when glued to the side of a plate, the edge of the disc being collinear and in line with the edge of the plate or in the form of a quarter disc with silver back when glued to the corners of the rectangular plate, the two perpendicular sections being aligned with those of the plate, while the electrical connections are made in antiparallel, and for plastics such as polycarbonate, the sensors Piezoelectric PZTO to PZT4 consist of a single piezoelectric transducer, all glued on the same side or the side opposite to the side receiving the impact.
15. Dispositif selon les revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les capteurs sont des plaquettes de céramiques piézoélectriques à polarisation alternée de forme rectangulaire, collées sur le chant poli de la plaque, le plan de séparation de la polarisation alternée étant coplanaire au plan médian de la plaque de verre.15. Device according to claims 1 to 14, characterized in that the sensors are piezoelectric ceramic plates with alternating polarization of rectangular shape, bonded to the polished edge of the plate, the plane of separation of the alternating polarization being coplanar with the plane median of the glass plate.
16. Dispositif selon les revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compression de la dynamique, selon une loi choisie dans le groupe des lois logarithmique et racine carrée, de signaux issus d'enregistrements audio haute-fidélité tels que compact-disques et destinés à être lus en utilisant une vitrine interactive dans sa fonction haut-parleur.16. Device according to claims 1 to 15, characterized in that it comprises means for compressing the dynamics, according to a law chosen from the group of logarithmic and square root laws, of signals from high-fidelity audio recordings such as compact discs and intended to be played using an interactive showcase in its speaker function.
17. Procédé d'élaboration d'un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques à fonctions de localisation par mesure de la propagation d'ultrasons et de transduction acoustique dans le domaine audible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :17. Method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that it comprises the following steps:
- prévoir une plaque en matériau massif donné ;- provide a plate of given solid material;
- agencer sur la plaque un ensemble de capteurs piézoélectriques (PZTO à PZT4) collés à la plaque, ces capteurs étant aptes à émettre et/ou à recevoir des ondes acoustiques propagées dans la plaque ;- Arrange on the plate a set of piezoelectric sensors (PZTO to PZT4) bonded to the plate, these sensors being able to emit and / or receive acoustic waves propagated in the plate;
- prévoir en association avec les capteurs une circuiterie de traitement des signaux reçus et/ou émis par le capteurs comprenant des moyens de filtrage aptes a définir deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore et l'autre dans le domaine audible, ces deux bandes étant délimitées entre elles par une fréquence de coupure, et - choisir les fréquences de la bande ultrasonore en fonction du type de matériau massif de la plaque.- in association with the sensors, provide a circuit for processing the signals received and / or emitted by the sensor, comprising filtering means capable of defining two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and - choose the frequencies of the ultrasonic band according to the type of solid material of the plate.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de prévoir une plaque en matière plastique et de choisir la bande ultrasonore autour d'environ 30 kHz.18. The method of claim 17, characterized in that it comprises providing a plastic plate and choosing the ultrasonic band around about 30 kHz.
19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de prévoir une plaque en verre ou en métal et de choisir la bande ultrasonore autour d'environ 100 kHz.19. The method of claim 17, characterized in that it comprises providing a glass or metal plate and choosing the ultrasonic band around about 100 kHz.
20. Procédé d'élaboration d'un dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques à fonctions de localisation par mesure de la propagation d'ultrasons et de transduction acoustique dans le domaine audible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :20. Method for developing an acoustic wave transmitter-receiver device with localization functions by measuring the propagation of ultrasound and acoustic transduction in the audible range, characterized in that it comprises the following steps:
- prévoir une plaque en matériau massif donné ;- provide a plate of given solid material;
- agencer sur la plaque un ensemble de capteurs piézoélectriques (PZTO à PZT4) collés à la plaque, ces capteurs étant aptes à émettre et/ou à recevoir des ondes acoustiques propagées dans la plaque ;- Arrange on the plate a set of piezoelectric sensors (PZTO to PZT4) bonded to the plate, these sensors being able to emit and / or receive acoustic waves propagated in the plate;
- prévoir en association avec les capteurs une circuiterie de traitement des signaux reçus et/ou émis par le capteurs comprenant des moyens de filtrage aptes à définir deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore et l'autre dans le domaine audible, ces deux bandes étant délimitées entre elles par une fréquence de coupure, et- in association with the sensors, provide a circuit for processing the signals received and / or emitted by the sensor comprising filtering means capable of defining two independent spectral bands, one in the ultrasonic domain and the other in the audible domain, these two bands being delimited between them by a cut-off frequency, and
- choisir un type d'agencement des capteurs piézoélectriques en fonction du type de matériau massif de la plaque.- choose a type of arrangement of the piezoelectric sensors according to the type of solid material of the plate.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de prévoir une plaque en matière plastique et de choisir un agencement des capteurs individuels sur une face seulement de la plaque.21. The method of claim 20, characterized in that it comprises providing a plastic plate and choosing an arrangement of the individual sensors on only one side of the plate.
22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de prévoir une plaque en verre ou en métal et de choisir un agencement des capteurs individuels par paires de part et d'autre de la plaque. 22. The method of claim 20, characterized in that it comprises providing a glass or metal plate and choosing an arrangement of the individual sensors in pairs on either side of the plate.
23. Dispositif émetteur-récepteur d'ondes acoustiques, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de capteurs piézoélectriques (PZTO à PZT4) collés sur une seule face d'une plaque en matière plastique et aptes pour au moins certains à détecter des ondes acoustiques ultrasonores propagées dans la plaque selon le mode symétrique, en ce qu'au moins l'un des dits capteurs est apte à émettre et/ou recevoir des ondes sonores dans la gamme audible, et en ce qu'il comprend en outre des moyens de filtrage aptes à définir au moins deux bandes spectrales indépendantes, l'une dans le domaine ultrasonore, l'autre dans le domaine audible, et des moyens de traitement des signaux filtrés indépendamment dans les deux bandes. 23. Acoustic wave transmitter-receiver device, characterized in that it comprises a set of piezoelectric sensors (PZTO to PZT4) bonded to only one side of a plastic plate and able for at least some to detect ultrasonic acoustic waves propagated in the plate according to the symmetrical mode, in that at least one of said sensors is capable of emitting and / or receive sound waves in the audible range, and in that it further comprises filtering means capable of defining at least two independent spectral bands, one in the ultrasonic field, the other in the audible field, and means for processing the signals filtered independently in the two bands.
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